我国西北地区气溶胶垂直分布特征分析

气溶胶标高是反映气溶胶浓度和消光系数廓线垂直分布特性的一个重要物理量.使用微脉冲激光雷达测量了我国西北典型地区的气溶胶消光系数廓线;使用太阳光度计测量了大气的垂直光学厚度;对测量数据进行拟合,得到了气溶胶标高.结果表明,两种方法得到的气溶胶标高具有很好的线性相关性,相关系数大于0.87.对该地区的气溶胶标高进行了统计分析,得到气溶胶标高随时间、地域及气候条件的变化关系.该研究对了解西北地区的气溶胶变化特征和建立气溶胶模式具有一定的参考意义.     

多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法. 该算法应用非线性最优估算法, 通过MAX-DOAS测量的氧的二聚体(O₄), 反演气溶胶消光系数垂直廓线和光学厚度(AOD). 首先研究了非线性最优估算法中权重函数、先验廓线协方差矩阵、测量不确定度协方差矩阵的计算方法, 针对中国气溶胶浓度较高且变化剧烈的特征, 设计了非线性迭代方案. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种状态下, 通过计算机仿真模拟验证了MAX-DOAS气溶胶消光系数垂直分布反演算法, 讨论了误差来源. 之后在合肥地区开展了连续观测实验, 并将反演的AOD与CE318太阳光度计对比, 两者的相关性系数达到了0.94. AOD反演的相对误差约为20%. 又将反演的最低层(0–0.3 km)气溶胶消光系数与能见度仪对比, 两者的相关性系数为0.65. 近地面气溶胶消光系数反演的总相对误差约为10%. 模拟验证和对比实验均说明本文研究的气溶胶消光系数垂直廓线反演算法可以较好地获取对流层的气溶胶状态. 关键词： 多轴差分吸收光谱 气溶胶消光系数垂直廓线 气溶胶光学厚度 最优估算法     

利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

研制了一台工作波长为355nm的紫外高能Mie散射激光雷达,并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测,得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。利用Fernald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性,气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了0.93。气溶胶垂直廓线显示,在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。观测结果表明,该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测,这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。     

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。     

基于双视场激光雷达的气溶胶水平分布观测

在自主研制的便携式双视场米散射气溶胶激光雷达（DFOV激光雷达）基础上,探索双视场激光雷达信号拼接思路,利用“斜率-Fernald”方法反演了气溶胶水平消光系数,进而获取了DFOV激光雷达对气溶胶水平消光系数的扫描分布。首先,对雷达回波信号分段运用斜率法,求解最优的气溶胶消光系数、后向散射系数以及相对应的参考距离,然后将该参考点处的后向散射系数代入“Fernald方法”的前后向积分解中,进而得到整条廓线的消光系数。该方法有效避免了“斜率法”中大气均匀的前提假设和消光系数负值的问题,也有效避免了“Fernald方法”对参考点的限制和要求。在获取水平消光系数后,通过拟合近地面空气质量监测点位过顶时刻DFOV激光雷达测量的气溶胶消光系数与PM₁₀质量浓度ρ(PM₁₀)之间的关系,相关性达到0.91。将此定量关系传递至激光雷达扫描的消光系数结果中,可得到气溶胶质量浓度的水平分布,定量反演大气中颗粒物的分布,用于研究近地面大气污染成因、机理和污染来源分析,为DFOV激光雷达进一步应用于城市区域大气污染定量评价和区域空气质量三维模式同化分析研究提供定量的数据支撑。     

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1 km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1 km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.     

基于多轴差分吸收光谱技术的合肥地区气溶胶观测研究

大气气溶胶的直径从几纳米到几十微米不等,对大气辐射评估、全球气候变化、当地空气质量和能见度以及人类健康都有着直接或间接影响,尤其秋冬季节是雾霾高发期,更有利于大气气溶胶的生成、转化和积累。目前,用于气溶胶信息观测的技术有很多,包括激光雷达、太阳光度计、华盖计、卫星遥感等。多轴差分光学吸收光谱(MAX-DOAS)技术是一种被动遥测式光谱设备,具有稳定、可实时连续监测等特点,可同时获取多种痕量气体的浓度信息,且能反演气溶胶光学厚度(AOD)和气溶胶廓线。介绍了MAX-DOAS反演气溶胶信息的算法,并于2017年12月至2018年1月,在合肥市科学岛开展了MAX-DOAS观测,观测方位角为0度(正北),垂直方向上从低到高扫描10个仰角;反演时取中午时段的天顶方向测量光谱作为参考光谱。在337～370 nm波段,利用QDOAS软件计算出O_4斜柱浓度(DSCD),然后再利用气溶胶廓线反演算法(PriAM)反演出AOD和气溶胶消光系数(AE)。将结果与太阳光度计CE318测得的AOD做对比,小时均值和日均值的相关性系数均为0.91,结果表明MAX-DOAS在获取气溶胶信息方面具有较高的可靠性。同时,将MAX-DOAS获得的近地面气溶胶消光系数与地面站点的点式仪器测得的PM_(2.5)浓度进行了相关性对比,日均值和小时均值线性拟合相关系数r分别为0.83和0.62,进一步验证了MAX-DOAS获取气溶胶信息的可靠性。由于冬季是雾霾的高发期, AOD值较高,选取2017年12月3日至6日的一次雾霾过程,廓线结果表明气溶胶主要分布在1.5 km以下,结合当时的风场信息及雾霾期间的气流后向轨迹图,可知此次污染是西北方向污染气团输送导致的。     

基于气溶胶光学参数的拉曼激光雷达重叠因子校正方法

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。     

小型米散射激光雷达的研制及其探测

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532nm波长激光作为光源,采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测,测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明,利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.     

