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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

西藏那曲与北京郊区对流层气溶胶的微脉冲激光雷达测量

用微脉冲激光雷达对西藏那曲地区和北京郊区2004年夏季大气对流层气溶胶的光学特性进行了测量和分析，给出了两地区气溶胶消光系数的垂直分布以及那曲地区的大气边界层高度.结果表明:北京郊区大气对流层气溶胶的组分、浓度及粒径分布较那曲地区呈现出较大的不均匀性，那曲地区则具有较好的近地面空气质量.因此，利用微脉冲激光雷达可以实现大气气溶胶的有效测量.     

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。     

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。     

航空偏振遥感数据反演陆地上空气溶胶光学厚度

在陆地上空气溶胶遥感中,地表多样性会导致地表反射率计算误差增加,降低地气解耦精度,进而影响气溶胶反演精度。多角度、多光谱和偏振观测数据的引入有利于解决地气解耦精度和气溶胶参数的提取精度受限的问题。基于多角度偏振辐射计(AMPR)航空多光谱遥感数据,结合气溶胶散射和地表偏振反射规律,提出了在1 640 nm波段对AMPR观测偏振反射率进行连续大气辐射校正,实现地气解耦的方法。在此基础上,构建了陆地上空气溶胶偏振反演算法。运算过程中使用665和865 nm波段观测数据进行气溶胶参数提取,使用1 640 nm波段观测数据结合提取的气溶胶参数进行大气偏振辐射校正,重新获取地表偏振反射率。在反演过程中引入迭代,逐步逼近大气与地表真实辐射值,实现地气解耦,并利用查找表的方法实现气溶胶光学厚度反演。通过AMPR在京津唐地区5个架次的航空观测实验数据对反演算法进行了验证,结果与地基CE318观测数据一致性较好,在气溶胶光学厚度小于0.5的情况下,反演平均误差为约0.03。     

Determination of the concentration of aerosol particles in a vertical atmospheric column from satellite measurements of the spectral optical depth

We propose a method for fast retrieval of the inhalable particle concentration (PM_2.5 and PM₁₀) in a vertical atmospheric column from satellite measurements of the aerosol optical depth (AOD) without using a priori assumptions concerning the refractive index and the aerosol particle size distribution function. The method is based on a polynomial regression between PM_2.5, PM₁₀, and AOD at the wavelengths 466 nm and 644 nm, established from AERONET data. We have studied the sensitivity of the method to errors in the optical measurements and have estimated the errors in retrieval of PM_2.5 and PM₁₀ for different atmospheric situations. We carry out parametrization of the regressions on the value of the integrated air moisture content.     

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。     

MAX-DOAS仪器观测大气Ring效应及对气溶胶参数的敏感性研究

Ring效应是指大气中O₂和N₂分子对太阳光的转动拉曼散射致使太阳夫琅禾费结构变浅(被填充)的现象。大气气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响到光子发生转动拉曼散射的几率(RSP),最终影响填充效应。通过观测RSP在不同气溶胶状态下的变化,可以反演得到气溶胶参量信息。采用地基多轴差分吸收光谱(multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS)方法在晴朗无云天气下对Ring效应进行了观测,并把测量值和模型值进行了对比,两者一致性较好;选取大气辐射传输模型McArtim研究了在不同大气条件下Ring效应对气溶胶参数等的灵敏度,结果表明在大多数测量情况下,气溶胶光学厚度和边界层高度对RSP影响较大,在90°仰角时,AOD从0.1增加到1,RSP减少了24.6%,边界层高度从1 km增加到3 km,RSP增加了4.4%。研究表明,Ring效应对气溶胶光学厚度和边界层高度较为敏感,这为反演气溶胶的垂直分布提供了一种新方法。     

Seasonal variation of tropospheric aerosol properties by direct and scattered solar radiation spectroscopy

