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。     

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验,采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号,选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号,得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线,借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据,反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道,重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据,对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪,然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演,得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线;利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线,可以清晰看出气溶胶的分布特征,对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明对流层低空自由大气比较干净;对流层高空大气气溶胶消光系数在云影响下可达到6km~(-1),无云时气溶胶消光系数最大值一般为0.1km~(-1)左右,表明高空大气比较干净。     

差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征

差分吸收激光雷达是测量对流层臭氧时空分布的有力工具,利用差分吸收激光雷达在灰霾条件下开展观测研究,分析了臭氧浓度时空分布特征。结果表明:在夏季副热带高压大气天气条件下,受偏南风气团输送的影响,6月中旬形成一次高浓度的臭氧污染过程。6月14日夜间至6月15日中午离地面1.5~2km高度的臭氧气团浓度(即体积分数)高达1.2×10-7以上,下午臭氧气团出现下沉,从而引起当日下午近地面臭氧浓度的升高。在灰霾天气过程中,细颗粒物与臭氧分布在不同高度上具有不同的关联特征,地面颗粒物充分参与了光化学反应过程,而高空高浓度的颗粒物和臭氧气体则与输送有关。晴朗天气下的臭氧浓度在整个空间尺度上都有不同程度的下降,并且没有出现明显的外部输入气团。     

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。     

合肥地区夏季臭氧、温度、水汽、气溶胶、二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测量并分析其基本特性十分重要.多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比等多种大气参数.对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman激光雷达进行了对比,验证了L625激光雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征.     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。     

二氧化碳测量与对比分析

为了建立我国的大气模式和制定合适的大气环境保护政策,对大气参数(臭 氧浓度,相对湿度,气溶胶后向散射比,温度,二氧化碳浓度等)进行全面测 量并分析其基本特性十分重要。多功能性L625激光雷达能够分时测量大气中 的臭氧浓度、气溶胶消光系数、散射比、大气温度、二氧化碳混合比、水汽混合比 等多种大气参数。 对该激光雷达探测的大气参数和其他仪器包括卫星探测器 MLS、无线电探空仪、DWL激光雷达、Raman 激光雷达进行了对比,验证了L625激光 雷达探测结果的可靠性和有效性;并且对测量数据进行了分析,得出了夏季合肥地 区臭氧、气溶胶、水汽、温度、二氧化碳的基本特征。     

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。     

激光雷达探测反演PM2.5浓度的精度研究

给出了355nm激光雷达与布设在中国科学院大气物理研究所325m铁塔上的BAM-1020颗粒物监测仪对比观测实验的结果,通过2011年9月21日至10月21日一个月的对比实验发现,激光雷达探测的气溶胶消光系数与实测的PM2.5浓度之间存在较好的相关性。利用线性回归模型建立消光系数与颗粒物浓度之间的关系式,并通过铁塔实测的PM2.5浓度对该关系式在垂直高度上的反演精度进行研究。结果显示,在63,80,120,160m高度处雷达反演的PM2.5与实测值之间的相关系数分别为0.9447,0.9331,0.9284,0.9308,说明激光雷达能有效探测颗粒物的垂直分布状况。激光雷达探测将有利于研究污染物的空间分布状况和污染物跨界输送问题,并为区域大气联防联控制定政策和措施提供数据支持。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

基于1064nm米散射激光雷达的大气消光特性的研究

介绍了一台自行研制的1064nm微脉冲米散射激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理。给出了具体探测的实验结果,推算出系统的几何重叠因子,根据激光雷达方程的反演方法,得出了大气气溶胶消光系数随高度变化的垂直分布廓线图。该激光雷达系统在夜晚的探测高度可达5km左右。通过激光雷达系统的日夜连续监测,可得到消光系数随高度及时间变化的三维分布图,对于进一步研究大气气溶胶的浓度、分布、散射及吸收特性都具有重要的意义。     

北京2014年冬季边界层高度与颗粒物浓度的相关性研究

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征,2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天,污染天出现27天,干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km;PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 g/m3;PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 g/m3。研究结果表明:北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 gm-3/km,约为污染天（-114.8 gm-3/km）的两倍,干净天（-77.4 gm-3/km）的三倍;灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 gm-3/km,约为污染天（-117.6 gm-3/km）的两倍,干净天（-90.4 gm-3/km）的两倍。     

2005年夏季北京大气中碳黑气溶胶的观测研究

2005年8～9月在北京市丰台区站点通过碳黑测量仪(aethalometer)来连续实时观测碳黑气溶胶,获得了北京大气中每5min的碳黑气溶胶(BC)质量浓度。由这些实时数据分析可得到北京2005年夏季碳黑的日平均浓度为11．1±3．4μg·m~(-3),变化范围为3．7～16．7μg·m~(-3)。BC质量浓度与TEOM监测的PM10质量浓度和空气污染指数(API)的变化具有良好的一致性(相关系数分别为0．908和0．702),表明BC是可吸入颗粒物污染的重要组成部分。     

