星载激光雷达对气溶胶垂直分布的对比分析

云和气溶胶偏振激光雷达(CALIPSO)卫星数据是探测大气气溶胶特征的有效工具。采用CALIPSO数据对37.1°N,113.3°E~38.6°N,117°E之间地理区域的强霾天气、沙尘天气、生物质燃烧污染天气和清洁天气的气溶胶消光系数、退偏比、色比以及温度廓线进行对比分析,结果表明:1)强霾天气主要是球形度较高的水溶性细粒子污染,集中在地表1 km以内,常伴有逆温无风或弱风现象出现;2)沙尘天气垂直分布广,可存留在高空,非球形度高,粒子尺度不均匀,风速偏大;3)生物质燃烧污染天气主要是集中在中低空的细粒子污染,黑碳成分高,消光系数大,常伴有污染性沙尘共同存在。三种污染天气廓线有很大不同,说明不同污染天气的气溶胶垂直分布的差异很大。     

内蒙古自治区一次沙尘过程的激光雷达分析

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ERA5)以及混合单粒子拉格朗日积分轨道(HYSPLIT)后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显; 卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况; 2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。     

CALIOP观测的渤海、黄海气溶胶类型时空分布特征

采用14年（2006~2019年）的CALIOP星载激光雷达数据,基于最新的激光雷达气溶胶类型划分方法,辨识了0.28~8.17 km高度范围内渤海、黄海主导气溶胶类型,揭示了各类气溶胶的垂直分布特征,分析了其长期演变趋势和季节差异。研究发现:（1）受到东亚大陆特别是沙尘输运的显著影响,渤海、黄海主导气溶胶类型为沙尘海洋型（36%）、沙尘型（25%）、清洁海洋型（17%）、煤烟型（11%）和污染沙尘型（9%）（合计>97%）,其中与沙尘有关的3种气溶胶类型占比合计近七成。（2）各类型气溶胶的垂直分布特点鲜明:清洁海洋型和沙尘海洋型气溶胶主要分布在2.5 km高度以下;污染沙尘型和煤烟型气溶胶则主要分布在2.5 km高度以上;沙尘型气溶胶占比随高度增加而增大。（3）从长期演变来看,14年间污染沙尘型气溶胶占比呈波动下降趋势,清洁海洋型气溶胶占比逐年增加,煤烟型气溶胶占比逐年降低。（4）各类型气溶胶的占比及垂直分布均具有明显的季节差异。     

激光雷达监测北京城区夏季边界层气溶胶

运用一种新型边界层气溶胶监测激光雷达,在北京丰台区进行了外场实验,探讨了大气边界层(PBL)内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,并给出了消光系数的时空分布。实验结果表明,水平大气气溶胶消光系数与黑碳质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性;边界层气象因子直接影响气溶胶的时空扩散和分布;在近地面风速较小等条件下,北京城区气溶胶污染在凌晨和上午较下午和前半夜严重。     

城市对流层气溶胶观测分析与研究

利用激光雷达测量数据反演出了北京测站和西藏那曲测站上空对流层大气气溶胶散射比和消光系数的垂直分布,利用消光系数和风速数据,进行了相关分析。结果表明,北京测站上空气溶胶的组分、浓度、粒径和分布较那曲呈现更大的不均匀性;西藏那曲地区的空气质量较北京城区要高;那曲测站上空的贴地层高度较北京城区低;北京测站近地面气溶胶消光系数和风速的负相关特性较为明显。     

利用太阳光度计进行北京地区气溶胶光学性质研究

利用2011年到2014年北京太阳光度计数据对北京地区的气溶胶光学特性进行了研究。北京地区气溶胶光学厚度（AOD）全年较高,四年440nm波长的AOD年均值分别是0.67±0.70,0.69±0.71,0.73±0.66,0.75±0.66。AOD月均值表现出一定的季节变化,最大值和最小值一般出现在春季和秋季。通过气溶胶类型分类可知,除了春季受沙尘大颗粒气溶胶影响外,北京地区高气溶胶主要是由城市细粒子气溶胶引起,且四季小粒子增长现象明显,其中夏秋季主要为吸湿性增长,其他季节主要为静稳天气下的增长。通过对比沙尘和霾天气下气溶胶性质进行对比,结果表明:霾天气下AOD一般高于沙尘天气。Hysplit风场后向轨迹模型结果表明,沙尘天气下气团为穿过蒙古草原和沙漠的西北风场。在灰霾天气下风场风速较小且主要以东南和西南风场为主,高气溶胶状态为本地积累和外来输送共同作用产生。     

