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。     

基于光腔衰荡光谱技术的大气气溶胶消光性质研究

通过自主研发的基于光腔衰荡光谱技术的气溶胶消光仪,对昆山的大气气溶胶的消光性质进行观测试验,并研究了相对湿度对气溶胶消光系数的影响。观测结果表明：监测点的大气气溶胶消光系数较高,且日变化在早晨7点出现最高值,至下午17点达到最低值后开始回升,其主要是由气象条件及周边的强污染源的影响造成的。此外,气溶胶亲水特性实验表明,监测点的大气气溶胶多为污染海洋型,受周围环境的相对湿度的影响较大。该研究结果为后期结合气溶胶质谱等其它监测仪器对该地大气气溶胶性质进行进一步观测研究具有一定的指导意义。     

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。     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

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.     

新疆博斯腾湖地区气溶胶光学特性的观测分析

于2005年7月底至8月中旬在新疆博斯腾湖地区进行了一次野外遥感试验,其间利用法国CIMEL太阳辐射计对试验区的大气消光特性进行了测量.介绍了利用太阳辐射计对试验区气溶胶光学厚度的测量和分析原理,对测量数据进行处理研究,结果显示观测期间新疆博斯腾湖地区大气洁净,气溶胶光学厚度的日内和日间变化不大,550 nm处的气溶胶光学厚度一般为0.17;(A)ngstr(o)m波长指数α一般为1.19,与6S常用气溶胶模式中的大陆型比较接近;大气混浊度系数β一般为0.08.     

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.     

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。     

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。     

拉曼散射激光雷达反演平流层气溶胶消光系数廓线

介绍了位于南京北郊的拉曼散射激光雷达的基本结构,描述了使用拉曼散射激光雷达反演平流层大气气溶胶消光系数廓线的数据处理方法。重点研究了南京北郊2011-12-08与2011-12-09晚间平流层气溶胶观测数据,对拉曼散射激光雷达距离矫正信号进行4种不同阈值的小波去噪,选择出合适的阈值,然后利用反演原理公式,得到平流层大气气溶胶消光系数廓线,分析了平流层大气气溶胶消光系数的变化特征。     

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。     

利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法。首先，由能见度求出波长0.55 μm的大气消光系数，在减去大气分子的消光系数后得到0.55 μm气溶胶的消光系数，使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度；因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的，所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性。以1.06、1.536、3.75 μm为例，给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性，该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义。     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。     

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。     

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。     

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.     

宝鸡高新区冬季大气消光系数及其组成特征

为了解宝鸡市高新区气溶胶及气体的消光特性,利用宝鸡市高新区2018年1月浊度仪和 黑碳仪的逐时观测数据,以及同时段的PM2.5、NO2质量浓度和气象数据,分析了冬季大气 消光系数Bext、气溶胶散射系数Bsp、吸收系数Bap与气体吸收系数Bag的变化特征,并估算了气溶胶消光系数和气体消光系数对大气消光的贡献率。结果表明,宝鸡高新区Bext范围为200.63~948.87 Mm^-1, 均值为483.12 Mm^-1; Bsp范围为170.83~890.06 Mm^-1, 均值为444.11 Mm^-1; Bap范围为4.89~20.44 Mm^-1,均值为9.69 Mm^-1。 PM2.5与Bext、Bsp和Bap的相关系 数分别为0.952、0.950、0.572,说明宝鸡市高新区PM2.5对大气消光效应的影响不容忽视。 Bsp与相对湿度(RH)呈显著正相关,与能见度呈显著负相关。Bsp和 Bap均具有显著的双峰双谷型变化特征,这与宝鸡高新区早晚高峰、机动车运行 时间有关。黑碳(Black carbon, BC)质量浓度、Bsp和Bap随污染 等级增加而升高。整体分析表明,气溶胶消光系数占大气消光系数93.93%,其中散射 系数Bsp和吸收系数Bap分别占91.92%和2.01%,而气体消光系数 占总大气消光系数的6.07%。     

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。     

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。