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。     

激光雷达白天探测大气边界层气溶胶

介绍了自行研制可用于白天探测大气气溶胶的AML-1激光雷达系统,分析了白天工作条件下激光雷达的各种噪声干扰,并给出了抑制噪声干扰的有效措施.其中,天空背景辐射噪声是激光雷达白天工作的主要干扰,通过接收视场角与激光束发散角的严格匹配以及采用高光谱透过率超窄带滤光片可大大抑制天空背景光的干扰.最后,给出了AML-1激光雷达白天测量大气边界层气溶胶的典型结果. 关键词： 大气光学 激光雷达 气溶胶 边界层     

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。     

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。     

基于激光雷达探测技术的PM2.5浓度辨识研究

针对颗粒物浓度的大气分布难以测量的问题,采用532 nm激光雷达,对淮南地区2016年6月1日至12月31日进行连续观测.利用大气边界层高度、气溶胶光学厚度、温度、相对湿度、风速、能见度和实测的颗粒物浓度建立回归预测模型,实现了对颗粒物浓度的辨识研究.由于传统的反向传播(BP)神经网络易陷入局部极小,依据数据特点采用基...     

北京城区限车期间气溶胶特征激光雷达观测研究

用微脉冲激光雷达(MPL)研究了机动车限行措施对城市大气污染影响.2007年8月北京市车辆限行期间, 对近地面层气溶胶的光学特性进行连续立体监测, 在对激光雷达系统及其数据处理方法讨论的基础上, 反演了近地面层气溶胶消光系数、大气边界层高度以及颗粒物质量浓度的时空变化, 通过和未限车期间近似气象条件下观测数据的分析比较, 发现限车期间颗粒物质量浓度呈现下降趋势, 监测区域上空大气污染层厚度减小, 证明车辆限行减排是一项减轻城市大气污染的有效措施, 为我国城市空气污染治理提供了科学依据和参考.     

乌鲁木齐市采暖期大气PM10及PM2.5中Cd的形态分析

2009年12月14日—28日采集了新疆农业大学校园PM10和PM2.5样品,分析了重金属Cd的形态和风险指数。该采样点在冬季采暖期间PM10及PM2.5污染非常严重,PM10和PM2.5中Cd的含量分别为3.642和1.964ng.m-3,均以残渣态为主,但PM2.5中Cd的生物有效性高于PM10中Cd的生物有效性。PM10中Cd的致癌风险为6.56×10-6,而PM2.5中Cd的致癌风险为3.46×10-6,均处于可接受的风险水平。     

基于统计回归方法的多普勒激光雷达反演颗粒物浓度研究

2019年9月至10月,利用相干多普勒激光雷达在深圳石岩地区(113.9°E,22.7°N)与深圳气象梯度塔进行了联合观测实验,基于激光雷达后向散射强度直接反演PM2.5、PM10颗粒物浓度.反演得到的不同高度颗粒物浓度与梯度塔上颗粒物同步混合监测仪实测结果进行统计回归分析.结果表明:本次实验中,PM2.5和PM10的...     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

垂直扫描激光雷达观测建筑场地无组织扬尘方法EI北大核心CSCD

应用激光雷达技术探测近地面大气无组织颗粒物具有重要的理论和应用价值。将激光雷达技术应用于探测城市建筑工地扬尘,利用建筑外墙进行激光雷达信号的相对标定,然后根据激光雷达方程求解沿光学路径的扬尘颗粒物消光系数,通过程控扫描台获取多条路径上的消光系数分布,并结合质量消光效率因子得到二维质量浓度分布情况。结果表明,基于扫描平台的微脉冲雷达系统可以快速获取建筑扬尘二维分布和随时间变化情况,结合粒径谱和风速风向信息进一步得到重型车和小型施工车辆的PM10排放因子分别为8.99×103 g/km和1.75×103 g/km;重型车和小型施工车辆的PM2.5排放因子分别为4.57×102 g/km和8.91×101 g/km。该方法为城市扬尘快速实时监测提供了一种新思路。     

基于太赫兹光谱-统计分析的大气PM2.5监测研究

应用太赫兹技术对大气中动力学直径小于2.5 μm(PM_2.5)的细颗粒物进行了定量研究。PM_2.5质量和太赫兹吸光度之间存在线性关系,相关系数为0.86。应用主成分分析的方法,可证明随着PM_2.5质量的增加,与吸收系数存在相似的趋势。为了提高预测精度,采用偏最小二乘,支持向量机和反向传播人工神经网络对PM_2.5进行定量研究。与单一的线性模型相比,统计模型具有较大的预测相关性和较小的误差。对于神经网络模型,训练集与预测集的相关系数和均方根误差分别达到0.999和0.016 mg,0.912和0.207 mg。因此,THz技术和统计学方法的结合可提供较高精度的预测,作为一种监测PM_2.5的有效手段。     

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.     