成都秋冬季气溶胶消光系数的非平稳性分析

基于对大气消光系数时间序列随机性的深入研究,利用成都市2015至2017年秋冬季的大气能见度、相对湿度(RH)、颗粒物(PM10和PM2.5)质量浓度和NO2含量监测数据,反演得到该区域相应时段的气溶胶消光系数时间序列.基于位置、尺度、形状的广义可加模型检测了气溶胶消光系数时间序列的平稳性,并对气溶胶消光系数序列进行了协变量分析.实验结果表明,成都秋冬季气溶胶消光系数时间序列均为非平稳序列,其均值和方差表现为非线性变化.细颗粒物(PM2.5)质量浓度、RH和气溶胶组分(PM2.5/PM10)均是气溶胶消光系数序列非平稳变化的显著协变量.其中,PM2.5为气溶胶消光系数序列非平稳性最主要的贡献因子,其次为RH,贡献最小的为PM2.5/PM10,且气溶胶消光系数的爆发式增长与PM2.5、RH和PM2.5/PM10的协同作用密切相关.     

激光雷达斜程探测的对流层气溶胶空间分布

介绍了一台以直接探测方式工作的用于大气气溶胶测量的小型Mie散射激光雷达系统.利用该系统对苏州城区上空的大气气溶胶进行了连续的斜程探测,并通过相应的数据处理方法,得到了气溶胶消光系数分布随时间的演变图.探测结果表明:在对流活动比较复杂的12 km以下高度范围内,气溶胶的消光系数分布极不稳定,不同日期乃至不同时刻都发生很大的变化.同是晴朗天气,气溶胶消光系数分布相差1个数量级左右.这些结果不仅全面直观地反映了大气空间气溶胶消光系数的垂直分布情况,而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势,对于实时的大气环境监测具有重要意义.     

北京城区奥运期间与其他时段激光雷达观测实例分析

为了研究北京城区在北京奥运会期间大气边界层变化特征及大气边界层内气溶胶的消光特性,2008年8月利用MPL激光雷达对北京城区的大气边界层进行了系统观测.反演出了测站地域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.同往年北京城区的雷达监测数据进行了系统的对比,并与设在北京南郊梨花村的清洁对照点数据进行了比较.观测数据表明:北京城区奥运期间大气边界层日变化趋势明显,呈早晚低、午间高的特点.大气边界层高度相对稳定,多分布在2.0 km下,平均值为0.79km.奥运期间气溶胶粒子浓度水平较往年有明显下降.观测点处气溶胶浓度水平每天呈周期性变化.     

扫描式气溶胶激光雷达研制与观测研究

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义,是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征,山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60J、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据,分析了不同天气条件下的大气水平能见度,验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据,利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数,并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明:扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度,通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。     

太原盆地霾日气溶胶垂直分布及气象要素分析

近年来,太原盆地气溶胶污染比较严重。为探讨太原盆地气溶胶垂直分布及气象要素的影响,本研究团队应用CALIOP气溶胶资料、地面观测站资料获得了太原盆地2018—2020年气溶胶消光系数的垂直分布;基于HYSPLIT后向轨迹和聚类分析方法,结合CALIOP气溶胶类型数据、NCEP/NCAR再分析资料、MICAPS高空和地面常规观测资料对太原盆地不同来源的气溶胶的垂直分布、类型及天气形势进行了探讨。结果表明:太原盆地霾日气溶胶消光系数的最大值为1.22 km-1,消光系数随着高度的增加而减小;晴日消光系数的最大值为0.33 km-1;新疆和内蒙古方向的气团对太原霾日的贡献最大(46%),其次为来自本地的污染气团(39%);太原盆地受西北或偏西气流的影响,同时在低层暖平流的控制下,易聚集污染沙尘型气溶胶;在静稳天气背景下,低层暖平流导致逆温层形成,地面弱气压区及弱风速区使污染物不易扩散,容易聚集污染沙尘型气溶胶和大陆污染型气溶胶;地面上,太原盆地处于高压底前部,地面风速较大,700～850 h Pa处的冷平流将高纬度的污染物输送至太原盆地,气溶胶以沙尘型气溶胶为主,气溶胶抬升高度较大。     

利用激光雷达探测潍坊市夏季臭氧分布特征

为了研究潍坊市夏季臭氧的分布特征，使用差分吸收激光雷达在潍坊市进行观测，分析了晴天和雨天臭氧分布的差别，并统计了无降水日臭氧的垂直分布和日变化特征。结果表明：降水发生前强烈的对流运动和大风会使对流臭氧层变厚，臭氧浓度变低；降水发生在一天中的不同时段，对臭氧污染的影响差异很大；无降水日对流臭氧层主要分布在1 500 m以下，呈现白天高、夜晚低的日变化特征，高浓度值常出现在12～18时；在垂直结构上呈现分层的特征，其中，300～500 m高度的臭氧浓度随着高度的增加而增大，且在500 m附近达到极大值，该高度和米散射激光雷达探测的边界层高度基本一致；1 500 m高度各个时段的臭氧浓度趋于一致，且自该高度往上臭氧无明显日变化特征，可将该层臭氧浓度作为臭氧预报的大气背景值。