Raman Lidar Measurements of Aerosol and Cloud Optical Properties in the Troposphere

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｉｃａｅｒｏｓｏｌａｎｄｃｌｏｕｄａｒｅｔｗｏｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｅａｒｔｈ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｒａｄｉａｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅａｎｄａｌｓｏｔｗｏｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎｔｈｅｃｌｉｍａｔｅｅｆｆｅｃｔｓｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ,ｓｏｔｈｅｉｒｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｂｅｃｏｍｅｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ.Ｌｉｄａｒ (ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｅ)ｉｓ…     

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散射探测南京地区气溶胶光学特性

利用位于中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Raman通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学特性。在反演计算消光系数的过程中发现Raman信号波动很大、起伏很多,对我们反演结果带来了很大的困难,导致消光系数值波动范围达到-0.1~0.4km~(-1)。经过反复试验计算,用小波去噪解决这个问题,并将其反演结果与同一时刻同一仪器不同通道(Mie通道)反演结果进行对比,2011年3月30日晴天条件下二者消光系数都在0.05km~(-1)左右,它们的趋势具有很好的一致性,表明小波去噪能提高Raman散射反演气溶胶光学特性的准确性。     

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。     

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。     

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。     

L625激光雷达探测平流层气溶胶

介绍了一台用于探测以层气溶胶的米氏散射激光雷达及其数据处理方法,其探测结果与美国SAGEⅡ卫星的结果基本一致。初步分析了1991年－1998年期间平流层气溶胶消光系数和积分体后向散射系数的变化特征。     

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.     

星载激光雷达云和气溶胶分类反演算法研究

激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线,研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究,对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布,结合概率统计与机器学习算法,提出了一种对于云/气溶胶、云相态及气溶胶子类型识别的分类算法,实现了星载激光雷达的大气特征层快速、有效分类。算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据,主要由三部分组成：（1）基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征,分别构建了云和气溶胶的γ₅₃₂,χ,δ,Z和lat的五维概率密度函数,以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数,并基于此实现了云和气溶胶类型的反演;（2）选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础,结合云层的γ₅₃₂,χ,δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI,水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云,获得云相态的分类结果;（3）以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础,采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分,完成气溶胶子类型的识别。利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库,避免了对于地面以及航测数据的依赖,而机器学习则大大简化了算法的实现过程,使得云气溶胶分类更加高效。算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析：云层有98.51%一致性,气溶胶有88.43%的一致性,且白天比夜间一致性高。对于云相态分类,可以有效区分出水云和冰云,其中二者水云一致性高达93.44%。在气溶胶子类型反演结果中,可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。霾、沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。其中,霾天的大部分煤烟型以及污染型（污染沙尘以及污染大陆）气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法,针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进,在保证一定精度的基础上,简化了算法,提高了数据处理的效率,在下一步工作中,将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。     

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。     

利用激光雷达测量都市上空气溶胶的浓度分布

测量都市上空气溶胶浓度分布的最方便方法是水平米散射激光雷达。因激光雷达是主动遥感监测系统,其测量距离可达到几公里,而且具有高时空分辨率的特点。同时,其设计也可以达到激光安全标准。本研究所用的激光雷达系统是安装在海拔118米高的山上。在观测时可以测量稠密市区上空的气溶胶分布与及监察从发电厂排放出的微粒。本文介绍这激光雷达系统的设计及激光雷达反演的方法。会对激光雷达量度的消光系数与大气监测的可悬浮粒子浓度之间的相关性进行考证。     

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.     

Simultaneous Measurement of Wind and Aerosol Backscattering in the Troposphere by High Spectral Resolution Lidar with Iodine Filter

We propose a high spectral resolution lidar system which is capable of measuring aerosol backscattering and line-of-sight wind velocity in the troposphere. An iodine vapor filter is used to separate the aerosol and Rayleigh scattering components as well as to discriminate the Doppler shift frequency. The performance of the lidar system is estimated with reasonable parameters. The error of horizontal wind velocity below an altitude of 6 km is less than 0.5 m/s, and accuracy of the aerosol backscattering coefficient is better than 40% below 10 km. This system is particularly suitable for the study of aerosol transportation in the troposphere.     