北京市城区冬季雾霾天气PM2.5中元素特征研究

为了解北京市某城区2013年冬季雾霾天气细颗粒物(PM2.5)中元素浓度水平及污染特征,连续采集2013年1月—2月北京市某城区大气PM2.5,采用滤膜称重法检测PM2.5浓度,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析PM2.5中36种元素总量并采用富集因子法分析元素污染特征。结果表明:与正常天气相比,雾霾天气发生时PM2.5和其中的27种元素浓度均升高,其中As,Cr,Pb,Ti和V等重金属是PM2.5中的主要无机污染物。元素富集特征表明,雾霾天气PM2.5中的金属元素可被分为三组,其中As,Cr,Cu及Pb的富集因子高于10,属于高度富集级别;Sb和Sn等元素富集因子介于1～10,属于中度富集级别;Ti和V富集因子接近于1,属于轻微富集级别。ICP-MS用于大气PM2.5中多元素分析具有良好的精密度和准确性,可满足同时检测PM2.5主、痕量金属元素的要求。雾霾天气发生时,As,Cr和Pb等重金属元素的增加主要与人类活动如汽车尾气、化石燃料排放引起空气污染所致;该研究为开展雾霾天气PM2.5中元素特征研究提供了准确、简便的方法,可以为相关部门采取有效的措施减轻污染,保护人群健康提供科学依据。     

探测大气中CO2的Raman激光雷达

基于大气激光后向散射光谱，研究和设计了探测大气CO₂浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd∶YAG激光的三倍频354.7nm作为工作波长,发射的单脉冲能量350mJ,重复频率20Hz；接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO₂的Raman散射371.66nm(频移1285cm^-1)信号,(1小时累加)近地面2.5km以内信噪比不小于8.采用组合滤光片来抑制强的354.7nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气375.4nm Raman后向散射对信号的严重干扰. 比较分别来自大气CO₂和参考气体N₂的Raman后向散射回波,可反演出大气中CO₂的相对浓度. 关键词： 大气光学 激光雷达 Raman散射光谱 参考气体 Mie-Rayleigh散射     

气溶胶光学特性对宽谱差分吸收激光雷达NO2质量浓度反演结果的影响

针对宽谱连续波差分吸收激光雷达(DIAL)的特点,通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号,计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮(NO₂)质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时,NO₂质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应,而后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差一般可忽略不计;当大气气溶胶非均匀分布时,气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度,且与波长指数成反比。此外,适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO₂-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO₂质量浓度反演误差的近似模型,通过对比模拟计算的结果,验证了近似模型评估NO₂质量浓度反演误差的可行性。     

激光云高仪对那曲地区大气边界层高度的探测分析

2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下,分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度,将云顶高度判定为边界层高度时,那曲地区对流边界层高度最高可达3800m,在夜间稳定边界层情况下,最低只有40m.采用无线电探空仪数据,利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据,对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析,相关系数达0.78,标准偏差为738.84m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知,那曲地区大气边界层高度日变化大,是由于该地区地处内陆海拔较高,夏季日照辐射相对平原地区较强,对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.     

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...     

基于激光雷达观测的大气边界层自动识别局部最优点算法

大气边界层高度是影响近地面大气物理运动的主要因素,同时也是影响地面污染物浓度的一个重要因素。地基激光雷达可以对大气气溶胶的垂直分布进行连续稳定的监测,应用激光雷达技术对大气边界层进行连续观测可以为环境监测与预报提供指导性的动态信息。针对存在残留层以及外来污染物输入情况时边界层高度变化检测的可靠性及计算效率问题,结合梯度法的物理意义与激光雷达时序图的图形图像学特征,提出了一种基于时空邻近度的边界层局部最优点识别算法。以江苏省无锡市新区偏振米散射激光雷达太湖观测站点的气溶胶垂直观测数据为例,通过对2012年底两次污染事件进行观测分析,分别使用梯度法和局部最优点法进行大气边界层高度的自动识别。实验结果表明,在静稳状态和污染混入后的情况下,梯度法与局部最优点识别法的结果较为接近,但梯度法在处理污染混入状态以及存在残留层的情况下误判率较高。基于时空邻近度的局部最优点算法通过对垂直特征值以及水平相关性的控制,有效地消除了在弱信号、噪声信号、低云以及存在残留层和外来污染等情况下导致的计算机误判现象,在减小算法时间复杂度的同时在计算机自动识别结果具有更高的稳定性,弥补了梯度法在自动化运行中的识别精度与计算效率的不足。     

地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达

研制了一台利用气溶胶散射信号的CO₂廓线探测差分吸收激光雷达. 系统利用染料激光器实现波长调制, 采用双光路气体吸收池, 结合Voigt拟合方法实现了脉冲红外激光的高精度定标. 针对输出激光带宽较宽的问题, 采取仿真实验评估了影响, 并设计了基于吸收池的订正因子获取方案. 进而, 开展了水平、垂直和连续观测实验, 通过与地面CO₂分析仪测量值的对比, 证明了系统具备优越的精密性和精确性. 实验表明, 该样机能够俘获CO₂浓度随高程和时间变化而产生的变化.