Long-term characterization of tropospheric aerosol has been carried out at Chiba, Japan, using a compact, stand-alone spectroradiometer under clear-sky conditions between August 2007 and March 2009. The spectra of direct solar radiation, aureole, and scattered solar radiation in various directions are observed in a wavelength range between 350 and 1050 nm with an optical resolution of 10 nm. Radiative transfer calculation using the MODTRAN4 code is employed to retrieve aerosol optical parameters such as aerosol optical depth (AOD), extinction coefficient, single-scattering albedo, scattering phase function, and asymmetry parameter, as well as water vapor column amount. The retrieved value of AOD varies in the range 0.1-0.5, while the water vapor column amount changes from 0.2 to 4 g/cm², showing reasonable agreements with the concurrent measurements with a sunphotometer and a microwave radiometer, respectively. The seasonal variation of the retrieved parameters indicates the major impacts of dust particles in spring, sea salt particles in summer, and anthropogenic fine particles in winter.     

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MODIS卫星资料反演北京地区气溶胶光学厚度

大气气溶胶是影响城市环境空气质量的重要因素,同时对人类健康具有重要影响。传统的气溶胶遥感反演方法多适用于海洋及植被等地表反射率较低的区域,对于城市等高亮地表区域,地表反射率较高且难以确定,气溶胶反演面临巨大挑战。针对该问题,提出一种新的地表反射率的确定方法,将下垫面划分为暗地表和亮地表两种类型,分别使用可见光与短波红外的线性关系和利用长时间序列MODIS表现反射率数据使用最小值合成技术构建先验数据集的方法,确定其地表反射率,然后基于辐射传输方程理论利用查找表方法,进行气溶胶光学厚度反演。选择下垫面复杂、空气污染问题严重的北京市作为研究区,应用MODIS数据进行气溶胶反演实验,最后使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4个AERONET气溶胶地基观测数据和MODIS气溶胶产品对反演结果进行对比验证。结果表明该算法气溶胶反演结果与地基观测数据具有较高的一致性（R2=0.902）,能以较高精度实现城市等高反射率地区的气溶胶反演,反演精度与空间连续性上较MOD04有显著提高。     

基于星载激光雷达数据的海面风速探测

使用新版(Version 3.01)星载激光雷达CALIPSO Level 1剖面数据和Level 2的大气气溶胶光学厚度(AOD)数据反演全球海面风速。将AOD数据用于大气双程透射率的校正。对CALIPSO所采集的2007年1月、4月、7月和10月532nm波长无云激光测量数据进行应用计算,采用532nm退偏比经验修正海面白帽及水下次表层水体散射的影响,同时选用准同步的AMSR-E海面风速测量值为真值进行对比。对应2007年的4个月,由CALIPSO星载激光雷达532nm单脉冲测量数据反演海面风速的标准偏差分别为1.24、1.24、1.24、1.20m/s,由5km滚动平均数据反演海面风速的标准偏差分别为0.98、1.02、0.98、0.94m/s。结果表明,采用的数据反演方法可行且数据利用率得到提高。     

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。     

大气气溶胶偏振遥感研究进展

POLDER-1是国际上第一个可以获取偏振光观测的星载对地探测器, 随着POLDER/PARASOL等偏振仪器的应用, 偏振遥感在国际上已成为一个快速发展的研究领域, 并在大气气溶胶监测等方面发挥了重要的作用, 取得了一系列研究成果。从POLDER/PARASOL,APS(aerosol polarimetry sensor)和航空偏振相机、地基偏振观测平台三个方面综述了大气气溶胶偏振遥感近20年(1993-2013)的研究进展, 重点介绍: (1)POLDER/PARASOL陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; POLDER/PARASOL气溶胶光学厚度(AOD)产品精度验证、应用以及与MODIS等卫星AOD产品的对比分析。(2)MICROPOL,RSP和APS陆地上空和海洋上空气溶胶参数反演算法; 国产多角度航空偏振相机(directional polarimetric camera, DPC)的气溶胶参数反演算法。(3)CE318-2和CE318-DP的气溶胶地基偏振反演算法。其中卫星、航空和地面气溶胶参数反演的结果包括总的AOD、细粒子AOD、粗粒子AOD、粒子谱分布、粒子形状、复折射指数、单次散射反射率、散射相函数、偏振相函数以及云顶AOD。在以上研究基础上, 提出了大气气溶胶偏振遥感研究存在的问题及展望, 为大气气溶胶偏振遥感研究提供有价值的参考。