基于Mie散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法

Mie散射激光雷达在探测气溶胶光学特性方面应用极其广泛,但在确定气溶胶消光系数边界值、后向散射消光对数比等方面缺乏精准性。基于Klett后向积分模型,提出了一种利用Mie散射激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。首先,通过构建非线性方程,利用Steffensen迭代法获得气溶胶消光系数边界值。其次,借助差分吸收激光雷达函数模型推导气溶胶后向散射消光对数比。最后,引入反馈系统,不断修正边界值,减小气溶胶消光系数反演的误差。实验结果表明,该算法能够更快速地获取消光系数边界值并反演出高精度的气溶胶消光系数,平均相对误差低于10 %,在气溶胶探测中应具有广阔的应用前景。     

单波长发射五通道接收激光雷达系统研制

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具,但它存在盲区和过渡区,且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数,这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统,克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测,气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上,分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明:该激光雷达系统数据可靠,探测范围较广。该系统的建立,为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。     

基于大气消光系数概率分布参数的湿度订正方法

大气消光系数湿度订正是气溶胶吸湿性研究的重要内容,也是利用卫星气溶胶光学厚度(AOD)产品反演近地面颗粒物质量浓度的关键技术环节.基于成都市2016年1月至12月的逐时PM2.5质量浓度、大气能见度、相对湿度(RH)观测数据,首先,深入探讨了大气消光系数与颗粒物质量浓度之间的统计关系及其对RH变化的响应特征,发现在RH小于90％时,单位质量大气消光系数均服从对数正态分布,并进一步指出该分布函数的形状参数和尺度参数均随RH的增加呈现出波动型增长.其次,以干燥环境条件下(RH小于等于40％)单位质量大气消光系数对数正态分布参数为基准,通过数学变换消除湿度变化对单位质量大气消光系数概率分布参数的影响,据此提出了大气消光系数湿度订正的原理和计算流程.最后,对该原理的适用性进行研究,结果表明,订正后大气消光系数反演得到的PM2.5质量浓度与实际PM2.5质量浓度相关系数为0.90,显著优于气溶胶散射吸湿增长因子法的湿度订正结果.     

激光雷达常数的测量研究

提出了一种新的激光雷达常数的确定方法.利用在大气气溶胶水平分布均匀的天气条件下,在无几何因子影响的区域通过激光雷达消光后向散射比和美国大气模式的数值计算得到激光雷达常数.理论上分析了误差来源,由激光雷达消光后向散射比引起最大的误差小于12.27%.最后根据测量信号计算得到本系统激光雷达常数为600668.2 sr·km3,其标准偏差小于13%.不同时刻的测量结果显示了很好的一致性,表明该方法是可行的.激光雷达常数的获取为评估激光系统以及激光雷达方程的参数反演带来的便利.     

利用共轴多角度系统研究大气气溶胶前向散射的角度分布特性

从Mie散射理论的公式分析中发现,大气气溶胶的消光和散射角有关.设计了一种共轴多角度探测系统,利用该系统研究了气溶胶的消光随角度变化呈现的特性.该系统在不同的散射角上,对气溶胶的消光系数进行测量,通过实验数据分析得出:前向散射角在30°～45°之间的气溶胶散射消光系数与散射光强成线性.     

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.     

苏州城区1064nm激光雷达大气消光特性的观测

利用1064nm激光雷达研究了苏州地区的大气消光特性,文中采用Klett方法反演了大 气气溶胶的消光系数,得到了随大气垂直高度逐步变化的消光系数分布。通过对苏州地区2004年夏季的观测表明:在相同高度上,云的消光系数值比晴天无云时的气溶胶消光系数值可大约3个数量级;苏州城区的大气边界层高度在0. 75km至2. 49km之间浮动,其均值为1.88km。平均边界层高度最大的月份出现在8月,均值达到2. 08km。     

基于多普勒激光雷达的2011年春季北京地区气溶胶探测实验分析

介绍多普勒激光雷达于2011年3月21日至4月19日期间在北京南郊进行的观测实验,利用Fernald方法对气溶胶消光系数进行了反演和重点分析。结合同一时段探空气球得到的数据,分析大气结构及其变化。观测数据表明：在晴朗无云并且大气较为清洁的条件下,气溶胶消光系数从低空向高空平缓递减;遇到多云天气,气溶胶消光系数会在云层处增大;另外,低空的气溶胶消光系数有较明显的日变化特征,早上相较于晚上要低些。实验期间,地面至10km的气溶胶平均光学厚度在0.52。     