激光雷达研制及其探测大气气溶胶的实验研究

作为一种激光探测大气气溶胶特征的新技术,采用分子滤波技术的高光变分辨率激光雷达在国际上得到了发展,给出了对这种YAG激光雷达系统的理论分析并建立了实验装置,其接收望远镜孔径为300mm,YAG激光脉冲能量为150mJ。通过数值模拟与初步测量估计了激光雷达性能,测量了大气回向散射信号,测量结果表明实结果与理论分析一致。     

激光后向散射式大气能见度测量仪样机的研制

大气能见度的高精度、实时性探测对军事装备及军事活动起着重要作用.针对军事装备对能见度测量的实时、精确、仪器便携、功耗低、无合作目标的特殊要求,根据激光后向散射理论,研究了舰用探测大气能见度激光雷达样机的原理、系统组成及其软件实现,并进行了外场试验,试验结果表明样机误差在±20%以内.     

成都地区中低云层的激光雷达探测

报道了应用Mie散射激光雷达探测云层的实验.利用改进的Klett反演算法对所测雷达回波信号反演获得大气消光系数分布,进一步求出云层高度、厚度及光学厚度.研究了云底高度和云层厚度在不同天气下的变化情况.获得了成都地区云层的一些重要信息,并对所得结果进行了分析讨论.     

转动拉曼激光雷达探测大气温度的系统设计及模拟计算

本文对转动拉曼散射激光雷达探测的大气后向散射回波进行了数值模拟计算,计算结果得到了现有的数据的验证,证明了这种设计是可行的。并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜的直径和垂直分辨率对转动拉曼激光雷达回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析与讨论,简要分析了测温精度。     

Effect of Multiple Scattering in the Lidar Measurement of Tropospheric Aerosol Extinction Profiles

This paper describes the lidar inversion of the tropospheric aerosol extinction profiles under the influence of multiple-scattering effects for various elevation angles of lidar detection. A single-scattering lidar equation is employed to analyze lidar signals with multiple-scattering contributions that are calculated by the Monte Carlo method for given atmospheric conditions. We calculate errors in the optical thickness from the results with and without multiple-scattering effects. It is found that the errors vary in a range of 2#x2013;18#x0025; according to the optical thickness variation of 0.19#x2013;3.8. The dependence of the error on the field-of-view angle of the lidar observation is also discussed.     

基于Raman激光雷达反演大气污染气体浓度几种方法

筊aman激光雷达是探测大气污染气体的一种重要方法,雷达回波反演是其中的重要步骤,反演的关键在于正确得到透过率指数因子。以消光系数为中心的三个方案,介绍了目前已普遍采用的方法、应用532 nm大气消光系数间接求取α(λ₁,z)和α(λ_２,z)。提出了两种新方法：(1) 采用拉曼波长与待测气体相近的参考气体,α(λ₁,z)＝α(λ_２,z);(2) 借助λ₁和λ₂的Mie-Rayleigh散射回波求取指数因子。     

Analysis of influence of atmosphere extinction to Raman lidar monitoring CO2 concentration profile

Lidar （Light detection and ranging） system monitoring of the atmosphere is a novel and powerful technique tool. The Raman lidar is well established today as a leading research tool in the study of numerous important areas in the atmospheric sciences. In this paper, the principle of Raman lidar technique measurement CO2 concentration profile is presented and the errors caused by molecular and aerosol extinction for CO2 concentration profile measurement with Raman lidar are also presented. The standard atmosphere extinction profile and ＇real-time＇ Hefei area extinction profile are used to conduct correction and the corresponding results are yielded. Simulation results with standard atmosphere mode correction indicate that the errors caused by molecule and aerosol extinction should be counted for the reason that they could reach about 8 ppm and 5 ppm respectively. The relative error caused by Hefei area extinction correction could reach about 6%. The errors caused by the two components extinction influence could produce significant changes for CO2 concentration profile and need to be counted in data processing which could improve the measurement accuracies.