References

zhps

Журнал прикладной спектроскопии

Zhurnal Prikladnoii Spektroskopii

0514-7506

B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences

zhps-954

Research Article

Статьи

Обнаружение с помощью космических и наземных лидарных наблюдений загрязнения воздуха

Detection by space-borne and ground-based lidar observations of air pollution on the example of the Hefei area

Yang

Hao

Yang

Hao

Хэфэй 230031;

Хэфэй 230026;

Хэфэй 230037

Hefei 230031;

Hefei 230026;

Hefei 230037

Fang

Zh.

Fang

Zh.

Хэфэй 230031;

Хэфэй 230026;

Хэфэй 230037

Hefei 230031;

Hefei 230026;

Hefei 230037

Deng

Хэфэй 230031;

Хэфэй 230026;

Хэфэй 230037

Hefei 230031;

Hefei 230026;

Hefei 230037

Cao

Хэфэй 230031;

Хэфэй 230026;

Хэфэй 230037

Hefei 230031;

Hefei 230026;

Hefei 230037

Xie

Ch.

Xie

Ch.

Хэфэй 230031;

Хэфэй 230037

Hefei 230031;

Hefei 230037

cbxie@aiofm.ac.cn

Аньхойский институт оптики и точной механики Китайской академии наук; Университет науки и техники Китая; Лаборатория передовых лазерных технологий провинции АньхойKey Laboratory of Atmospheric Optics, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences; Science Island Branch of Graduate School, University of Science and Technology of China; Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province

Аньхойский институт оптики и точной механики Китайской академии наук; Лаборатория передовых лазерных технологий провинции АньхойKey Laboratory of Atmospheric Optics, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences; Advanced Laser Technology Laboratory of Anhui Province

2021

30112021

886978978

2021

Yang H., Fang Z., Deng X., Cao Y., Xie C.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/954

Сильное загрязнение воздуха представляет собой серьезную угрозу для здоровья населения. Эпизод с аэрозольным загрязнением в западной части дельты реки Янцзы (Китай) рассмотрен с помощью совместной инверсии CALIPSO и наземного лидара в городе Хэфэе в период 17–22 января 2019 г. Из данных за последние два года для сравнительной проверки выбраны четыре типичных погодных случая: хорошая погода (меньше облачности, хороший воздух); пасмурная (хороший воздух, отсутствие дымки); умеренная загрязненная (умеренная дымка, без облачности); погода с сильным загрязнением (сильная дымка, облачность). Вертикальный профиль обратного рассеяния аэрозоля получен по данным спутникового лидара CALIOP (CALIPSO) при прохождении спутника над городом Хэфэй, которые сравнивались с вертикальным распределением скорректированного по дальности сигнала наземного лидара. Показано, что комбинацию спутникового и наземного лидаров можно использовать для эффективного наблюдения за влиянием аэрозольных изменений на погоду. Последующие эксперименты отслеживали погодные явления с сильным загрязнением. Получены данные о пограничном слое аэрозоля, который представляет собой серьезное трансграничное загрязнение воздуха. Период серьезного загрязнения — с 22:00 до 04:00 19–20 января 2019 г., когда граничный слой аэрозоля находится на самом низком (<0.5 км) уровне, в другие периоды высота пограничного слоя 0.5—2.2 км. С учетом приповерхностных данных проанализированы изменения пограничного слоя в процессе загрязнения и их возможные причины. Cделан вывод о том, что во время загрязнения высота пограничного слоя аэрозоля в районе Хэфэя имеет очевидную отрицательную корреляцию с концентрацией PM2.5. Согласно результатам HYSPLIT, основной источник загрязнения — аэрозольные частицы, уносимые с севера. Результаты дают основу для использования совместных спутниковых и наземных лидарных наблюдений при изучении изменения погоды в городах и предотвращения загрязнения атмосферы.

