大气云层分布的偏振激光后向散射研究

 利用大气激光后向散射垂直剖面图与消偏振度相结合的方法,分析CALIPSO卫星偏振激光雷达的后向散射信号。以2008年11月23日和24日的CALIPSO卫星数据为例,研究了北京地区大气中云层在可见光和红外光波段的垂直和水平分布特征。利用交互式数据语言IDL(interactive data language)得到大气后向散射强度的垂直分布及其消偏振度,根据垂直剖面图可以直观地观测大气中各成分（如气溶胶、低空云和卷云等）的空间分布情况,并且能清楚地显示大气边界层的高度,由消偏振度可准确获得云层的分布高度及厚度。观测数据的处理结果表明：在海拔高度3 km~7 km存在厚度为2 km~2.5 km的云,其消偏振度约为0.2。     

PM2.5质量浓度廓线的激光雷达反演研究

针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.     

激光雷达探测北京城区夏季大气边界层

为了研究北京城区夏季大气边界层结构变化特征及大气边界层内气溶胶消光特性,2004年8月利用便携式米散射激光雷达对北京城区夏季大气边界层进行了系统观测。反演了观测站上空大气气溶胶的消光特性垂直分布以及大气边界层的高度。分析了气象条件和人类活动对大气边界层结构的影响。观测数据表明： 北京城区夏季大气边界层有明显的日变化特征,早晚比较低,日间有一个从低变高再变低的过程,中午前后达到最高。结合气象参数对测量数据进行的统计分析表明：北京城区夏季大气边界层高度相对稳定,多分布在1.8km以下,平均值为0.68km;大气边界层内存在浓度较高的气溶胶粒子,平均光学厚度（3km以内）在0.30左右。     

南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量

利用拉曼-瑞利-米激光雷达对南京北郊雾霾气溶胶进行观测和分析,并和气象预报相比对。2009年12月2日进行了长时间连续的观测实验,分析比较2009年12月2日观测的雾霾激光雷达距离矫正信号和2011年1月10日南京北郊晴空大气边界层气溶胶激光雷达距离矫正信号的区别和特征。实验结果表明:2009年12月2日10:00至19:00观测出现雾霾,激光雷达观测到雾霾出现的时间段和当天南京气象预报相吻合;南京北郊雾霾出现在低空300 m左右,厚度大约为700 m,大气边界层气溶胶出现的高度为1 000 m左右,厚度大约为1 500 m。     

2019年—2020年秋、冬季淮南市灰霾过程拉曼-米气溶胶雷达观测研究

拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比,而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。在合肥市的外场探空比对实验结果表明,2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确,相差可达0.04 km-1,且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。利用该技术获得了2019年—2020年秋、冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据,进而对空气质量污染期间的污染类型（本地污染排放、传输型污染、传输型污染叠加本地污染累积）和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。其中沙尘传输主要来自西北方向,由高空沉降至近地面（厚度达2 km以上）,平均大气边界层高度达1.23 km以上。在典型细颗粒传输过程中,边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右,近地面风向以西北风为主,少量东南风主导。在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中,边界层高度略低（平均高度在1.0 km左右）,近地面风向以偏北风为主,污染气团自低空出现后,其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。在细颗粒导致的重污染过程中,近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM_2.5的浓度变化趋势一致性良好,说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM_2.5的生成,加重污染形势。对边界层的统计结果表明,其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。秋冬季期间,该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下,平均为1.0 km左右,小时空气质量达重度污染期间,边界层高度普遍不足0.6 km。从气团后向轨迹模拟结果来看,该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向,少量来自东南沿线,因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控,防止叠加影响。     

激光雷达白天探测大气边界层气溶胶

介绍了自行研制可用于白天探测大气气溶胶的AML-1激光雷达系统,分析了白天工作条件下激光雷达的各种噪声干扰,并给出了抑制噪声干扰的有效措施.其中,天空背景辐射噪声是激光雷达白天工作的主要干扰,通过接收视场角与激光束发散角的严格匹配以及采用高光谱透过率超窄带滤光片可大大抑制天空背景光的干扰.最后,给出了AML-1激光雷达白天测量大气边界层气溶胶的典型结果. 关键词： 大气光学 激光雷达 气溶胶 边界层     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的Raman后向散射信号与Li-7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明,大气CO2在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.     

