便携式双视场米散射激光雷达系统的研制

基于双视场设计的便携式米散射气溶胶激光雷达克服了传统米散射激光雷达盲区和过渡区大的缺点,实现了盲区和过渡区小于55 m的实际观测结果,这对近地面大气气溶胶的时空演变观测非常有效。详细介绍了该激光雷达样机系统的结构设计、技术参数,介绍了该双视场激光雷达双视场的信号拼接方法,既实现了远场的高信噪比探测,也保证了近场近乎零盲区的探测,可更加有效地应用于大气气溶胶的测量研究。通过与传统高能量的米散射气溶胶激光雷达平行比对,二者相关系数R~2=0.95,拟合的斜率为2.92,截距为0.011 a.u.,具有良好的一致性。通过对该激光雷达进行便携式小型化设计,可以方便可靠地将之集成于车载、机载等走航平台,实现对大气气溶胶的遥感测量。通过在线实验,表明该双视场激光雷达可有效应用于距地面10 km以内的大气气溶胶连续观测。     

基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统设计

设计了一种基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统。依据米散射激光雷达的原理,研究了激光光束与大气气溶胶的相互作用,设计并搭建了米散射激光雷达大气气溶胶检测实验平台,利用Zemax设计了一套具有滤波聚焦功能的光学望远系统。通过对光束进行扩束并利用可调谐式固定装置来增强回波信号强度。实验结果表明,设计的系统具有高的回波信号强度和低的杂散光干扰,能获得超高信噪比的激光回波信号。由此大大降低了后续算法的难度,使测得的气溶胶数据更加准确。     

基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法

传统的可视化软件与方法不能够准确地反映受大气湍流以及大气边界层影响的大气参数的细节信息,难以实现连续性的大气参数演变过程.提出了一种基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法.分析了激光雷达数据的离散型特点,确定影响大气激光雷达数据可视化图形的关键因素,利用一定大气范围内的观测数据相互影响的关系,结合三次样条插值函数对插值数据进行修正并拟合观测数据的整体变化趋势.实验结果表明,该方法能够提高离散激光雷达数据间插值数据的准确性与可视化图形的平滑性,为激光雷达数据分析提供了有力手段.     

广州中心城区冬季大气气溶胶消光特性观测研究

2013年12月利用广州市大气超级站气溶胶吸收系数、散射系数、污染物及气象观测数据,分析了广州冬季大气消光组成变化及其影响因子。观测期间,黑碳浓度均值为6．98±3．71μg／m^3,气溶胶吸收系数均值为60．04±30．72Mm^-1,气溶胶散射系数均值为363．51±182．18Mm^-1,单次散射反照率均值为0．85±0．04。在总消光系数中气溶胶吸收消光占13％,气溶胶散射消光占81％。气溶胶吸收系数与散射系数日变化均呈双峰结构,这与人类活动和气象条件的改变有关。通过最大频数拟合得到广州冬季气溶胶吸收系数和散射系数本底值分别为32．93Mm^-1和281．82Mm^-1。气溶胶散射系数和吸收系数与PM2.5质量浓度呈线性正相关,与大气能见度呈指数负相关。通过测量气溶胶消光和气体消光分量加和获得的消光系数与能见度仪消光系数变化趋势基本一致,降雨及较高相对湿度对能见度仪消光系数影响较大。     

基于微脉冲激光雷达与微波辐射计的过冷水云识别算法

在野外人工增雨作业中，对过冷水云的观测十分重要。文章实现了一种基于微脉冲激光雷达、微波辐射计等多种地基遥感观测手段复合的过冷水云观测识别算法。算法提出利用微波辐射计的红外云底高度观测数据，可以辅助激光雷达较好地区分云层与气溶胶层，获得更为可靠的云识别产品，进而基于激光雷达的粒子偏振信息和微波辐射计温度廓线识别出过冷水云，与毫米波雷达的同步观测结果进行比对，验证了算法的可靠性。     

CALIPSO星载激光雷达系统在全球气溶胶探测中的应用

气溶胶对于地球候系统具有非常重要的作用,气溶胶变化是气候预测不确定性的主要依据,CALIPSO是第一个提供全球气溶胶观测的星载激光雷达系统。文章阐述了星载激光雷达系统CALIPSO的结构和理论基础;介绍了利用其搭载的偏振激光雷达CALIOP对全球范围内的气溶胶进行探测的原理,并利用实测的2013年1月全球气溶胶信息,对全球气溶胶及光学厚度分布进行分析。结果表明,在冬季非洲中部、中东、印度、中国大陆地区是探测到的气溶胶密集区,由于工业活动的影响,平均光学厚度甚至达到0.4~0.6。     