基于江西地区多卫星数据的气溶胶立体分布研究

利用长时间序列（2007~2014年）的MODIS/Terra数据探讨了江西地区气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, AOD）空间变化特征,发现该地区平均AOD呈现由南往北逐渐递增的趋势,其中,九江和南昌达到最高。同时,利用CALIPSO/CALIOP 垂直特征掩膜获得了气溶胶层与云层的混合和分离状态,计算了气溶胶、不同子类型气溶胶和云的垂直概率分布和最大似然高度（maximum probability height, MPH）。结果表明：气溶胶主要聚集在1~3.5 km,气溶胶层和云层混合状态出现的概率高于分离状态。在2～4 km之间,春季污染沙尘出现的概率最高,冬季次之,夏季与秋季相当,而烟尘气溶胶夏季出现的概率最高,春、冬季相当,秋季次之。基于夜间CALIOP数据计算得到的气溶胶和云的MPH均表现出较大的季节差异性。     

卫星遥感气溶胶光学厚度在北京2008年地面空气质量监测上的应用

利用卫星遥感地面空气质量是近年来随着空间遥感手段的进步而发展起来的一项新技术,如何利用卫星遥感的大气气溶胶光学厚度产品来定量评估地面空气质量是个难题.利用高分辨率的大气气溶胶光学厚度产品,经过垂直分布的订正和湿度影响的订正,分别得到地面气溶胶消光系数和地面"干"气溶胶消光系数.通过与地面PM10质量浓度的相关分析表明,地面气溶胶消光系数具有比大气气溶胶光学厚度更高的相关系数,而经过湿度订正的"干"气溶胶消光系数具有比前两者更高的相关系数.利用华北地区"干"气溶胶消光系数的分布评估了2008年夏季气溶胶变化情况,与往年同期相比,地面气溶胶消光季节平均下降约17%～20%,而华北平原其他城市和地区则没有显著变化,说明北京地区气溶胶浓度的下降与局地减排有直接关系.     

激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度

为丰富整层大气气溶胶光学厚度测量手段, 提出了一种综合微脉冲激光雷达与地面能见度测量数据的探测 方法。该方法首先利用激光雷达数据反演得到气溶胶垂直消光系数廓线, 据此计算出气溶胶标高; 再利用能见度和 消光系数的关系得到近地面水平方向的消光系数; 最后, 将近地面消光系数和标高结合, 从而得到整层大气气溶胶光 学厚度。将该方法应用于合肥地区, 成功得到该地区整层大气气溶胶光学厚度的昼夜变化趋势, 验证了该方法的可 适应性。     

星载激光雷达观测东中国海气溶胶时空分布的统计特征

基于2006年6月至2016年12月期间CALIPSO星载激光雷达卫星观测资料,分析了东中国海的渤海、黄海和东海海域的气溶胶时空分布特征。结果表明:（1）三个海域的主要气溶胶构成都是清洁海洋型、沙尘型和污染大陆型三种类型气溶胶,三者百分比之和均达到目标海域气溶胶成分的90%,而具体占比最大、起主导作用的气溶胶类型在不同海域并不相同;（2）三个海域随着高度升高气溶胶整体均为指数衰减趋势,其中4 km高度以下各气溶胶类型变化显著,4 km以上区域均只剩下沙尘型、污染沙尘型和煤烟型的气溶胶存在;（3）几乎所有气溶胶类型都会随着月份和季节上的更替变化而变化,春季各海域都是沙尘型气溶胶占比最大,夏季清洁海洋型气溶胶影响最明显,秋季和冬季期间东海地区以清洁海洋型气溶胶为主,而渤海和黄海均是沙尘型气溶胶为主。     