CCD激光雷达探测白天近地面气溶胶消光系数（英文）

利用CCD激光雷达系统对合肥西郊近地面气溶胶消光系数进行了昼夜连续测量,弥补了传统后向散射激光雷达近地面盲区和重叠区域的数据空白.比较夜间Mie散射气溶胶激光雷达和CCD激光雷达获得的气溶胶消光系数,验证了CCD激光雷达系统的可靠性.CCD激光雷达系统的白天检测是可行的,并获得了10~180m高度的大气气溶胶消光系数,空间分辨率最高可达1cm.两种气溶胶消光系数分布表明,气溶胶消光系数在垂直方向上不是单调递减,且在一天中剧烈变化.CCD激光雷达检测到的气溶胶消光系数的时空演化图表明,随着天色变黑,整体气溶胶具有降低的趋势.CCD激光雷达的气溶胶消光系数曲线的日间检测是可以实现的.     

机载激光雷达信号Fernald前向反演的一种新定标方法

针对机载激光雷达信号Fernald前向反演方法要求准确得到标定值的问题,提出了一种新的定标方法:在机载激光雷达探测得到的各条大气回波信号廓线中,使用一条已知其大气气溶胶后向散射系数垂直分布的廓线,通过机载激光雷达方程来确定出其他各条回波信号廓线上的大气气溶胶后向散射系数标定值.模拟分析和实验验证了这种定标方法的可行性,用其标定值反演出的大气气溶胶后向散射系数垂直廓线是较为合理准确的;误差分析表明由该定标方法反演的大气气溶胶后向散射系数相对误差在20%以内.这种定标方法是可以运用于机载激光雷达信号Fernald前向反演的.     

微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析

大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响。微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容。为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析。误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件。虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性。且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演。     

基于粒子谱的多波长激光雷达近场大气光学参数校正方法

非同轴激光雷达由于存在发射激光与接收望远镜之间的不完全重叠区, 造成近场回波信号与真实大气信号不一致. 对于多波长激光雷达, 这种不一致更为突出和复杂. 然而, 近场大气是人类活动最集中的区域, 因此对多波长激光雷达近场信号进行校正, 对于了解和探究边界层大气具有十分重要的意义. 提出了一种利用粒子谱仪测量近地层气溶胶尺度谱分布并运用Mie 散射理论和低层大气指数衰减规律, 进而直接校正多波长激光雷达消光系数廓线近场信号的新方法. 通过对晴天、多云天气和雾天多波长气溶胶消光系数廓线近场信号的校正, 证明了该方法的可行性和实用性. 该方法着重考虑了多波长激光雷达比的波长依赖性和气溶胶粒子谱分布的天气相关性, 将该方法用于近地层大气消光系数廓线校正, 减少了由于不考虑这两个因素带来的消光系数廓线反演和校正的不确定性. 该方法对于研究不同天气情况下边界层内的大气气溶胶物理、光学特性具有一定的实用价值和借鉴意义.     

基于太阳光度计分层算法获取气溶胶标高

大气气溶胶具有很强的时空变化特性,而气溶胶标高是反映大气气溶胶垂直分布特性的一个重要参量,常规获取大气气溶胶标高的方法需要多种仪器进行联合测量.基于均匀平行球面大气分层的假定,研究了利用太阳光度计的分层算法获取大气气溶胶标高的方法.结果表明,利用该分层算法可仅利用太阳光度计一种仪器同时获得各分层大气平均消光系数和光学厚度、气溶胶垂直分布高度、气溶胶标高等参数.该算法所得气溶胶标高与常规方法获得的气溶胶标高进行比较,相对误差在10%以内;得到的大气总光学厚度与整层算法计算的大气总光学厚度的相对误差小于2%.因而,利用该分层算法仅使用太阳光度计一种仪器来获取气溶胶标高的方法是可行的,拓展了太阳光度计的应用.     

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。     

Raman激光雷达探测气溶胶消光系数求解新方法

利用Raman激光雷达测量的回波数据求解气溶胶消光系数,选用美国标准大气模式时,反演结果有可能会产生较大的误差。提出一种采用温度模式求解Raman激光雷达回波方程探测对流层大气气溶胶消光系数的新方法,并对这种新方法进行了详细的理论推导。通过与利用无线电探空仪测量数据计算的结果进行对比,发现二者具有较好的一致性。理论和实验均表明：通常情况下,采用温度模式方法求解Raman激光雷达方程探测对流层大气气溶胶消光系数是可行的。温度模式方法包含了探测地点的季节和地理海拔因素,较直接采用美国标准大气模式更加符合实际,可以减少反演结果的误差。     

多轴差分吸收光谱技术测量对流层SO2垂直廓线及柱浓度

针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO_2中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO_2垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO_2的最佳反演波段(307～330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO_2等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O_4气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0～4 km)中SO_2的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO_2廓线在0～100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO_2的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。     

用于反演半导体激光云高仪垂直能见度的算法

根据云高仪工作原理,从米散射激光雷达方程出发,推导出一种低层大气中气溶胶消光系数边界值的获取方法,并在此基础上利用Fernald方法反演得到了大气消光系数的垂直分布;通过垂直路径上的消光系数反演得到垂直路径的平均能见度,结果表明,该平均能见度更接近垂直方向真实的能见度。用该算法处理了半导体激光云高仪实际测量的数据,并与Vaisala云高仪测量的垂直能见度进行了对比,结果表明:该算法在反演大气垂直能见度时具有较高的准确性和可靠性。     

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.