Raman激光雷达探测气溶胶光学特性

介绍了武汉大学自行研制的Raman多通道激光雷达系统,给出了整个系统的设计原理及主要技术参量.详细描述了利用Raman激光雷达原理反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等光学特性的方法,并对求解消光系数过程中的关键部分做了讨论分析.同时对武汉上空对流层低空大气气溶胶、云以及边界层等光学特性进行了实时探测反演.实验结果表明:该Raman多通道激光雷达系统在夜晚对低空气溶胶的垂直分布特性具有较好的探测能力,工作性能可靠.     

Raman激光雷达探测气溶胶光学特性

介绍了武汉大学自行研制的Raman多通道激光雷达系统,给出了整个系统的设计原理及主要技术参量.详细描述了利用Raman激光雷达原理反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等光学特性的方法,并对求解消光系数过程中的关键部分做了讨论分析.同时对武汉上空对流层低空大气气溶胶、云以及边界层等光学特性进行了实时探测反演.实验结果表明:该Raman多通道激光雷达系统在夜晚对低空气溶胶的垂直分布特性具有较好的探测能力,工作性能可靠.     

基于跨平台红外高光谱观测的对流层三维风场测量

精确的风场数据对提高数值天气预报准确性具有重要意义,对流层风是改进天气预报的要素之一。虽然利用气象卫星成像仪对连续云图追踪特征目标进行导风是一种有效的风场观测方法,且在区域和全球尺度上改善了数值天气预报,但仍存在风场高度分配模糊问题而产生误差。星基红外高光谱探测仪具备大气温湿度廓线垂直探测能力,通过分析各个垂直分层内的大气参数运动得到三维风场,能够提升风场垂直高度的准确性,改进风场高度分配模糊问题。提出了利用跨平台极轨气象卫星FY-3D星红外高光谱大气探测仪HIRAS和NOAA-20星跨轨红外探测仪CrIS交叉观测对流层三维风场的创新方法,根据两仪器近重叠轨道星下点交叉观测辐射数据匹配水汽通道图像,通过稠密光流法分析目标运动变化并计算风场,对风矢量进行质量控制后同ERA-Interim再分析资料作定量化比较,分析风速均值绝对偏差、均方根误差和风向均值绝对偏差。分别对2019年2月20日UTC世界时00:00,06:00,12:00的HIRAS和CrIS交叉数据计算200,300,400,600,650和1 000 hPa六组垂直高度风场,结果表明,风速范围的变化趋势与再分析资料表现一致,风速范围随高度降低而减小,高层对20 m·s-1以上风速更敏感,地表附近测得风速集中在10 m·s-1以内。风速均值绝对偏差多数小于3 m·s-1,最大不超过4 m·s-1,风速均方根误差多数小于3.5 m·s-1,最大不超过4.5 m·s-1,风向均值绝对偏差多数小于30°,最大不超过40°。风场误差主要来自仪器自身设计参数不同引入辐射数据的观测偏差,以及因数据空间分辨率不同导致在图像重投影处理过程中引入的定位偏差。     

上甸子区域大气本底站NO2柱浓度光谱反演及其变化特征

为了探究京津冀本底浓度地区NO₂这一重要空气污染物的变化特征,采用多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）在上甸子区域大气本底站开展了太阳散射光谱观测以及NO₂柱浓度反演研究。在NO₂的405～430nm特征谱段进行了定量光谱解析,并通过几何近似法计算了2009年7～9月NO₂对流层垂直柱浓度（VCD_trop）。观测期间NO₂ VCD_trop平均值和最大值分别为5.43×1015和7.15×1016 molec·cm-2。NO₂ VCD_trop日均值浓度水平较低,但总体上有上升趋势。NO₂ VCD_trop变化过程与风速风向关系密切：西南风时风速越小NO₂ VCD_trop越低,东北风对NO₂ VCD_trop有扩散稀释作用。NO₂ VCD_trop日变化形态总体上呈现为中午时段低、早晚较高的特征,并且傍晚峰值比早间峰值略高。上甸子站NO₂ VCD_trop浓度水平和日变化幅度相比北京城区同期观测结果明显偏小。NO₂ VCD_trop变化特征与河北香河和固城等污染相对较轻站点观测到的变化特征相一致。总之,MAX-DOAS能够有效监测区域本底大气的NO₂ VCD_trop,其变化特征与工业和交通排放、大气光化学过程、大气传输等复杂因素有关,还需积累更多数据和深入研究。     