基于激光云高仪的雾和霾监测研究

文章在分析激光云高仪观测原理的基础上,结合人工实验观测数据和激光云高仪的后向散射强度数据,提出两种处理激光云高仪后向散射强度数据的方法,即对数运算法和固定阈值分割法。利用这两种方法,使激光云高仪在实现云高检测的同时又凸显了在雾、霾和降水等不同天气条件下近地面大气气溶胶的光学特性。研究表明,利用激光云高仪后向散射强度初值大小、垂直变化趋势和其随时间变化情况,可以实现激光云高仪对雾、霾和降水等特殊天气的实时监测。     

激光雷达霸州地区气溶胶观测分析

文章选用位于霸州气象观测站的激光探测雷达观测数据,对数据进行校正和反演得到霸州地区上空的气溶胶光学厚度;选用整层大气数据对光学厚度夏季日变化的情况进行了分析;利用统计绘图法,根据波形变化对数据进行精细化分析,判断其为较大范围的雾霾,并利用能见度数据进行验证,找出污染发生的具体时间和高度,同时在分析随时间变化过程方面进行了一次尝试。     

面向WRF/Chem模式MOSAIC气溶胶方案的资料同化实现

大气化学模式是气溶胶污染分析和预报的重要工具,文章首先介绍了WRF/Chem模式及其气溶胶参数化方案,其中MOSAIC方案是兼顾计算开销和精确性的一种近年来应用较多的方案;然后阐述了Li等开发的面向MOSAIC方案的气溶胶资料同化系统,并将该系统的状态变量由5个扩展到8个,可同化PM2.5观测和对应于MOSAIC方案中8类气溶胶成分的观测;最后应用该同化系统做理想试验以检验其设计的合理性,结果表明该同化系统符合三维变分同化原理。     

微脉冲激光雷达反演气溶胶的水平分布

城市近地面气溶胶的分布随时空快速变化,常用的地基定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度,大致反映区域内气溶胶的分布情况。为确定气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况,利用微脉冲激光雷达(MPL)、粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度监测仪获得的气溶胶数据,根据Mie散射理论建立了气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数的数学模型,反演得到了水平路径上的气溶胶质量浓度分布。该方法可以以测量点为中心进行0~6km的360°的水平扫描,具有监测范围大、分辨率高的优点。最后开展了气溶胶水平分布的实际测量,获得了距离6km长的水平路径上近地面气溶胶质量浓度的实时分布。这为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化提供了有效的数据支持。     

基于宁波地区大气颗粒物监测激光雷达的一次灰霾过程分析

文章利用颗粒物激光雷达、空气污染物监测仪器及能见度仪等数据资料对奉化冬季12、1、2月的灰霾过程进行分析,选取2015-12-14～2015-12-16的1个典型灰霾发生个例,结合地面气象要素,分析了灰霾发生过程中相对湿度、能见度以及风速数据的变化,进而分析出灰霾发生的原因。同时利用颗粒物激光雷达数据对灰霾的时空分布特征进行解析,了解灰霾发展消散期间气溶胶在时间和空间上的分布特征,进一步了解灰霾的光学特性。     

大气环境观测超级站全面建成

2017年7月3日,中国科学院城市环境研究所位于厦门所区的大气环境观测超级站揭牌。超级站旨在综合利用多参数、立体、高时间分辨的大气环境观测装备,从化学、光学、谱学与模拟等技术角度开展大气复合污染观测研究,探索东亚季风控制区域与快速城市化区域大气污染物的迁移转化特征,揭示区域大气复合污染的过程与机制,阐明东南沿海区域臭氧及光化学污染规律,识别海陆交汇界面大气污染的来源与成因,从而为区域的大气污染调控与环境改善提供数据支撑。     

微波辐射计在降水过程中的应用

文章利用平和县气象观测站2018-08-04降水过程的地面观测资料,结合微波辐射计的探测数据进行了相关性研究。结果表明:QFW-6000型微波辐射计的探测资料能够较好地反映整层大气要素的分布情况及演变特征,探测参量在降水预报服务中具有重要指示意义。     

基于MATLAB的PMS航测数据处理方法的研究与实现

机载粒子测量系统PMS(Particle Measurement System)的探测资料是进行人工增雨科学研究的基础,因此对PMS探测资料进行分析和研究有着十分重要的意义。利用MATLAB设计了PMS的一维探头PCASP、FSSP以及云凝结核计数器CCN等资料的数据处理程序。利用该程序对2008-10-19气溶胶数据进行处理,得到了气溶胶微物理量的垂直、水平分布特征。研究发现,处理结果准确直观地反映了大气气溶胶的空间分布特征,符合大气物理学原理。最后对数据处理程序的效率进行了测试。结果表明,该方法完全满足研究人员分析处理PMS探测数据的需求。     

