北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测,研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处,并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果,表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关,从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比,结果与第一种方案一致,表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测,分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程,将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较,并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

北京地区大气气溶胶的激光雷达观测及反演算法研究

利用微脉冲激光雷达在北京地区的观测, 研究两种避开利用高空信号的反演算法。算法一,根据Fernald的反演算法把边界取在混合层中间某处, 并结合太阳光度计的观测进行反演。通过激光雷达与同一地点自动气象站的地面观测比较验证了反演结果, 表明该方案用于激光雷达的气溶胶消光系数反演是可行的。算法二,由于激光雷达近端处的信号和地面气溶胶消光系数线性相关, 从而利用地面气溶胶观测数据反演雷达常数和观测期间气溶胶平均后向散射比, 结果与第一种方案一致, 表明利用该方法反演是可行的。最后利用这次激光雷达的观测, 分析北京地区冬季一次西伯利亚高压过境时的气溶胶演变过程, 将激光雷达观测与南郊观测站地面观测进行比较, 并验证了激光雷达的反演结果和算法的可靠性。     

基于CALIOP数据的气溶胶光学厚度反演研究

星载激光雷达在大气气溶胶探测上具有观测范围大、精度高以及连续测量等优点,对于大气污染监测和气候变化研究具有重要意义.以星载激光雷达CALIOP L1b数据为基础,利用Fernald近端分析法反演了整层大气柱上气溶胶消光系数及其光学厚度.选择武汉市为试验区域,计算了2007年8月至12月期间武汉上空的气溶胶光学厚度,与地面光度计的实测数据比较表明,CALIOP反演的AOD精度较高.     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据, 通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系, 利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计, 并进行湿度订正; 通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系, 进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明, 卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86 (PM2.5)和0.59~0.78 (PM10), 估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34 g/m³ (PM2.5)和24.64~91.64 g/m³ (PM10), 表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品, 因其更高的空间分辨率, 更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

利用激光雷达和卫星遥感获得城市地面大气悬浮颗粒物浓度分布

使用香港元朗地区2008年MODIS卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)产品、激光雷达气溶胶消光系数垂直分布、地面相对湿度和地面气溶胶浓度观测资料等数据,通过激光雷达数据建立地面消光系数和激光雷达AOD与气溶胶标高的关系,利用这一关系和卫星AOD进行地面消光系数的反演估计,并进行湿度订正;通过建立地面气溶胶浓度和地面消光系数的关系,进行卫星AOD产品和激光雷达气溶胶探测反演地面大气颗粒物质量浓度的研究及应用。结果表明,卫星估计的地面消光系数与小时平均的颗粒物质量浓度观测值的相关系数为0.57~0.86(PM2.5)和0.59~0.78(PM10),估计的质量浓度与小时平均的观测值对比的均方根偏差分别为11.64~25.34μg/m3(PM2.5)和24.64~91.64μg/m3(PM10),表明可以通过卫星遥感进行大气悬浮颗粒物污染的监测应用。其中1 km分辨率的AOD产品,因其更高的空间分辨率,更适合反映具有复杂地形的城市地区大气悬浮颗粒物污染。     

甘肃半干旱区城乡气溶胶光学特性的观测与分析

利用CE318型太阳光度计(532nm波段)在2004年5月-2007年5月的城乡观测资料,反演分析了半干旱地区城乡气溶胶的光学特征.得到了气溶胶光学厚度(AOD)的年季变化,并对不同季节气溶胶的光学厚度以及波长指数的变化规律进行了讨论.结合兰州市郊区资料,对城郊大气气溶胶光学特征进行了对比及原因分析.认为较城市而言,半干旱区乡村大气总体上较城市更为洁净.城市气溶胶受到冬季采暖期等人为因素的影响,出现了AOD冬季大、夏季小的特点.气溶胶主要以工业粉尘和沙尘气溶胶为主,夜间逆温层对AOD的日变化影响较大.乡村春季沙尘天气较多,气溶胶浓度变化受季节的影响,春季AOD最大.气溶胶主控粒子多为沙尘粒子.     

