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。     

北京城区大气边界层的激光雷达观测

激光雷达是边界层大气气溶胶和云的一个高效探测工具。利用MPL激光雷达测量出的数据反演出了测站地域上空大气边界层气溶胶消光系数的垂直分布,利用气溶胶消光系数的垂直分布可决定测站上空的大气边界层高度。测量数据表明:大气边界层内气溶胶的含量较为稳定,有明显的气溶胶多层结构。     

融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法

针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题，提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据，将K-means算法和熵权法应用于多种条件下的边界层高度估计，从初始参数选取和距离计算两个方面提升基于聚类分析的边界层高度的估计性能。实验结果表明：与常用激光雷达边界层高度估计方法相比，所提方法具有较强的抗干扰能力，能更好地追踪复杂大气结构下的边界层高度日变化过程；在晴朗无云天气和复杂大气结构下，其边界层高度的估计值与无线电探空仪边界层高度的测量值基本一致，相关系数分别为0.9718和0.9175。所提方法具有较高的鲁棒性，可以可靠地估计多种条件下的大气边界层高度。     

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。     

台风外围环流对沿海地区大气边界层结构的影响研究

结合茂名外场观测数据以及气象要素再分析数据,对台风外围环流影响和局地海陆风环流(SLBC)影响下沿海地区的大气边界层(ABL)结构识别方法和特征规律展开研究.利用气象要素探空数据和微脉冲激光雷达(MPL)观测数据进行了大气边界层高度(BLH)识别方法的适用性分析,提出了一种新的基于微脉冲激光雷达的BLH识别方法,以有效提高复杂边界层结构情况下激光雷达识别BLH结果的准确性,进而分析了受大尺度和局地环流影响的ABL结构以及BLH的时空变化特征.结果 表明:沿海地区在没有大尺度天气系统的控制时,局地SLBC的影响较为显著,会使ABL出现多层复杂结构,BLH表现出波峰和波谷交替出现的日变化规律;BLH开始增长的时间一般出现在白天的陆风海风转换时刻,最大值一般出现在正午气溶胶层顶的位置,即2 km左右;BLH下降的时间通常伴随着夜间的海风-陆风转换,最小值一般出现在夜间残留层以下稳定边界层顶的位置,低至500 m左右.而台风外围环流控制下,局地SLBC引起的局地对流现象会被抑制,ABL昼夜交替的空气上升、下沉运动减弱甚至消失,整个ABL内气溶胶垂直分布较为均匀,BLH与气溶胶层顶基本重合,维持在2 km左右,BLH变化波动不大且没有比较明显的日变化规律.     

机载激光雷达探测京津冀地区气溶胶的空间分布

利用一台研制的机载双波长米氏散射激光雷达,对京津冀地区大气气溶胶的三维空间分布进行了探测。给出了其中一次较典型的观测实验,该架次航线与边界层内的气流方向垂直,有利于获取区域尺度上气溶胶分布的剖面信息。观测结果显示,京津冀腹地密集的污染排放源,结合气流对气溶胶的输送和扩散作用,导致观测期间该地区形成了大范围区域立体污染。通过分析典型污染源周边的气溶胶分布,研究了重污染源排放的气溶胶随气流扩散的过程。初步的飞行实验结果表明,该激光雷达性能稳定,可以为污染源的识别以及污染物传输路径的探测提供高空间分辨率的数据。     

星载激光雷达云和气溶胶分类反演算法研究

激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线,研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究,对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布,结合概率统计与机器学习算法,提出了一种对于云/气溶胶、云相态及气溶胶子类型识别的分类算法,实现了星载激光雷达的大气特征层快速、有效分类。算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据,主要由三部分组成：（1）基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征,分别构建了云和气溶胶的γ₅₃₂,χ,δ,Z和lat的五维概率密度函数,以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数,并基于此实现了云和气溶胶类型的反演;（2）选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础,结合云层的γ₅₃₂,χ,δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI,水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云,获得云相态的分类结果;（3）以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础,采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分,完成气溶胶子类型的识别。利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库,避免了对于地面以及航测数据的依赖,而机器学习则大大简化了算法的实现过程,使得云气溶胶分类更加高效。算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析：云层有98.51%一致性,气溶胶有88.43%的一致性,且白天比夜间一致性高。对于云相态分类,可以有效区分出水云和冰云,其中二者水云一致性高达93.44%。在气溶胶子类型反演结果中,可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。霾、沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。其中,霾天的大部分煤烟型以及污染型（污染沙尘以及污染大陆）气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法,针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进,在保证一定精度的基础上,简化了算法,提高了数据处理的效率,在下一步工作中,将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。     

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。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

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。     

AML-1车载测污激光雷达探测大气边界层气溶胶

 介绍了自行研制用于环境监测的车载式激光雷达(AML-1)系统及典型特点，其在测量气溶胶时不但可以全天候探测，还可以从不同仰角进行测量，对实现连续、实时、大范围监测大气污染有着重要的意义。结合该激光雷达的特点，从垂直、斜程、二维扫描等方面分别给出了该系统探测气溶胶时的典型结果和时空分布图，总结了AML-1车载测污激光雷达系统在测量气溶胶时的优越性和意义。     

