雾霾本质上是社会、经济和环境诸多矛盾激化的产物,具体表现为由于颗粒物的排放水平超出区域大气环境承载力而诱发的以能见度降低为代表的空气污染现象。随着经济的迅猛发展和城市化进程的不断加快,四川盆地已连同京津冀、长三角和珠三角成为我国四大雾霾易发和高发区。目前已建立的相对完善的近地面颗粒物监测网络基本实现了颗粒物质量浓度的水平连续监测,但对于垂直方向上颗粒物分布信息的获取依然困难,相关研究亟待加强。为此,本文着眼于颗粒物垂直形态及其形成机理的深入认知,以四川盆地颗粒物质量浓度的高值中心(成都)为研究区,并基于2013~2014年当地米氏(Mie)散射激光雷达、能见度和颗粒物监测数据、气象观测资料以及同期的中分辨率成像光谱仪(Moderateresolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)卫星气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)数据,从颗粒物垂直分布的角度对其分层结构的识别和应用展开深入研究,主要内容如下:(1)遵循近地面大气消光系数与细颗粒物质量浓度之间的关系,基于Mie散射激光雷达探测的大气消光系数廓线,采用线性模型反演了细颗粒物质量浓度的垂直分布,据此探讨了污染边界层高度的演变特征。结果表明:成都地区大气消光系数与细颗粒物质量浓度具有显著相关性(相关系数R=0.88,通过α=0.05的显著性检验),利用大气消光系数反演细颗粒物质量浓度的垂直分布是可行的;污染边界层高度与近地面细颗粒物质量浓度的变化具有明显相关性,但污染边界层高度改变在前,近地面细颗粒物质量浓度响应在后;污染边界层高度的日变化表现为单峰单谷型,峰值和谷值分别出现在08:00和14:00前后。(2)通过对大气消光系数廓线垂直演变共性的系统挖掘发现:颗粒物垂直分层结构自下而上均存在显著下降区、整体缓变区以及二者之间的过渡区。颗粒物质量浓度显著下降区和整体缓变区本质上体现的是两种不同的湍流状态,这种状态的转折正好对应于混合层作为湍流特征不连续界面的定义,因而引入大气消光系数廓线曲率的最大值对该转折点所代表的混合层高度加以表征。利用Logistic曲线对上述变化特征进行拟合,通过计算该曲线曲率最大值对应的高度,据此提出识别混合层高度的新方法。该方法的设计思想符合混合层的定义,相应的计算结果不仅和探空曲线得到的混合层高度总体一致,也与地面细颗粒物浓度的变化特征保持高度的相关。(3)针对气溶胶含量随高度呈负指数递减这一假设存在的问题,通过对Mie散射激光雷达探测资料的系统分析和总结,论证了Logistic曲线能更好地表征大气消光系数在边界层内的垂直演变特征。在对MODIS卫星AOD系统偏差进行校正的基础上,以订正后的AOD和Logistic曲线计算的混合层高度作为约束条件,据此提出了MODIS卫星AOD反演近地面“湿”消光系数的新模型。基于成都地区AOD资料及同时次的Mie散射激光雷达探测数据和地面细颗粒物浓度资料的实例分析表明,新模型反演得到的近地面大气“湿”消光系数与近地面细颗粒物质量浓度之间的相关系数在四季均能稳定在0.6以上。(4)在利用Logistic曲线拟合方法计算混合层高度的基础之上,针对混合层顶以上大气消光系数廓线的变化特征,发现该区域在颗粒物消光和分子消光之间均存在一个S型的过渡区,利用sigmoid函数对此分布形态进行模拟,通过计算该函数上下曲率最大点所在的高度,据此提出了颗粒物分界层Mie散射激光雷达识别的sigmoid算法。针对该算法模拟效果的分析结果表明,颗粒物分界层过渡区附近大气消光系数理论廓线和实测廓线保持了高度的相关性,二者的相关系数均达到了0.99以上(均通过α=0.05的显著性检验)。进一步研究指出,基于sigmoid算法计算的颗粒物分界层过渡区与成都市温江站探空资料得到的逆温层之间存在很好的对应关系。综上,通过对大气边界层内消光系数垂直共性特征的深入挖掘,构建了成都地区颗粒物垂直分层结构模型,并设计对应分层结构计算方案,据此形成颗粒物垂直分层结构识别的方法论。