Severe air pollution is a serious threat to public health in the Yangtze River Delta region, where high concentrations of particulate matter are often observed in winter. In the present study, a serious aerosol pollution incident in the western Yangtze River Delta, China, was investigated by using joint inversion of CALIPSO and ground-based lidar in Hefei during 17–22 January, 2019. The data of the past two years were used in this study, and four typical weather cases were selected for comparative verification—namely, fine weather (less cloud, good air); cloudy weather (good air, no haze); moderate pollution weather (moderate haze, no cloud); and severe pollution weather (heavy haze, cloud). The vertical profile of aerosol backscatter as the satellite passed through Hefei city was given by the data of the CALIPSO satellite-borne lidar, CALIOP, which was compared with the vertical distribution of the range-corrected signal of ground-based lidar. Combined with analysis of meteorological data, the results showed that satellite–ground lidar can be used to observe the effect of aerosol changes on weather effectively. Subsequent experiments observed and tracked severely polluted weather event, and the data on the aerosol boundary layer was obtained which was a severe trans-boundary air pollution. The serious pollution period occurred from 22:00 to 04:00 on January 19 to 20, 2019, when the aerosol boundary layer was at its lowest (less than 0.5 km) and the boundary layer height ranged from 0.5 km to 2.2 km in other periods. Then, based on analysis of near-surface data, the changes in the boundary layer during the pollution process and the possible causes of these changes were analyzed. It was concluded that, during the pollution process, the height of the aerosol boundary layer in the Hefei area showed an obvious negative correlation with the concentration of PM2.5. Finally, HYSPLIT results showed that the source of pollution weather was mainly aerosol particles blown from the north. The results of this study provide a basis for satellite- and ground-based lidar joint observation under different weather types, as well as help in the study of urban weather change and pollution prevention.

CALIPSOлидар Рамана–Мизагрязнение воздухааэрозольный пограничный слой

CALIPSORaman–Mie lidarair pollutionaerosol boundary layer

This work was jointly funded by the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDA17040524) and Key Program of 13th five-year plan, CASHIPS, Grant No. KP-2019-05).

References1

T. L. Anderson, R. J. Charlson, S. E. Schwartz, et al., Science, 300 (5622) 1103–1104 (2003).

J. M. Ge, J. Su, T. P. Ackerman, Q. Fu, et al., J. Geophys. Res., 115, D00K12 (2010).

U. Burkhardt, B. Karcher, U. Schumann, Bull. Am. Meteorol. Soc., 91, No. 4, 479 (2010).

Y. Yang, Z. Zheng, S. H. L. Yim, M. Roth, G. Ren, Z. Gao, T. Wang, Q. Li, C. Shi, G. Ning, Y. B. Li, Geophys. Res. Lett., 47, No. 1 (2020), doi:10.1029/2019gl084288.

J. H. Seinfeld, S. N. Pandis, Environment, 52, 6 (1998).

E. Saikawa, V. Naik, L.W. Horowitz, J. Liu, D. L. Mauzerall, Atm. Environ., 43, 2814–2822 (2009).

C. Lin, Y. Li, A. K. Lau, X. Deng, T. K. Tse, J. C. Fung, C. Li, Z. Li, X. Lu, X. Zhang, et al., Remote Sens. Environ., 179, 13–22 (2016).

X.-W. Zeng, E. Vivian, K. A. Mohammed, S. Jakhar, M. Vaughn, J. Huang, A. Zelicoff, P. Xaverius, Z. Bai, S. Lin, et al., Atm. Environ., 138, 144–151 (2016).

M. Zhong, F. Chen, E. Saikawa, Environ. Int., 123, 256–264 (2019).

J. Guo, X. Zhang, C. Cao, et al., Intern. J. Remote Sens., 31, No. 17-18, 4743–4755 (2010).

Weifeng Wang, Jie Yu, Yang Cui; Jun He; Peng Xue, Wan Cao, Hongmei Ying, Wenkang Gao, Yingchao Yan, Bo Hu, Jinyuan Xin, Lili Wang, Zirui Liu, Yang Sun, Dongsheng Ji, Yuesi Wang, Atm. Res., 105–117 (2018).

Qun Wang, Nan Jiang, Shasha Yin, Xiao Li, Fei Yu, Yue Guo, Ruiqin Zhang, Atm. Res., 1–11 (2017).