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布. 结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.      

地基离轴拉曼-米激光雷达几何因子校正

提出一种提高地基离轴拉曼-米激光雷达系统几何因子校准精度的纯气溶胶校正算法.理论分析了算法的解析表达式和误差影响因素,并与Raman-Klett迭代校正算法进行了对比分析.实验表明算法对激光雷达比估计误差具有不敏感特性.同时讨论了算法得到的几何因子廓线对反演气溶胶消光系数的影响,结果表明在同等激光雷达比估计误差下,纯气溶胶校正算法比Raman-Klett迭代校正算法反演得到的几何因子廓线精度高约2倍以上,并能更好地体现与人类活动密切相关的近地面气溶胶分布情况.      

南宁地区一次典型灰霾过程气溶胶光学特性的地基观测

基于太阳辐射光度计和微脉冲激光雷达,对南宁地区2014年10月发生的1次典型灰霾天气进行了连续观测.气溶胶光学厚度(AOD)在灰霾污染事件期间(1.23±0.19,440nm波段)显著上升,是消散期(0.57±0.14)及发生发展期(0.98±0.25)的2.2倍和1.3倍.灰霾期间同步上升的ngstrm指数表明细颗粒物的消光贡献上升.灰霾天气期间气溶胶粒径谱均呈现双峰分布,严重灰霾期间的细模态体积浓度峰值(0.23μm3/μm2)高于发生发展阶段(0.15μm3/μm2)和消散阶段(0.08μm3/μm2),表明灰霾气溶胶中细颗粒物占主导.激光雷达反演得到灰霾发生发展期、严重期、消散期的日平均边界层高度分别为430±105,375±97m和710±240m,对应近地消光系数分别为0.14,0.27km-1和0.05km-1.严重灰霾期间的最大消光系数出现在凌晨(0.36km-1),对应较差的污染物扩散(气象)条件以及近地面颗粒物的累积.     

在特定环境中气溶胶组分光学特性的分析

基于Mie散射的OPAC软件包,分析了在激光雷达探测气溶胶时的3种特定环境(大陆洁净、大陆污染、海上污染)下各种气溶胶组分对光学特性(消光系数、散射系数、吸收系数、激光雷达比)的影响,对比了在550、1 000 nm这2个波长下的变化规律.研究结果表明:在550、1 000 nm这2个波长下不同环境中气溶胶组分的消光系数、散射系数随水滴数浓度的增加均呈线性递增,大陆洁净型和大陆污染型气溶胶环境的吸收系数变化均比较缓慢.在海上污染型气溶胶环境中,当气溶胶组分为积聚模态海盐和粗模态海盐时,水滴数浓度的变化率为0,这表明在这2种气溶胶组分环境下,吸收系数不随水滴数浓度的变化而变化; 激光雷达比受雷达波长和气溶胶环境组分2个因素的影响,该值在大陆污染型气溶胶环境下的变化最为明显,在水溶性和非水溶性组分下大幅递减,而在煤烟组分下大幅递增.     

基于BRDF订正的兰州地区春季气溶胶光学厚度反演实验

利用6S模式反演并分析兰州地区春季气溶胶光学厚度(AOD)分布情况,探讨了双向反射分布(BRDF)对气溶胶光学厚度反演结果的影响.结果表明:兰州地区2010年春季气溶胶光学厚度高值中心位于西工业区和城关区,最大值分别为0.46和0.31.不考虑BRDF时水面上空气溶胶光学厚度反演结果存在明显误差,经Walthall BRDF订正后,水面上空误差明显减小,说明经过Walthall BRDF订正后的6S模式适用于水面上空的气溶胶光学厚度反演.兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)站点(35.57°N,104.08°E)反演值和实测值比较表明,在无云晴天条件下,选用Walthall BRDF模式可以提高AOD反演精度.     