激光雷达监测工业污染源颗粒物输送通量

PM10指能进入呼吸道的质量中值直径小于等于10μm的颗粒物,它是反应环境质量的重要指标,大气中过多的PM10会严重危害身体健康。激光雷达可以测量大气颗粒物消光系数,近地面颗粒物消光系数与颗粒物质量浓度是相关的,利用震荡天平(TEOM)测量近地面的PM10质量浓度,与雷达测量的消光系数建立经验关系,可以推算PM10质量浓度的垂直分布。风廓线雷达可以获得不同高度上的风向风速,将PM10质量浓度与风场数据二者结合可以计算不同高度上颗粒物向城区的输送通量,最终可以估算污染源向城区的输送总量。使用激光雷达技术对北京重要工业污染源进行了长时间的连续监测,获取了颗粒物输送通量等多种参数,给出了连续监测结果。     

探测大气中CO2的Raman激光雷达

基于大气激光后向散射光谱，研究和设计了探测大气CO₂浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd∶YAG激光的三倍频354.7nm作为工作波长,发射的单脉冲能量350mJ,重复频率20Hz；接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO₂的Raman散射371.66nm(频移1285cm^-1)信号,(1小时累加)近地面2.5km以内信噪比不小于8.采用组合滤光片来抑制强的354.7nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气375.4nm Raman后向散射对信号的严重干扰. 比较分别来自大气CO₂和参考气体N₂的Raman后向散射回波,可反演出大气中CO₂的相对浓度. 关键词： 大气光学 激光雷达 Raman散射光谱 参考气体 Mie-Rayleigh散射     

多轴差分吸收光谱技术对冬季大气HONO垂直分布特征研究

HONO作为大气OH自由基的前体物和重要贡献源，影响着大气中污染物的氧化降解，控制着对流层大气的自净能力，对灰霾和光化学烟雾形成起到重要作用，同时受污染排放特征、垂直传输和混合、非均相反应和大气光氧化等影响，HONO具有明显的垂直分布特征，因此探究大气中HONO的垂直分布特征对于了解大气灰霾和光化学污染的形成和控制都十分重要。MAX-DOAS作为一种被动遥感技术，能够快速有效地获取大气中污染物的立体分布特征。采用MAX-DOAS仪器对合肥市科学岛2017年12月冬季大气HONO和NO₂进行了立体探测，通过基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法PriAM获取了两种气体的垂直分布特征。研究结果表明，在观测期间NO₂在近地面10 m内体积混合比（VMR）和垂直柱浓度(VCD)的范围分别在0.51×1011～20.5×1011 molecules·cm-3和6.0×1015～5.5×1016 molecules·cm-2，在垂直方向上其浓度主要集中在1 km内，且在近地面浓度混合均匀。HONO的VMR和VCD分别在0.03×1010～5.1×1010 molecules·cm-3和3.5×1014～7.0×1015 molecules·cm-2之间，浓度高值出现在100 m内，浓度随高度的升高而明显下降。通过对HONO和NO₂的对比发现，HONO/NO₂比值在0.17%～16.0%（VMR）和1.0%～25.0%(VCD)之间，表明研究期间HONO主要来自于NO₂的转化。对冬季一次典型污染过程（2017.12.26—2017.12.31）分析，HONO/NO₂的比值大于5%，且HONO的浓度值升高（大于0.26×1011 molecules·cm-3），表明污染条件下NO₂向HONO的转化作用变强。结合风场信息研究发现，污染期间研究区域的NO₂和HONO浓度受到合肥市城区、安徽北部和西北部地区传输的影响。     