Y. Hua, Z. Cheng, S. Wang, J. Jiang, D. Chen, S. Cai, X. Fu, Q. Fu, C. Chen, B. Xu, et al., Atm. Environ., 123, 380–391 (2015).

J. P. Guo, X. Y. Zhang, Y. R. Wu, Y. Z. Zhaxi, H. Z. Che, B. La, W. Wang, X.W. Li, Atm. Environ., 45 (37), 6802–6811 (2011).

J. P. Guo, J. He, H. L. Liu, Y. C. Miao, H. Liu, P. M. Zhai, Atm. Environ., 140, 311–319 (2016).

Y. Yang, X. Zheng, Z. Gao, H. Wang, T. Wang, Y. Li, G. N. C. Lau, S. H. L. Yim, J. Geophys. Res. Atm., 123, 10–991 (2018).

J. Wang, G. De Leeuw, S. Niu, H. Kang, Remote Sens., 11, 1696 (2019).

C. Xing, C. Liu, S. Wang, K. L. Chan, Y. Gao, X. Huang, W. Su, C. Zhang, Y. Dong, G. Fan, et al., Atm. Chem. Phys. Discuss., 17, 14275–14289 (2017).

C. Shi, R. Yuan, B. Wu, Y. Meng, H. Zhang, Z. Gong, Sci. Total Environ., 642, 1221–1232 (2018).

H. Kang, B. Zhu, J. Gao, Y. He, H. Wang, J. Su, C. Pan, T. Zhu, B. Yu, Atm. Chem. Phys., 19, 3673–3685 (2019), doi: 10.5194/acp-19-3673-2019.

Y. Yang, S. Yim, J. Haywood, M. Osborne, J. Chan, Z. Zeng, J. Cheng, J. Geophys. Res. Atm., 124, No. 16, 9609–9623 (2019), doi: 10.1029/2019JD031140

S. Lolli, L. P. D’Adderio, J. R. Campbell, M. Sicard, E. J. Welton, A. Binci, J. M. Baldasano, Remote Sens., 10, No. 7, 1102 (2018).

S. Lolli, W. Y. Khor, M. Z. Matjafri, H. S. Lim, Remote Sens., 11, 2660 (2019).

G. Pappalardo, U. Wandinger, L. Mona, et al., J. Geophys. Res. Atm., 115 (2010).

D. Wu, Z. Wang, B. Wang, et al., Appl. Phys. B - Lasers and Optics, 102, No. 1, 185–195 (2011).

R. R. Rogers, C. A. Hostetler, J. W. Hair, et al., Atm. Chem. Phys., 11, No. 3, 1295–1311 (2011).

J. F. Barlow, T. M. Dunbar, E. G. Nemitz, et al., Atm. Chem. Phys., 11, 2111–2125 (2011).

D. L. Hlavka, J. E. Yorks, S. A. Young, et al., J. Geophys. Res. Atm., 117(D09207) (2012).

J. Guo, M. Lou, Y. Miao, et al., Environ. Poll., 230, 1030–1039 (2017).

K. Qin, L. Wu, M. S. Wong, et al., Atm. Environ., 141, 20–29 (2016).

T. Su, J. Li, C. Li, P. Xiang, K. H. Lau, J. Guo, et al., J. Geophys. Res.: Atmospheres, 122, No. 7, 3929–3943 (2017).

T. N. Su, Z. Q. Li, R. Kahn, Atm. Chem. Phys., 18, No. 21, 15921–15935 (2018).

C. Shi, I. C. Nduka, Y. Yang, Y. Huang, R. Yao, H. Zhang, B. He, C. Xie, Z. Wang, S. H. L. Yim, Atm. Environ., 223, 117239 (2020).

D. Liu, Y. Yang, Z. Cheng, H. Huang, B. Zhang, T. Ling, Y. Shen, Opt. Express, 21, 13084–13093 (2013).

Songlin Fu, Chenbo Xie, Peng Zhuang, et al., Atmosphere, 10, 656 (2019).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.