基于车载雷达的安平县颗粒物的走航与固定监测

研究了大气颗粒物激光雷达在区域大尺度的测量方面的优势及主要的观测方式,探讨了激光雷达的测量原理及两种常用的气溶胶消光系数反演方法.利用激光雷达辅助车载颗粒物监测仪组成的移动观测系统,以安平县为研究区域,通过走航式与固定垂直相结合的监测方式,获取了2017年9月15日-9日20日安平县的雷达数据.固定检测结果显示,15日晚上十点左右外来污染物开始输入,16日下午2点左右外来污染物与本地污染物叠加达到峰值,16日下午2点以后颗粒物浓度慢慢下降,这与环保部呈现的先升后降的空气质量趋势相一致.根据走航区域粒子后向轨迹追踪图结合当时的气象条件分析了污染物的输运,并进一步预测了安平县未来4天颗粒物、臭氧浓度的变化趋势.     

基于OPAC的典型环境中气溶胶组分的光学特性分析

利用基于Mie散射理论的云和气溶胶粒子的光学特性软件(OPAC)在不同激光雷达探测波段对一般大陆(典型气溶胶组分:水溶性、不溶性和烟尘气溶胶)、沙漠(典型气溶胶组分:水溶性、核模态矿物、积聚模态矿物和粗模态矿物气溶胶)和洁净海洋(典型气溶胶组分:水溶性、积聚模态海盐和粗模态海盐)3种环境下的气溶胶光学参数(散射系数、光学厚度和激光雷达比)进行了仿真研究,分析了各环境中光学参数随气溶胶组分数浓度的变化规律以及各组分对光学特性的影响.结果表明消光系数和光学厚度在不同激光波段、不同环境下均随组分数浓度线性递增,在上述环境中对消光系数和光学厚度影响最大的组分依次为水溶性气溶胶、积聚模态矿物气溶胶和积聚模态海盐气溶胶.激光雷达比变化规律十分复杂,受探测波长及气溶胶组分的双重影响,一般大陆环境中非水溶性气溶胶在2个波段上的影响占主导地位;沙漠环境中,不同波段上积聚模态矿物气溶胶对激光雷达比的影响最大;洁净海洋环境中,积聚模态海盐气溶胶对激光雷达比的影响最强.     

基于两天MODIS数据的气溶胶光学厚度反演

气溶胶光学厚度(AOD)的反演对研究大气污染和人类活动的环境影响具有重要意义.利用连续两天的Terra/MODIS影像,依据0.47、0.55、0.66、0.86μm 4个通道的表观反射率与AOD在大气辐射传输中的关系,构造闭合的非线性方程组,通过求解方程组反演得到两天的AOD值,并与MODIS业务化的AOD数据及AERONET地基太阳光度计观测值进行对比.发现该算法的反演结果与地基观测值的相对误差在30%以内,同时也对反演的气溶胶波长指数及浊度系数等和地基观测情况进行了对比与讨论,证实反演结果与地基观测具有较好的一致性.这种基于两天MODIS数据的气溶胶反演是利用多幅卫星影像来反演气溶胶光学厚度的一次有效尝试,反演得到AOD值对环境污染监测有效补充.     

Raman-Mie激光雷达探测西安地区夏季气溶胶光学特性

采用Raman-Mie激光雷达探测了西安地区夏季气溶胶的光学特性,分析了消光系数、后向散射系数和雷达比在不同天气条件下的变化规律。实验结果表明,强降雨后,气溶胶消光系数在2~5km范围内递减,并在5km以上趋于稳定;相对于降雨前,降雨后低层气溶胶消光系数明显增大,而3km以上高度范围内雷达比减小。这可能是由雨后气溶胶沉降、底层水汽密度增加所引起的。统计结果表明,晴天无云时,2~3km范围内气溶胶的消光系数和雷达比均比较稳定,消光系数在0.2~0.3km-1之间,雷达比的平均值约为50sr;3~5km范围内消光系数和雷达比均随高度递减;5~8km范围内,消光系数和雷达比逐渐趋于稳定,消光系数和雷达比的平均值分别约为0.05km-1和20sr,表明此范围内仍有微量的气溶胶粒子存在。实验期间,水云的雷达比约为17sr。     

