南京地区气溶胶散射特性综合观测

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Mie通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学消光特性。对2013年11月至12月雾霾天气进行观测并分析得到光学消光系数,并结合CALIPSO卫星搭载的激光雷达CALIOPSO level.2分类产品数据进行消光特性参数分析。利用CALIPSO监测2012年冬季一次沙尘过程所得结果与地基微脉冲偏振激光雷达结果一致。     

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。     

南京北郊气溶胶质量浓度空间垂直分布反演

使用拉曼 米激光雷达在南京北郊进行常规性检测,通过分析激光雷达回波信号,借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度,对米散射信号进行近场修正,消除重叠因子的影响,拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度,拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度,然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果:2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6,具有一定的可信度。     

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.     

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。     

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。     

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。     

粒子的非球形程度对消光系数的影响研究

利用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲激光雷达对南京北郊的气溶胶特性进行了常规的观测,并计算了气溶胶的退偏振比,反演了气溶胶的消光系数,分别得到气溶胶退偏振比及消光系数廓线。分析了不同天气情况下退偏振比和消光系数变化趋势的关系,发现退偏振比和消光系数有一定的相关性,即粒子非球形的程度对其消光的大小有一定的影响。初步探测结果发现:在同一个时刻,晴天和雾霾天时二者变化趋势相同,探测到水云时二者变化趋势相反,探测到冰相云时二者变化趋势相同,研究表明:当探测到气溶胶和冰相云时,粒子的非球形特性越明显其消光系数越大;当探测到水云时,粒子越近似球形其消光系数越大。     

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.     

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.     

多波长激光雷达探测多种天气气溶胶光学特性与分析

设计和构建了波长为355,532和1064nm的多波长米散射激光雷达系统,并研究了多波长激光雷达信号数据处理和反演算法,实现了对地表气溶胶的探测;利用该激光雷达对2013年冬季西安市上空大气进行了探测,研究分析了雾霾天、晴天和有云天气的混合层高度、气溶胶消光特征和粒径分布特征.分析比较了不同波长探测到的混合层高度变化情况.在雾霾天,大气混合层高度与晴天和有云天相比明显偏低,在0.4 km附近,而晴天的混合层高度有0.5—0.8 km.利用长波(1064 nm/532 nm)段和短波(532 nm/355 nm)段两个ngstrm指数分析了不同天气情况下的粒径分布特征.对于近地层气溶胶,雾霾天的长波ngstrm(1064/532)指数小于短波ngstrm(532/355)指数,而晴天与之相反,说明在近地层雾霾有污染的大气中,存在有较多的粗粒子.在云层中,ngstrm指数明显减小,并且出现负值,说明云粒子半径比较大.     

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.     

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。     

Ultraviolet Rayleigh Lidar for Wind and Temperature Measurements

A new method of simultaneous remote sensing of atmospheric wind and temperature by a ultraviolet Rayleigh lidar is described. This technique uses two narrowband filters located at either side of the wings of the Rayleigh backscatter spectrum to analyze Rayleigh backscattering signals. These filters are selected to be greatly sensitive to both velocity and temperature. By measuring the ratio and the sum of the two normalized filtered signals, the line-of-sight wind velocity and temperature profiles can be retrieved. A lidar system is proposed for the wind velocity and temperature measurements in the middle atmosphere, and the simulation results show that the accuracies of velocity and temperature are about 1 m/s and 2 K at the height of 30 km, respectively. The influence of aerosol component has been estimated for clear weather conditions, and with an uncertainty of aerosol component of 15% the errors are about 0.1 m/s and 2 K above the troposphere, respectively.     

探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

新型车载式激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了中国科学院安光所自行研制的新型车载式激光雷达的结构和主要技术参数,给出了雷达数据的反演方法,并利用它对合肥地区对流层的大气气溶胶进行了探测。测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间与空间分布特征。     

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。     

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。     

Differential Discrimination Technique for Incoherent Doppler Lidar to Measure Atmospheric Wind and Backscatter Ratio

A new incoherent Doppler lidar scheme is proposed using a high resolution Mach-Zehnder interferometer discriminator with sinusoidal transmission functions. A two-channel differential discrimination technique is developed which provides high sensitive velocity measurement. The aerosol and molecular backscatter signals can be separately measured and the backscatter ratio obtained. Principle of the measurement is described and the characteristics of this technique are analyzed and compared. Numerical calculation for a moderate size 1.064 μ lidar shows that an accuracy better than 1 m/s for the velocity measurement and 18% for the backscatter ratio measurement can be obtained up to a height of 10 km by a 500 shot average.