激光雷達「銳眼」識霾

「水光瀲灧晴方好，山色空濛雨亦奇。欲把西湖比西子，淡妝濃抹總相宜。」唐宋八大家之一蘇軾長居景色宜人的杭州，為西湖美景留下了這樣膾炙人口的詩篇。

所以很多人覺得西湖美景就是「山色空濛雨亦奇」的，且近些年來，西湖上經常能見到這種霧裡看花、水中望月的景色。

其實，如今人們在杭州欣賞的西湖美景可能與古人所見大相徑庭。

所以霾和霧，究竟區別在哪裡？我們要怎麼識別出來？

霧與霾

首先看什麼是霧，在水汽充足、微風及大氣穩定的情況下，相對濕度達到100%時，空氣中的水汽便會凝結成細微的水滴懸浮於空中，使地面水平的能見度下降，這種天氣現象稱為霧。多出現於春季二至四月間。

霾在氣象學上被定義為：大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小於10千米的空氣普遍有混濁現象，使遠處光亮物微帶黃、紅色，使黑暗物微帶藍色。霾主要呈橙灰色，因此我們也將其稱為灰霾。在空氣污染嚴重的城市地區，霾頻繁出現。

灰霾來襲，不僅會使能見度變低，影響日常生產生活和交通安全，還會對人體健康帶來諸多危害。此外，灰霾還會影響大氣輻射平衡，對區域和全球氣候變化造成重要影響。

簡單來說，霧是懸浮的細微水滴，霾是懸浮的固體顆粒；霧是季節性的自然現象，霾多來自於空氣污染；霧的成分對人體健康無害，霾含有大量的致病因素；霧不會影響全球氣候變化，霾會對全球氣候變化產生重要影響。

而在現實生活中，二者經常同時出現，會出現又有霧又有霾，所以有時候會並稱為「霧霾」。霧霾是特定氣候條件與人類活動相互作用的結果。高密度人口的經濟及社會活動必然會排放大量細顆粒物（PM2.5），一旦排放超過大氣循環能力和承載度，細顆粒物濃度將持續積聚，此時如果受靜穩天氣等影響，極易出現大範圍的霧霾。

探測霾的「眼睛」——激光雷達

要戰勝灰霾，要先從了解灰霾開始。灰霾從何而來，怎樣傳輸、累積和消散？

這些都離不開對造成灰霾天氣的主要元兇——大氣顆粒物的定量探測。傳統的探測儀器和方法只能獲取近地面的觀測數據，無法獲取大氣顆粒物的空間分布信息。

激光雷達技術的出現，使顆粒物的空間特性探測成為可能。激光雷達作為探測大氣顆粒物的有力探測工具，具有高時空解析度、高探測精度和可以連續探測等優點，能夠準確全面掌握大氣污染狀況，認識灰霾發展規律和時空演變，為灰霾防治提供技術支撐。

激光在大氣中傳輸時，除了被大氣吸收外，還會產生激光與小尺度大氣分子的瑞利散射、與大尺度氣溶膠粒子的米散射、與非球形粒子的退偏振散射和頻率發生變化的拉曼散射等多種散射過程。

激光與大氣間的各種相互作用就是激光雷達探測大氣的物理基礎。用於大氣顆粒物探測的米散射激光雷達就是基於米散射理論，通過接收激光與大氣中顆粒物相互作用後的後向散射回波信號對灰霾進行探測。激光雷達技術已被廣泛應用於大氣顆粒物的探測與研究領域。

中科院合肥物質科學研究院安徽光機所環境光學中心劉文清院士課題組在該領域開展了相關研究，針對不同應用場景，自主研發了一系列型號的激光雷達設備，推動了國產設備的工程化和產業化。

課題組還針對我國區域性大氣灰霾污染的現狀，對激光雷達技術的應用進行了很多探索。包括在典型區域開展激光雷達組網觀測，並首次提出基於快速機動需求的新型高重頻車載走航激光雷達，並結合模式同化等，模擬區域大氣污染物的三維空間立體分布信息，開展區域輸送的定量分析。

激光雷達技術應用與探索：激光雷達區域組網（左）激光雷達車載走航（右）

科學治霾——我們在努力

中科院合肥物質科學研究院安徽光機所環境光學中心研製的國產激光雷達目前在國內的市場佔有率已達到50%，推動了我國環境立體監測市場的蓬勃發展；自主研發的激光雷達不僅在青藏高原進行了長期觀測，研究青藏高原環境變化及其對全球變化的影響，還遠征南極，執行我國第33次南極科考任務；激光雷達區域組網與模式結合，實現PM2.5立體探測數據的同化；提出的車載激光雷達走航探測技術，在城市環境監測執法方面的應用也受到了用戶的一致認可。

相關成果已多次被應用於國家重大活動的空氣質量保障工作中。

中科院合肥物質科學研究院安徽光機所環境光學中心將會不斷創新，持續推進系列高端立體監測設備，發展我國環境空氣質量立體監測技術，構建地空天一體化的立體監測網路，助力精準治霾、科學治霾，推動空氣質量持續改善，助力打贏藍天保衛戰！

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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