车载测污激光雷达对大气边界层气溶胶的斜程探测

利用自行研制的车载测污激光雷达系统 (AML 1)对大气边界层气溶胶进行了斜程探测 ,并给出了与之相应的数据处理方法。将该雷达相近时间内斜程测量与垂直测量的数据进行对比 ,结果表明此斜程探测及数据处理方法是合理可行的。文中列举了某斜程方向 (2 0°天顶角 )气溶胶随时间的演化图 ,以及某垂直剖面内气溶胶消光系数二维扫描图 ,这些典型结果很直观的反映了气溶胶时、空分布情况 ,对实现连续、实时、大范围污染监测有重要意义。     

Observations of the atmospheric boundary layer across the land-sea transition zone using a scanning Mie lidar

Optical properties of the atmospheric boundary layer (ABL) above the land-sea transition interface were measured using a scanning Mie lidar located 30 km away from the Adriatic coast. Based on the two-dimensional range-height-indicator scans, detailed information on the ABL was obtained, including parameters such as atmospheric optical depth, aerosol extinction coefficient and the height of the ABL. The presented case study indicates that the height of the ABL in the land-sea transition zone and the adjacent mountainous region was changing rapidly due to highly variable atmospheric conditions.     

Application of mobile vehicle lidar for urban air pollution monitoring

A mobile vehicle lidar system has been developed and applied to detect urban air quality. On September 21 and22, 2015, particulate matter observation with mobile vehicle lidar was carried out in the Binhai New Area of Tianjin. Combined with the latitude and longitude information acquired by a GPS, the three-dimensional distribution of the aerosol extinction coefficient was presented in the experimental area. Furthermore, the source,distribution, and the transportation path of the aerosols in the area were investigated based on lidar data, local meteorological data, and backward trajectory analysis. The results show that mobile vehicle lidar can detect the atmospheric aerosols and reflect the stereoscopic distribution properties of aerosols. The potential of this vehicle lidar system provides a new scientific basis for the study of the source, distribution, and transportation of atmospheric particles.     

Sensitivity of depolarized lidar signals to cloud and aerosol particle properties

Measurements from depolarized lidars provide a promising method to retrieve both cloud and aerosol properties and a versatile complement to passive satellite-based sensors. For lidar observations of clouds and aerosols, multiple scattering plays an important role in the scattering process. Monte Carlo simulations are carried out to investigate the sensitivity of lidar backscattering depolarization to cloud and aerosol properties. Lidar parameters are chosen to be similar to those of the upcoming space-based CALIPSO lidar. Cases are considered that consist of a single cloud or aerosol layer, as well as a case in which cirrus clouds overlay different types of aerosols. It is demonstrated that besides thermodynamic cloud phase, the depolarized lidar signal may provide additional information on ice or aerosol particle shapes. However, our results show little sensitivity to ice or aerosol particle sizes. Additionally, for the case of multiple but overlapping layers involving both clouds and aerosols, the depolarized lidar contains information that can help identify the particle properties of each layer.     

Retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining ground- and space-based elastic lidars

The aerosol lidar ratio is a key parameter for the retrieval of aerosol optical properties from elastic lidar, which changes largely for aerosols with different chemical and physical properties. We proposed a method for retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining simultaneous ground- and space-based elastic lidars. The method was tested by a simulated case and a real case at 532 nm wavelength. The results demonstrated that our method is robust and can obtain accurate lidar ratio and extinction coefficient profiles. Our method can be useful for determining the local and global lidar ratio and validating space-based lidar datasets.     

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。     

Mie scattering techniques for air pollution measurement with lasers

Lidar (laser radar) techniques of remotely observing atmospheric particulates have obvious relevance to air pollution. After briefly noting the capability of lidar in a semiquantitative role for monitoring spatial and temporal variations of particulate concentration attention is directed to the problems of evaluating lidar observations quantitatively in terms of such physically meaningful parameters as the turbidity, opacity or particulate mass concentration of smoke plumes or the ambient atmosphere. Solutions based on Mie scattering theory are illustrated with examples from (1) hazy atmospheres (2) smoke plumes and (3) controlled aerosols in a test chamber. While noting that the role of lidar in research applications in air pollution is well established, its routine operational use is seen to be dependent upon further experimental and technological development. Its potential for monitoring ambient air quality and emission sources is stressed.     

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.     

米散射激光雷达剖面数据三次样条垂直水平插值法

传统的空间数据插值方法在米散射激光雷达剖面扫描数据的距离高度显示图可视化应用方面具有一定的局限性.本文分析了米散射激光雷达剖面扫描数据以仰角为基础的空间位置关系与大气参数的空间分布特性,分别在垂直与水平位置上合理选取参考数据,给出位置相关性权重,基于三次样条函数法进行数据变化趋势的平滑性修正,完成缺失数据插值.实验结果表明,该方法能够有效提高米散射大气激光雷达扫描数据空间插值的准确性,插值数据误差小,距离高度显示图图形趋势过度平滑,符合大气参数的整体变化规律.