最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号估算消光系数边界值

报道了一种使用最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号，计算消光系数边界值的算法。对于无云层天气条件，利用最小二乘法对回波信号全程拟合获得大气消光系数边界值，在有云层天气下，先将激光雷达信号在大气中的传输光路分解为云层区和非云层区，忽略回波信号中的云层信息，并假设在非云层区大气近似均匀，利用最小二乘法拟合获得大气消光系数边界值。最后利用消光系数边界值求解激光雷达方程，反演获得大气消光系数，实际计算证明，用此算法可获得与实际更为接近的大气消光系数反演结果。     

合肥地区背景大气气溶胶的偏振激光雷达测量研究

为了研究合肥地区背景大气气溶胶的后向散射特性和偏振特性,利用2007年1月至2009年2月期间无云晴天偏振激光雷达常规测量数据进行统计分析.结果表明:合肥地区对流层中、上部气溶胶散射比和大气退偏振比具有明显的季节变化,其均值春季最大、冬季次之、夏季再次、秋季最小;在春季由于非球形粒子增多,使得其结果明显偏大.数据分析结果为低对流层米散射激光雷达测量数据反演提供参数选取依据,并为特殊天气过程大气气溶胶结构层(沙尘层、污染层等)的深入研究提供有用资料.     

安徽省寿县气溶胶消光系数变化特征分析

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪, 在安徽省寿县观测站点进行了连续观测, 并对 2016 年 5 月至 12 月期间 该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律, 对比 了消光系数与 PM2.5 质量浓度、散射系数的相关性, 并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明: 寿 县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显, 且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较 为严重, 与其他季节相比, 污染天气的天数明显增多; 与清洁天气相比, 污染天气的消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射 系数显著增大。特别在冬季, 污染事件频繁。在 12 月份出现过重度污染天, 其 24 h PM2.5 平均浓度超过 150 µg·m−3 , 且该月消光系数和 PM2.5 质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间, 从日变化来看, 消光系 数、PM2.5 质量浓度及散射系数均是白天波动较大, 午后出现最低值; 其中消光系数最大值出现于清晨 08:00 左右, 最 小值则出现于下午 16:00 左右。此外, 消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与 PM2.5 质量浓度和散射系数的相关系数分 别为 0.91 和 0.83, 说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。     

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。     

脉冲腔衰荡技术探测气溶胶消光系数的研究

为了高灵敏度地测量气溶胶消光系数,采用高反射率腔镜以及脉冲腔衰荡的方法,搭建了气溶胶消光系数检测装置。对不同条件下的实际大气进行了测量,对实验结果进行了分析和研究,并与国内外研究成果进行比较。结果表明,由实验装置测量的腔衰荡时间大于40s,稳定性优于0.3%,探测灵敏度大于1.810-7m-1。高反射率腔镜及脉冲腔衰荡方法在研制高灵敏度气溶胶消光系数检测装置中具有较强的可行性。     

非线性方程法确定低空探测机载激光雷达消光系数边界值

提出了机载激光雷达进行低空探测时确定消光系数边界值的非线性方程法。首先根据机载激光雷达方程推导出消光系数边界值与机载激光雷达回波信号之间的函数关系,构建一个以消光系数边界值为变量的非线性方程。然后采用改进Jarratt法求此非线性方程的数值解,得到消光系数边界值。使用地基激光雷达真实回波信号数据模拟得到的机载激光雷达回波信号,进行了实验验证,并与斜坡法进行了比较。结果表明,本方法确定边界值的相对误差比斜坡法减小5.9%,由于其具有六阶的收敛特性,迭代次数仅为3次。该方法不需辅助测量设备,精度较高,收敛速度快,迭代次数少,具有良好的应用前景。     

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。     

利用激光雷达观测芜湖市上空气溶胶光学特性

利用Mie散射激光雷达对芜湖市上空的气溶胶光学特性进行观测研究,从观测数据中选取降雨和降雪天气的特例,通过计算反演得到了雨、雪天气前后气溶胶粒子的光学厚度、气溶胶粗粒子比例以及粒子数密度的变化情况,经分析得出雨、雪对气溶胶粒子具有一定的洗刷作用。从科学的角度验证了雨、雪是大气重要的自清洁过程,并初步得到了同等条件下,雪比雨对空气清洁能力更强的结论。     

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。