镭测创芯023-09-05 11:20
中国海洋大学宋小全副教授课题组利用青岛镭测创芯科技有限公司Wind3D 6000型多普勒测风激光雷达，实现了葫芦岛区域海陆风特征的观测及其对臭氧污染的影响分析，相关成果发表于《光学学报》，被选为空间、大气、海洋与环境光学（SAME）专题刊亮点文章。文章利用激光雷达捕捉到了海陆风精细结构，结合中尺度WRF模式研究了海陆风环流对当地臭氧污染作用，为局地气象污染研究提供了新思路。
原文链接：杨雅雯, 宋小全, 廉文超, 康博识, 苗传海. 2021年春季葫芦岛海陆风特征及对臭氧污染影响[J]. 光学学报, 2023, 43(12): 1228002.
一
海陆风与沿海空气质量
海陆风是发生在海陆不同下垫面的一种中尺度大气物理现象，形成机制是海陆间的温度差异和变化。海陆比热不同，白天陆面升温速度快，空气受热膨胀上升，陆面上空的气压高于海洋，空气由陆地流向海洋；海洋表面气压上升，近地表处形成从海洋吹向陆地的海风。这种在空间上下相反的环流运动即为海风环流，夜间的过程与之相反，形成陆风环流。
对流层臭氧主要由氮氧化物等挥发性有机物通过一系列光化学反应生成，受辐射、温度、边界层扩散条件和局地环流等多种气象条件影响。海陆风特殊的气象条件与局地环流结构对沿海地区臭氧的输送和扩散具有重要影响。葫芦岛市南临渤海湾，海岸线复杂，为海陆风多发地带；作为辽宁沿海经济带的重要港口城市，以臭氧和细粒子为特征的区域复合型污染日益严重。本研究从局地气象学角度研究海陆风环流对局地环境质量尤其是臭氧污染的有关影响，为环渤海区域其他城市提供相关参考，也为葫芦岛地区臭氧污染防治提供了理论依据。
二
多普勒激光雷达观测海风结构
镭测创芯研发的Wind3D 6000型相干多普勒激光雷达具有较高的时空分辨率，可以获取大气边界层精细三维风场。2021年3月1日至4月30日，Wind3D 6000型相干多普勒测风激光雷达系统架设在辽宁省葫芦岛市觉华岛西南侧（120°47′E, 40°29′N）开展三维风场观测。
下表为其性能技术指标。其可实现空间上从地面至6000 m径向距离的三维大气风场和风廓线探测，具有秒级时间分辨率、测速精度≤0.1 m·s-1，能够用于探测风速、风向、风切变、垂直风速、大气湍流等。
相干多普勒激光雷达Wind3D 6000技术性能指标
多普勒激光雷达高时空分辨率数据可以获取海风环流垂直结构及发展过程的更多细节。如图3所示，凌晨及夜间陆风占主导作用，海风登陆时间集中在上午；海风发展过程中风向呈顺时针偏转。相比于近地面，高空海风形成有所滞后，持续时间较短；海风阶段高空仍可观测到北向陆风，形成海风环流。
(b)
（a）2021 年 4 月 4 日；（b）2021 年 4 月 14 日
中尺度天气预报WRF模式是模拟城市尺度到中尺度范围气象的有效工具。为了研究区域内海陆风的发展过程，该文利用WRF模式对2021年4月4日的海陆风进行模拟。图4模拟结果显示：随着海陆热力性质差异增大，来自低纬区域的海风从葫芦岛沿岸登陆；12:00海风覆盖区域的经向风为5~8 m·s，海风发展更盛，海风头高度达750 m；14:00海风深入内陆，形成明显的海风环流。
图4 基于WRF模式的海陆风日垂直风场及温度场
（a） 08：00；（b） 10：00；
（c） 12：00；（d） 14：00。
三
海风再循环与臭氧污染
本文结合葫芦岛自动气象站和环境监测站获取逐小时风速、风向、温度和臭氧质量浓度资料，研究海陆风期间臭氧浓度变化趋势。有、无海陆风时，当地臭氧浓度日变化均呈现“单峰”趋势；凌晨阶段，持续陆风将城市污染物输送至海洋；日出后随着太阳辐射的增强，臭氧浓度上升，其中海陆风期间上升速度更快，峰值浓度更高。
海陆风环流期间，离岸陆风将本地源污染物吹向海洋；日间海风登陆，将陆风输送到海上的气团带回陆地，造成污染物的循环累积，是海陆风期间臭氧峰值浓度更高的主要原因。局地回流（recirculation, R）描述了空间内污染被风场输送出去后再次输送回来的现象，该指数由Allwine和Whiteman等人提出用来表征风场的输送能力。
4月4日葫芦岛地区局地回流指数为0.049，空间内风场输送能力弱，进一步说明海陆风环流发生时，污染物有效扩散区域较小，导致局地臭氧浓度升高。
课题组介绍
中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院宋小全副教授课题组致力于研究激光雷达系统、技术、数据处理与应用，发展了利用激光雷达技术获取大气气溶胶、云、水汽、风、温度等方法。目前承担国家自然科学基金项目、重点研发项目课题、中国气象局项目。