秸秆燃烧和沙尘对气溶胶光学特性的影响

利用多年积累的我国几个典型地区的太阳辐射计观测数据,反演了秸秆燃烧和沙尘日及其前后晴朗日的气溶胶光学厚度(AOD)和表征粒子尺度的ngstrm指数(α),并运用观测结果和反演数据对已知气溶胶源予以验证。对比分析了多个典型地区源自秸秆燃烧和沙尘的气溶胶光学特性,结果显示,秸秆燃烧和扬尘时AOD都大幅增加,而α在秸秆燃烧时比通常晴朗日增大,取值大于1.3;在扬尘时比通常晴朗日明显减小,取值小于0.5。另外,不同地区不同气溶胶源的AOD与α的关系明显不同。分析结果表明,α可作为秸秆燃烧和沙尘天气的一个标志参数,为生物燃烧性有机碳黑气溶胶光学特性的检测方法提供依据,也可为分析我国西北城市地区受周边沙漠的影响程度提供有益参考。     

中国部分典型地区气溶胶光学特性观测

利用DTF型太阳光度计在我国几个典型城市地区较长期观测得到的资料,分析了不同地区气溶胶光学厚度日变化和季节变化特征,得到了各地区观测期间日均值、月均值和季节值的变化.结果显示,观测期间丽江地区气溶胶光学厚度最小,大气较洁净,大气中以细粒子为主;其次是张北;喀什和合肥地区气溶胶光学厚度都较大,但喀什、张北多以粗粒子为主,合肥多以细粒子为主.各地区都在春季气溶胶光学厚度较大,冬季最小.喀什的气溶胶光学厚度值多集中在0.15到0.7之间,张北多集中在0.08到0.4之间,合肥多集中在0.2到0.75之间,丽江多集中在0.01到0.1之间.各地区气溶胶光学厚度和(A)ngstr(o)m波长指数频率分布基本呈高斯分布,气溶胶光学厚度峰值分布由高到低依次为合肥、喀什、张北、丽江,(A)ngstr(o)m波长指数由高到低依次为丽江、合肥、张北、喀什.     

空气负离子观测数据质量控制方法研究

文章基于仪器对比观测试验、数据敏感性分析试验以及浙江省53个负氧离子监测站的观测数据,分析了负氧离子观测中出现异常数据的原因,制定了空气负氧离子数据质量控制规则及相关指标。结果表明:雷电、高湿、重污染等天气过程以及观测仪器性能不稳定和外部环境干扰均会引起负氧离子观测数据异常;使用界限值检查、跳变值检查、空气湿度检查和正负离子比值检查等质控规则及相关指标,对负氧离子观测数据进行质量控制,可有效剔除观测数据异常值,最大可能地保障观测数据的科学合理性。     

地基遥感大气温湿风垂直廓线观测方法综述

大气温度、湿度和风作为大气热力和动力状态的基本参数被广泛应用于数值天气预报和气候变化模型中。文章以温度、湿度和风3个要素的测量为研究对象,综合讨论了目前遥感测量中的常用方法,重点分析了3类地基遥感观测系统(风廓线仪、微波辐射计、激光雷达)的观测方法、发展现状及和其他同类设备相比的技术优势和问题,并对如何提高大气垂直廓线的测量精度做出了展望。     

离子色谱法测定大气气溶胶中的可溶性离子

以新疆天山乌鲁木齐河源1号冰川上采集的大气气溶胶样品为例，就滤膜选取、样品采集、提取方法、分析技术、污染防范等方面进行了介绍，给出了离子色谱法分析中的检测限和不确定值。这种方法和技术同样适用于测定其它偏远高山地区和极地地区大气气溶胶中的可溶性成分。     

机载大气温度观测飞行试验研究

用飞机进行高空气象探测,是提升高空气象资料时空分辨力的重要手段。文章根据运-12人工影响天气飞机(简称人影飞机)开展空中温度探测的数据,提出了利用飞行高度结合对地航速和三维空间位置判定飞机飞行状态的方法;提出了基于时空相关性的温度观测数据分析方法。分析结果表明,机载大气温度观测飞行试验获取的两个垂直温度廓线与一定高度上的水平温度廓线具有良好的一致性。