扫描式测风激光雷达的风场反演

为了解决扫描式测风激光雷达斜上方空域三维风场分布探测的难题,提出采用多点规则采集、四波束分组结算、多区域融和的方式进行观测区域的风场反演。以速度可控的硬目标作为研究对象,通过比较合成后的风速大小与控制速度的差异验证了该反演方式的有效性。通过设计精度试验,对实际风场进行测量。对雷达测量结果与三维超声波风速风向仪测量数据进行对比,结果表明：采用该风场反演技术对距离400 m内的风场进行推算,风向精度优于5°,风速精度优于2 m/s,能够准确描绘探测区域的风场信息。     

基于激光雷达观测的大气边界层自动识别局部最优点算法

大气边界层高度是影响近地面大气物理运动的主要因素,同时也是影响地面污染物浓度的一个重要因素。地基激光雷达可以对大气气溶胶的垂直分布进行连续稳定的监测,应用激光雷达技术对大气边界层进行连续观测可以为环境监测与预报提供指导性的动态信息。针对存在残留层以及外来污染物输入情况时边界层高度变化检测的可靠性及计算效率问题,结合梯度法的物理意义与激光雷达时序图的图形图像学特征,提出了一种基于时空邻近度的边界层局部最优点识别算法。以江苏省无锡市新区偏振米散射激光雷达太湖观测站点的气溶胶垂直观测数据为例,通过对2012年底两次污染事件进行观测分析,分别使用梯度法和局部最优点法进行大气边界层高度的自动识别。实验结果表明,在静稳状态和污染混入后的情况下,梯度法与局部最优点识别法的结果较为接近,但梯度法在处理污染混入状态以及存在残留层的情况下误判率较高。基于时空邻近度的局部最优点算法通过对垂直特征值以及水平相关性的控制,有效地消除了在弱信号、噪声信号、低云以及存在残留层和外来污染等情况下导致的计算机误判现象,在减小算法时间复杂度的同时在计算机自动识别结果具有更高的稳定性,弥补了梯度法在自动化运行中的识别精度与计算效率的不足。     

激光雷达反演大气边界层高度的优化方法

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。     

AEDAL在青岛、渤海及黄海探测的定标反演

在不进行大气参数假设和加载其他辅助设备的情况下,通过对AEDAL机载大气环境探测激光雷达探测数据的分析,证明了用Slope法对空基激光雷达进行定标反演的可行性。AEDAL的定标反演结果,生动地展现了青岛地区及渤海、黄海海域气溶胶垂直分布、边界层结构及边界层光学厚度的重要特征。首先,冷锋过境,边界层高度明显下降的同时,气溶胶出现多层分布的现象,海区气溶胶垂直分布较陆地有明显的沉降现象。其次,青岛地区整个边界层光学厚度表现为城区最大、丘陵地区最小、渤海海区介于两者之间的分布特点,海区边界层光学厚度变化相对平缓,迎风坡附近的边界层光学厚度较周围有所增大。青岛至渤海这一区域,晴朗天气下边界层光学厚度的大小介于0.15～0.35之间,雾天则在0.3～0.45之间,而黄海海域则可达到0.55左右。这说明,青岛地区边界层气溶胶主要来自于城市和海洋,在冬季季风对气溶胶分布起作用的同时,山脉及地面风场对边界层气溶胶的输送有重要影响。     

基于纯转动拉曼谱线激光雷达的大气温度反演分析

由于气溶胶的影响,传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限,为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测,由观测数据反演了温度廓线。在基于N₂和O₂的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中,分析了平滑窗口、定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。结果显示随着平滑窗口的增大,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加,为有效去除信号中随机误差的影响,同时保留温度廓线的垂直结构,平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。定标范围不同,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同,相对变化约为0.07 K。当定标常数a,b都增大或都减小时,雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大,当一个增大另一个减小时,平均偏差相互抵消;a,b的变化不是等几率的,在符号上总是相反的;平均偏差对a的变化不敏感,对b的变化也不敏感,对a与b的整体变化敏感,约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、定标范围的选择提供了理论依据,对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。