基于CALIOP和MODIS数据的气溶胶时空分布特征对比分析

利用两个AERONET站点（Hangzhou_ZFU、SACOL）的Level 2 气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, AOD）数据对比验证CALIOP Level 2 AOD数据。结果表明：Hangzhou_ZFU、SACOL站的相关系数为0.87、0.85,回归方程的斜率为0.76、0.92,这表明CALIOP AOD与AERONET AOD显著相关,在这两个站点及附近区域具有适应性。基于2008~2015年无云条件下的CALIOP Level 3月气溶胶产品和同期的MODIS Terra/Aqua Level 3月气溶胶产品,对比分析中国东南和西北区域气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, AOD）时空分布特征。分析表明：中国东南区域AOD季节与空间变化明显,AOD高值主要分布在长三角、珠三角等地,且夏季最高、春季次之,秋冬季相当。MODIS AOD月均值保持在在0.25~0.8之间,且与CALIOP 夜间AOD值接近,但与CALIOP白天AOD值差异较大,最大相差值可达0.45。中国西北区域两种卫星获取的AOD值空间分布非常相似,其高值区都位于塔里木盆地、准格尔盆地和柴达木盆地;AOD值春季最高,夏季减少、冬季次之、秋季最低;MODIS AOD值波动显著且普遍高于CALIOP AOD值。     

MPL探测气溶胶水平分布数据处理方法研究

微脉冲激光雷达(MPL)是探测大气气溶胶和云的有效工具.为了解气溶胶和污染物在城市近地面范围内的水平分布情况,使用自行研制的MPL开展了气溶胶和污染物水平分布的探测研究.对实测的水平数据,尝试采用分段斜率法和Fernald方法计算气溶胶和污染物消光系数的水平分布.研究表明,运用分段斜率法和Fernald法计算MPL水平数据均是可行的.     

秸秆焚烧对中国东部气溶胶时空格局的影响

利用2001-2009年期间的MODIS遥感数据,结合地面能见度资料和近地面风场资料,通过个例和统计分析了我国东部地区6月份的气溶胶时空格局及其成因。结果表明： 1）MODIS监测的火点主要分布在32°N -35°N东西向带状区域内,气溶胶光学厚度（AOD）的高值区和监测到的火点高发区有着较好的空间对应关系。6月受到秸秆焚烧的影响,整个东部地区的AOD达到全年最高。此外,地形和人类活动共同决定了东部地区气溶胶的分布格局。2）安徽地区的能见度、霾日数以及AOD的逐月变化关系表明,6月份夏收季节大量焚烧秸秆,造成空气中颗粒物浓度升高,配合相应的气象条件使得整个东部地区的AOD均有所上升。这进一步加重了东部地区的空气污染,形成了严重灰霾天气,从而导致能见度下降。3）我国东部地区6月份AOD的时空变化（特别是年际变化）与近地面风场时空变化密切相关：风速大值区,污染物容易扩散,AOD相对较低;风速小值区,即气流停滞区,水平扩散条件不好,污染物浓度容易升高,AOD相对较高。     

气溶胶质量浓度空间垂直分布的反演方法

用激光雷达反演气溶胶质量浓度的空间垂直分布是环境监测领域的重点研究内容之一.利用激光雷达测量得到的地面消光系数和振荡天平获得的地面质量浓度,建立起质量浓度与消光系数之间的关联,再通过消光系数的垂直分布反演质量浓度的垂直分布.基于这一思想,采用两种模型进行了拟合和相关性分析.实验表明用这两种模型反演的质量浓度空间分布相关性好,数据量级与实际相符,具有一定的可信度.模型易于实现,计算简单,可实现在线实时检测.     

