银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′,东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。     

偏振-米散射激光雷达探测对流层气溶胶光学特性

利用偏振-米散射激光雷达探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.介绍了该雷达的结构、技术参数和探测原理.获得了气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度,并对这些结果进行了分析和讨论.结果表明,该雷达能较好地探测对流层大气气溶胶的光学特性及其时空分布.     

基于微脉冲激光雷达计算整层大气气溶胶光学厚度

基于微脉冲激光雷达测量数据,提出了利用气溶胶标高计算整层大气气溶胶光学厚度(AOD)的算法。首先利用激光雷达垂直和水平测量数据分别反演得到气溶胶垂直消光系数廓线和近地面水平方向的消光系数;然后将气溶胶垂直消光系数廓线分为4种类型,分别按照不同的方法拟合得到气溶胶标高;最后将气溶胶标高与近地面消光系数相结合,可得到整层大气AOD。将计算结果与同一地区相同时刻太阳光度计的测量结果相比较,发现二者具有较好的一致性,平均相对误差不超过6.7%。所提方法为白天少云和夜晚时段大气AOD的反演提供了一种新的技术手段。     

探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达

 介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能，分析讨论了该激光雷达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右，白天的探测高度达到10km左右。还可对卷云进行探测，获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。     

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。     

云和气溶胶探测星载激光雷达及其应用

介绍了在轨飞行的云和气溶胶探测星载激光雷达系统的原理和结构，该激光雷达能够探测全球范围内30km以下的云和气溶胶的消光系数和退偏比。利用CAUPSO实测数据，对发生在华北的一次沙尘天气进行分析，得到了河北省内沙尘消光系数和退偏比分布。结果表明，由沙尘气溶胶导致的消光系数最大可以达到0．22／kin；该次沙尘具有典型的层状结构，最可几层数为2，沙尘层的最大退偏比可以达到0．23。     

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。     

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.     

偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

 研制了一台偏振-米散射激光雷达，用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理，叙述了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果，对这些结果进行了分析和讨论。初步探测结果表明，合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间，该激光雷达可以对卷云进行有效的探测，能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。     

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.     

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。     

Measurements of aerosol distribution by an elastic-backscatter lidar in summer 2008 in Beijing

Elastic lidar observations of profiles of the aerosol extinction, backscattering coefficients, and the lidar ratio have been performed in Beijing. The elastic lidar transmitts wavelengths of 532 and 355 nm. The measurement altitude can reach up to 6 km. The similarity of the extinction and baekscattering profiles suggests a close relation between the mean transmission and reflection properties. The lidar ratio on July 22, 2008 varied from 10 to 30 sr with the mean value of 20 sr. The profiles of the aerosol properties indicate the cirrus at 6 km altitude and a well-mixed boundary layer from July 22 to 24, 2008. The detected boundary layer also agrees well with the high and stable ozone concentration obtained from the differential optical absorption spectroscopy （DOAS） system.     

Measurements for profiles of aerosol extinction coefficient,backscatter coefficient,and lidar ratio over Wuhan in China with Raman/Mie lidar

<正>The profiles of aerosol extinction,backscatter coefficient,and lidar ratio in the lower troposphere over Wuhan are measured by a multi-channel Raman/Mie lidar.Using the lidar ratio retrieved by Raman scattering principle,the profiles of aerosol extinction and backscatter coefficients are also retrieved by Mie scattering signals,without a prior assumption about their relation in the traditional pure Mie signals data analyses.The observations by both Raman and Mie are in good agreement with each other.The high coherence shows that the system is reliable,and the Mie and Raman channels are in good adjustment and have the same field of view.     

探测对流层气溶胶的双波长米氏散射激光雷达

研制了一台双波长米氏散射激光雷达,用于532nm和1064nm两个波长对流层气深胶消光系数垂直廓线的长期探测.介绍了该激光雷达的技术参数和总体结构,叙述了各部分的结构和工作原理,给出了合肥地区对流层气溶胶测量的若干典型结果.     

Algorithms to retrieve optical properties of three component aerosols from two-wavelength backscatter and one-wavelength polarization lidar measurements considering nonsphericity of dust

We developed backward and forward types of algorithms for estimating the vertical profiles of extinction coefficients at 532 nm for three component aerosols (water-soluble, dust, and sea salt) using three-channel Mie-scattering lidar data of the backscatter (β) at 532 and 1064 nm and the depolarization ratio (δ) at 532 nm. While the water-soluble and sea-salt particles were reasonably assumed to be spherical, the dust particles were treated as randomly oriented spheroids to account for their nonsphericity. The introduction of spheroid models enabled us to more effectively use the three-channel data (i.e., 2β+1δ data) and to reduce the uncertainties caused by the assumption of spherical dust particles in our previously developed algorithms. We also performed an extensive sensitivity study to estimate retrieval errors, which showed that the errors in the extinction coefficient for each aerosol component were smaller than 30% (60%) for the backward (forward) algorithm when the measurement errors were ±5%. We demonstrated the ability of the algorithms to partition aerosol layers consisting of three aerosol components by applying them to shipborne lidar data. Comparisons with sky radiometer measurements revealed that the retrieved optical thickness and angstrom exponent of aerosols using the algorithms developed in this paper agreed well with the sky radiometer measurements (within 6%).     

New dust aerosol identification method for spaceborne lidar measurements

Classification is a critical step in the backscatter lidar data processing to accurately retrieve extinction and backscatter profiles of atmospheric aerosols and clouds. Different schemes, such as the probability distribution functions (PDFs) method, have been used in the cloud and aerosol classification. In this paper, we attempt to use the support vector machine (SVM) to discriminate aerosols from clouds, with a focus on dust aerosol classification in China. To demonstrate the feasibility of the SVM classifier, we chose dust storms that occurred in the Gobi and Taklimakan deserts and observed by the CALIPSO lidar in spring time 2007. The results show that the SVM can correctly identify the dust storms.     

气溶胶消光系数与质量浓度的相关性研究

为了利用激光雷达探测的消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布,研究气溶胶消光系数与质量浓度之间的关系就显得十分重要.根据Mie散射理论,分析了气溶胶的质量消光系数、消光系数和质量浓度之间的关系,引进了等效参数,分析了Junge指数对等效参数的影响.用实际测量的粒子谱分布、能见度、相对湿度和气溶胶质量浓度验证了气溶胶消光系数和质晕浓度之间的关系.这对利用激光雷达测量的气溶胶消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布是很有实用价值和指导意义的.     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线，提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具，获取气溶胶的消光与后向散射系数，反演得到气溶胶粒子谱分布；同时，根据米散射理论算出气溶胶消光效率，结合粒子谱分布，提出颗粒物质量消光效率模型，从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演，并与地表采用的颗粒物浓度对比，证明该方法的可行性，为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。