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激光雷达“锐眼”识霾添加时间:2019-10-05

  “水光潋滟晴方好,山色空蒙雨亦奇。欲把西湖比西子,淡妆浓抹总相宜。”唐宋八大家之一苏轼长居景色宜人的杭州,为西湖美景留下了这样脍炙人口的诗篇。

  所以很多人觉得西湖美景就是“山色空蒙雨亦奇”的,且近些年来,西湖上经常能见到这种雾里看花、水中望月的景色。


殊不知,你以为是雾,其实是霾(西湖的霾↑ 图片来自网络)

  其实,如今人们在杭州欣赏的西湖美景可能与古人所见大相径庭。

  所以霾和雾,究竟区别在哪里?我们要怎么识别出来?

  雾与霾

  首先看什么是雾,在水汽充足、微风及大气稳定的情况下,相对湿度达到 100% 时,空气中的水汽便会凝结成细微的水滴悬浮于空中,使地面水平的能见度下降,这种天气现象称为雾。多出现于春季二至四月间。

  霾在气象学上被定义为:大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于 10 千米的空气普遍有混浊现象,使远处光亮物微带黄、红色,使黑暗物微带蓝色。霾主要呈橙灰色,因此我们也将其称为灰霾。在空气污染严重的城市地区,霾频繁出现。

  灰霾来袭,不仅会使能见度变低,影响日常生产生活和交通安全,还会对人体健康带来诸多危害。此外,灰霾还会影响大气辐射平衡,对区域和全球气候变化造成重要影响。

  简单来说,雾是悬浮的细微水滴,霾是悬浮的固体颗粒;雾是季节性的自然现象,霾多来自于空气污染;雾的成分对人体健康无害,霾含有大量的致病因素;雾不会影响全球气候变化,霾会对全球气候变化产生重要影响。

  而在现实生活中,二者经常同时出现,会出现又有雾又有霾,所以有时候会并称为“雾霾”。雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物(PM2. 5),一旦排放超过大气循环能力和承载度,细颗粒物浓度将持续积聚,此时如果受静稳天气等影响,极易出现大范围的雾霾。

  探测霾的“眼睛”——激光雷达  

“十面霾伏”及其危害(图片来自网络)

  要战胜灰霾,要先从了解灰霾开始。灰霾从何而来,怎样传输、累积和消散?

  这些都离不开对造成灰霾天气的主要元凶——大气颗粒物的定量探测。传统的探测仪器和方法只能获取近地面的观测数据,无法获取大气颗粒物的空间分布信息。

  激光雷达技术的出现,使颗粒物的空间特性探测成为可能。激光雷达作为探测大气颗粒物的有力探测工具,具有高时空分辨率、高探测精度和可以连续探测等优点,能够准确全面掌握大气污染状况,认识灰霾发展规律和时空演变,为灰霾防治提供技术支撑。

  激光在大气中传输时,除了被大气吸收外,还会产生激光与小尺度大气分子的瑞利散射、与大尺度气溶胶粒子的米散射、与非球形粒子的退偏振散射和频率发生变化的拉曼散射等多种散射过程。

  激光与大气间的各种相互作用就是激光雷达探测大气的物理基础。用于大气颗粒物探测的米散射激光雷达就是基于米散射理论,通过接收激光与大气中颗粒物相互作用后的后向散射回波信号对灰霾进行探测。激光雷达技术已被广泛应用于大气颗粒物的探测与研究领域。

  中科院合肥物质科学研究院安徽光机所环境光学中心刘文清院士课题组在该领域开展了相关研究,针对不同应用场景,自主研发了一系列型号的激光雷达设备,推动了国产设备的工程化和产业化。

  课题组还针对我国区域性大气灰霾污染的现状,对激光雷达技术的应用进行了很多探索。包括在典型区域开展激光雷达组网观测,并首次提出基于快速机动需求的新型高重频车载走航激光雷达,并结合模式同化等,模拟区域大气污染物的三维空间立体分布信息,开展区域输送的定量分析。


激光雷达技术应用与探索:激光雷达区域组网(左)激光雷达车载走航(右)

  科学治霾——我们在努力

  中科院合肥物质科学研究院安徽光机所环境光学中心研制的国产激光雷达目前在国内的市场占有率已达到 50%,推动了我国环境立体监测市场的蓬勃发展;自主研发的激光雷达不仅在青藏高原进行了长期观测,研究青藏高原环境变化及其对全球变化的影响,还远征南极,执行我国第 33 次南极科考任务;激光雷达区域组网与模式结合,实现 PM2. 5立体探测数据的同化;提出的车载激光雷达走航探测技术,在城市环境监测执法方面的应用也受到了用户的一致认可。

  相关成果已多次被应用于国家重大活动的空气质量保障工作中。

  中科院合肥物质科学研究院安徽光机所环境光学中心将会不断创新,持续推进系列高端立体监测设备,发展我国环境空气质量立体监测技术,构建地空天一体化的立体监测网络,助力精准治霾、科学治霾,推动空气质量持续改善,助力打赢蓝天保卫战!


地空天一体化立体监测网络

  来源:中国科学院合肥物质科学研究院  

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