拉曼-米激光雷达污染环境下气溶胶散射系数反演

提出一种针对雾霾等大气污染环境下近地面区域气溶胶后向散射系数的修正反演方法.针对大气污染环境下近地面气溶胶含量激增导致弹性信号强度超过激光雷达抑制比而引发弹性信号泄漏,进而造成转动拉曼信号发生畸变,提出一种拉曼回波信号修正方法;同时考虑了大气温度对大气分子散射应用于气溶胶反演的影响.实验表明,相比经典Raman-Mie气溶胶反演方法,修正算法反演近地面稳定气溶胶层内气溶胶后向散射系数精度可提高约20%,有助于改善拉曼-米雷达在污染环境下的总体探测性能.      

南宁地区气溶胶光学特性的季节特征

运用CE318太阳光度计对南宁地区气溶胶光学特性的季节变化特征进行了观测.反演得到气溶胶光学厚度(AOD500nm)季节分布:冬季(0.98)春季(0.77)秋季(0.75)夏季(0.47);ngstrm波长指数从大到小依次为冬季(1.33)夏季(1.30)秋季(1.15)春季(0.95);气溶胶粗模态上的体积数浓度:春季冬季秋季夏季,对应细模态的体积数浓度由大到小依次为:冬季秋季夏季春季;单次散射反照比(以440nm为例)在夏季(0.98)最高,散射光学厚度在冬季有极大值.由微脉冲激光雷达得到平均垂直消光系数大小依次为:冬季(0.15)秋季(0.14)春季(0.13)夏季(0.08).根据地基观测结果分析了南宁地区气溶胶的季节类型,存在冬季(12、1、2月)的霾/混合气溶胶、春季(3~5月)的沙尘气溶胶、初夏(6月)的生物质气溶胶、夏季的背景气溶胶,以及秋季城市/工业气溶胶;进一步对比分析了地基、卫星(MODIS)遥感反演的AOD参数(137个样本),75%样本在误差范围内,MODIS总体上呈现污染天低估的特征(20%);干净天则多为高估结果,最高的误差频率出现在0~0.1区间.     

MODIS资料遥感黄土高原半干旱地区气溶胶光学厚度

借助6S辐射传输模式,模拟了MODIS红、蓝、中红外通道的表观反射率在不同气溶胶类型下对地表反射率和气溶胶光学厚度的敏感性试验.利用Kaufman扩展的暗像元方法反演了黄土高原半干旱地区晴空天气条件下的2.5 km高分辨率气溶胶光学厚度,选取的10天反演结果有6天的相对误差较小,在16%以下,绝对误差小于0.05的有7天.反演的10天资料中,兰州大学半干旱气候与环境观测站与之对应的CE-318观测资料的光学厚度平均值为0.2226,反演的平均值为0.2170,反演结果较合理.将反演结果与CE-318观测资料和NASA发布的气溶胶产品进行了对比,显示反演结果与NASA发布结果的空间发布存在一致性.     

激光雷达测量数据的两种计算方法比较

利用轻便型扫描式的米散射激光雷达对香港地区的大气气溶胶分布进行了测量。该激光雷达可以在10min内,以120°倾角对大气进行扫描,扫描高度为1～4km。用2种计算方法对激光雷达测得的数据进行了分析,分别利用前向法和后向法计算了大气气溶胶的消光系数对高度的变化情况,并把计算结果与理想情况进行了比较,分析后认为后向法更为稳定。     

黄土高原半干旱地区气溶胶特性

利用2006年8月～2007年7月兰州大学半干旱气候与环境观测站CE-318数据产品,对气溶胶光学厚度,大气可降水量及Angstrom波长指数的日变化及季节变化特征进行了分析.同时分析了常规温压湿资料、PW及Angstrom波长指数与气溶胶光学厚度的关系.对CE-318反演得到的PW与微波辐射计由神经网络算法得到的水汽总量进行了相关性分析,认为二者对水汽总量测量能力相当.