便携式边界层气溶胶监测激光雷达

介绍了一种新型边界层气溶胶监测激光雷达的总体结构及各部分的功能,分析讨论了该激光雷达的几何重叠系数测量结果及北京丰台地区的外场实验结果,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数与湿度、风速等气象条件的关系,实验结果表明：水平大气气溶胶消光系数与BC质量浓度、地面风速等近地气象因子均有较好的相关性,该雷达性能优越,结果可靠。     

激光雷达监测北京城区冬季边界层气溶胶

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,探讨了大气边界层内气溶胶消光系数时空分布的特点.实验结果表明:1)冬季北京城区气溶胶源多且变化快;2)北京城区气溶胶污染白天比晚上严重,中午达到顶峰;3)气象条件对气溶胶的扩散和分布影响很大.实验结论对北京城区的环境治理具有较高的参考价值.     

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。     

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。     

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。     

卫星遥感气溶胶光学厚度在北京2008年地面空气质量监测上的应用

利用卫星遥感地面空气质量是近年来随着空间遥感手段的进步而发展起来的一项新技术,如何利用卫星遥感的大气气溶胶光学厚度产品来定量评估地面空气质量是个难题.利用高分辨率的大气气溶胶光学厚度产品,经过垂直分布的订正和湿度影响的订正,分别得到地面气溶胶消光系数和地面"干"气溶胶消光系数.通过与地面PM10质量浓度的相关分析表明,地面气溶胶消光系数具有比大气气溶胶光学厚度更高的相关系数,而经过湿度订正的"干"气溶胶消光系数具有比前两者更高的相关系数.利用华北地区"干"气溶胶消光系数的分布评估了2008年夏季气溶胶变化情况,与往年同期相比,地面气溶胶消光季节平均下降约17%～20%,而华北平原其他城市和地区则没有显著变化,说明北京地区气溶胶浓度的下降与局地减排有直接关系.     

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。     

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。     

可见光波段气溶胶标高的实验研究

大气气溶胶对大气辐射和光传播具有重要影响,而标高是反映气溶胶高度分布特征的关键参量。利用连续光谱的太阳辐射计和前向散射能见度仪,测量了大气柱光学特性以及近地面层的大气水平消光系数,获得了可见光波段的大气气溶胶标高的变化特征：随着波长值的增加,气溶胶标高减小;对于实验当地的情况,一般冬季气溶胶标高要大于夏季的气溶胶标高。     

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。     

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。     

气溶胶质量浓度空间垂直分布的反演方法

用激光雷达反演气溶胶质量浓度的空间垂直分布是环境监测领域的重点研究内容之一.利用激光雷达测量得到的地面消光系数和振荡天平获得的地面质量浓度,建立起质量浓度与消光系数之间的关联,再通过消光系数的垂直分布反演质量浓度的垂直分布.基于这一思想,采用两种模型进行了拟合和相关性分析.实验表明用这两种模型反演的质量浓度空间分布相关性好,数据量级与实际相符,具有一定的可信度.模型易于实现,计算简单,可实现在线实时检测.     

内蒙古自治区一次沙尘过程的激光雷达分析

为了探究沙尘污染过程中高时空分辨率的结构特征, 利用相干多普勒测风激光雷达、地面观测站、中分辨率成像光谱仪, 结合卫星气溶胶光学厚度数据产品、欧洲中期天气预报中心第5代再分析资料(ERA5)以及混合单粒子拉格朗日积分轨道(HYSPLIT)后向轨迹模式, 分析了2019-10-27~2019-10-28内蒙古自治区锡林郭勒盟一次典型的沙尘天气过程。结果表明, 此次沙尘是受高空冷涡、蒙古气旋的共同影响, 配合冷锋在高温时段过境沙源地, 热力叠加动力条件有利于沙尘随西风扩散; 沙尘来临前后, 地表气温变化明显; 卫星产品、HYSPLIT模式结合雷达风廓线可以更准确地确定沙尘来源, 激光雷达反演的气溶胶消光系数可反映边界层大气中气溶胶的变化情况; 2019-10-28T02:00地面PM10的质量浓度达到最大值268μg/m3, 消光系数超过30km-1, 达到最大值, 雷达反演数据在时间上会有延迟; 城市下垫面使得沙尘污染快速减弱, 雷达所在的草地下垫面容易受垂直风切变影响产生持续性污染。该研究对应用相干多普勒测风激光雷达、认识沙尘的污染过程以及传输特性很有帮助。     

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%。     

复杂地形环境下基于CL-KA-STAP的低空风切变风速估计方法

针对机载气象雷达在复杂的地形环境下探测低空风切变时,地杂波呈现的非均匀特征导致难以准确获得杂波统计特性,进而影响杂波抑制效果,使得风切变风速估计不准的问题,该文提出一种色加载知识辅助STAP(CL-KA-STAP)的低空风切变风速估计方法。该方法首先构造降维联合时空变换矩阵,并对待检测距离单元的回波信号进行降维处理,然后将由数字高程模型(DEM)和国家土地覆盖数据库(NLCD)获取的先验知识融入到组合空时主通道自适应处理器(CMCAP)中,构造色加载系数优化函数求解色加载系数,最后构造滤波器,实现杂波自适应滤波并准确估计风速。后续仿真结果证明了所提方法的有效性。     

北京奥运期间工业污染源颗粒物输送通量的激光雷达监测

大气中悬浮的颗粒物是评价环境质量的重要指标,激光雷达是获得颗粒物时空分布的重要手段。近地面颗粒物消光系数与颗粒物质量浓度是相关的,利用震荡天平（TEOM）测量近地面的PM10质量浓度,与雷达测量的消光系数建立经验关系,推算PM10质量浓度的垂直分布。风廓线雷达给出了不同高度上风场的变化,可以计算不同高度上颗粒物向城区的输送通量,最终可以估算总的收支。使用激光雷达技术对北京重要工业污染源进行了长时间的连续监测,获取了颗粒物输送通量等多种参数,给出了连续监测结果。     

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。