星-地激光雷达联合观测合肥地区的气溶胶垂直分布

通过匹配星载CALIOP过境合肥时间,筛选Aerosol-lidar的观测数据,选取4个典型天气个例[沙尘天气、多云天气、中度污染(无云)、中度污染(有云)],对合肥地区的气溶胶进行联合观测,并对气溶胶的类型、气溶胶的变化、气溶胶污染的成因及来源进行分析。结果表明,多云天气下,星载激光雷达对底层气溶胶探测时会受到天气的影响,而地基激光雷达的探测效果较佳,可以通过定点连续观测距离的校正信号准确地反映气溶胶含量和变化特点。星-地激光雷达的联合观测可以更好地分析多种复杂天气的气溶胶变化。联合观测结果表明:轻度污染的沙尘型和受污染的浮尘型气溶胶主要集中在0.8~1.6 km高度范围内,退偏振比集中在0.18~0.20之间;多云天气的气溶胶主要为污染大陆型,集中在0.4~1.2 km高度范围内,其退偏振比在0.015~0.020之间,气溶胶含量很少且为具有球形粒子属性的细颗粒物;中度污染(无云)天气的气溶胶同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.3~1.3 km高度范围内,退偏振比在0.08以下,具有明显的球形粒子属性;中度污染(有云)天气的气溶胶也同时包含污染浮尘型和污染大陆型,主要集中在0.8~1.4 km高度范围内,退偏振比在0.075~0.100范围内,为粒径较小的球形粒子。     

便携式边界层气溶胶监测激光雷达

介绍了一种新型边界层气溶胶监测激光雷达的总体结构及各部分的功能,分析讨论了该激光雷达的几何重叠系数测量结果及北京丰台地区的外场实验结果,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,实验结果表明：水平大气气溶胶消光系数与BC质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性,该雷达性能优越,结果可靠。     

测污激光雷达探测气溶胶消光特性和?ngstr?m指数

为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测,采用污染气体探测激光雷达,以斜率法和Fernald方法,反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数,以及波长的?ngstr?m指数。结果表明,水平方向上,301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性;垂直方向上,301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同,?ngstr?m指数随着时间的推移有所变化,但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。     

差分光学吸收光谱技术监测气溶胶研究进展

差分光学吸收光谱技术(DOAS)经过三十多年的发展,已经广泛用于地基、空基和卫星平台的大气痕量气体观测。目前,DOAS技术在大气气溶胶光学厚度、消光系数、粒径分布、污染类型等监测领域得到了很大的发展,为大气环境监测、大气化学研究提供了新的手段和方法.在分别回顾主动DOAS技术监测近地面气溶胶以及被动DOAS技术反演垂直方向上气溶胶光学参数等研究的基础上,对DOAS技术监测气溶胶的研究领域技术发展提出新思路.     

北京奥运期间大气光学特征初步分析

以双波长三通道拉曼激光雷达对2008年北京奥运会期间大气状况进行了测量与分析,给出了奥运主场馆上空气溶胶消光系数、后向散射回波信号及波长消光比垂直分布及时空变化,计算了气溶胶消光散射比、光学厚度及Angstrom波长指数,结合地面监测数据分析了奥运期间典型天气间气溶胶光学特征的变化.结果表明,8～9日两天空气污染相对较重,主要为较大粒径粒子所致,降雨后气溶胶光学厚度有着明显的升高过程,出现较小粒径污染物的堆积.     

基于AERONET 的北京地区气溶胶光学特性分析

利用 AERONET 北京站点 2016 年 1 月-2018 年 12 月的数据产品, 分析了北京地区气溶胶光学厚度 (AOD)、 Angstrom ¨ 波长指数 α、粒径谱分布的季节特性; 同时选取典型污染天气条件下的数据, 分析了不同季节主控污染物的 类型, 并使用相应雷达比对比反演激光雷达消光结果。研究结果表明: 北京地区 AOD 季节变化特征明显, 主要表现为 春、夏季大, 秋、冬季小, 其中夏季 (0.83) 显著高于其他季节; α 表现出与 AOD 一致的变化规律, 春季最低 (α = 0.95), 表明北京春季受沙尘影响显著, 为主要污染物; 而夏季最大 (α = 1.23), 表明沙尘影响迅速减弱, 细粒子颗粒物占主导, 符合温带季风气候的特点; AOD 和 α 关系图中, 不同污染物分布特征存在差异, 可通过阈值法对污染物进行分类。此 外, 以两种典型污染情况为例, 使用不同雷达比反演激光雷达的消光系数的结果表明, 可以使用太阳光度计数据对反 演参数进行优化。