基于米氏散射的氣溶膠激光雷達比研究

1氣溶膠分布的反演方法氣溶膠垂直分布的特點是該局的氣候和氣候條件非常重要。同時，氣溶膠的垂直分布變化往往是許多科學問題的定量化研究，包括氣候、云物理、衛星氣候、地球化學循環和相對濕度。空氣輻射強制性、土壤輻射預算和分層中心的研究包括氣溶膠的垂直分布信息。因此,對大氣氣溶膠消光系數垂直分布的高精度探測,對于全球氣候變化的研究有著重要意義。微脈沖激光雷達是測探氣溶膠垂直分布的主要手段,目前已建成全球微脈沖激光雷達探測網(MPLNET)。但在激光雷達探測氣溶膠垂直分布反演方法方面,尤其是白天高精度反演方法方面的研究還不夠成熟。主要表現在一個激光雷達探測方程中存在兩個未知量,即消光系數和后向散射系數,定量反演這兩個量必須有其他信息作為輔助[3~6]。若沒有輔助信息而使用激光雷達觀測數據精確地反演氣溶膠消光系數垂直分布,氣溶膠的消光系數和后向散射系數的比值,消光后向散射比[也稱為激光雷達比(LR)]是一個必需的參數。一般假設該參數為常數,將消光系數和后向散射系數這兩個未知參數轉化為一個未知量,從而達到求解的目的。由于LR是時間和空間的復雜函數,它不僅與氣溶膠粒子的尺度譜有關,還跟氣溶膠的組成有緊密關系,因此,可以通過反演不同區域氣溶膠的LR來分析氣溶膠的類型。有研究指出在氣溶膠消光系數的反演過程中,LR的誤差對結果的精確性有很大的影響,在氣溶膠的分布不均勻的情況下,這種影響更大。在不同的地理位置和氣象條件下反演消光系數時,必須準確地給出對應的LR。另一方面,由于LR與氣溶膠的分布類型有著密切的關系,可以通過獲得不同區域氣溶膠的LR并配合氣溶膠的Angstrom波長指數來分析氣溶膠的類型。目前得到LR的方法主要有兩大類:獨立測量法和聯合反演法。獨立測量分為多角度測量法、高光譜分辨率雷達法和拉曼雷達法,目前廣泛使用拉曼雷達法。聯合反演包括用衛星測得的光學厚度限制激光雷達測得的氣溶膠消光系數的垂直積分法和利用太陽光度計與激光雷達反演LR。考慮白天情況下拉曼雷達探測精度的限制,本文采取利用太陽光度計反演的方法對中國部分典型地區的LR進行反演與分析。2反演方法、數據和誤差分析2.1氣溶膠譜分布的反演算法激光雷達向大氣中發射的激光脈沖由于大氣分子和氣溶膠粒子的作用向空間各個方向散射,其后向散射部分被激光雷達接收系統接收用于分析氣溶膠粒子的物理和光學性質。設β是氣溶膠后向散射系數、σe是氣溶膠消光系數,則消光系數和后向散射系數的比值就是LR(單位:sr),用S表示,即單個氣溶膠粒子對光的散射與消光作用由其尺度參數x和復折射指數m決定,其中x=2πr/λ,r為粒子半徑,λ為光的波長。粒子系統整體光學特性由單個粒子光學特性按粒子譜分布集合決定:式中積分限rmin、rmax分別為粒子系統的最小和最大特征半徑,分別取0.01μm和15μm;Qe、Qπ分別為消光和后向散射效率因子,可利用復折射指數和粒子半徑根據米氏散射理論得到;為氣溶膠粒子數譜分布,N(r)為與氣溶膠半徑有關的氣溶膠個數。太陽光度計可以反演得到氣溶膠體積譜分布,可以表示為式中下標C,F分別代表氣溶膠監測網(AERONET)反演出的氣溶膠粗粒子模態和細粒子模態,δ為標準偏差,Cv為體積濃度,rv為體積中值半徑,V(r)為與氣溶膠半徑有關的氣溶膠體積。由氣溶膠體積譜分布ddV(lnrr)來反演氣溶膠數譜分布,兩者之間的關系可以表示為由(1)~(5)式可以算出LR。選擇計算550nm波段的LR,主要原因是國際氣象組織選擇550nm波段作為研究氣溶膠標準,且氣溶膠的Angstrom波長指數在550nm與532nm相差很少,LR的誤差可以忽略。Angstrom給出了氣溶膠光學厚度(AOD)與波長之間的關系式:式中τ(λ)為對應波段的AOD,k為Angstrom混濁系數,可以代表大氣中氣溶膠的濃度;α為Angstrom波長指數。(6)式代入不同波長且相除后取對數,即可計算出Angstrom波長指數α:對于計算Angstrom波長指數,選取的波段很重要,雷達常見波段532nm和1064nm反映出的信息量比較少。本文采用440nm和870nm波段來得到Angstrom波長指數。光學厚度是消光系數的積分,可得2.2aerenet站位數據的應用AERONET是全球布站的氣溶膠特性地基觀測網,它以法國CIMEL公司生產的全自動CE318太陽光度計為觀測儀器,該儀器掃描獲得的太陽直射輻射數據可以用于反演氣溶膠光學厚度、大氣可降水量等。當其進行天空掃描時,所獲得的數據可用于反演氣溶膠粒子譜分布、復折射指數及氣溶膠散射相函數。利用的AERONET站點數據是榆林(35.94°,104.13°)、北京(39.97°,116.38°)、壽縣(116.78°,32.56°)、太湖(31.42°,120.21°)共4個站點的Level2.0數據,分別利用了AERONET站點中的復折射指數、體積譜分布。榆林站點位于中國西部;北京位于中國東北部;壽縣位于中國中部;太湖位于中國南部,分別代表我國部分典型地區,見圖1。各站點有效數據的數量如表1所示。2.3qlc-ms/ms檢測calipso中的氣溶膠類型大氣氣溶膠激光雷達紅外探索衛星觀測系統(CALIPSO)的主要任務是研究大氣中的懸浮粒子-氣溶膠粒子和云的空間垂直分布及其光學特性。其中,正交偏振云-氣溶膠激光雷達是一臺對偏振敏感的雙波長激光雷達,532nm和1064nm兩種波長之間的后向散射信號差別可區分氣溶膠顆粒的尺寸,而532nm波長的正交偏振檢測可區分云的冰相和水相。CALIPSO作為世界上首個應用型的星載云和氣溶膠激光雷達,其觀測能力優異,可實現全球范圍內的大氣探測。因此,可利用CALIPSO探測數據分析全球范圍的大氣氣溶膠、沙塵、煙塵以及卷云等分布變化。CALIPSO得到的最終的LR可能是由以下3種方式中的一種產生:1)由分類算法提供的初始LR。2)由透射率法確定的LR。當大氣中出現適合的氣溶膠層,且氣溶膠層的上、下均為清潔大氣時,S可直接由CALIPSO的探測數據確定。3)查找表法獲取的LR。在絕大多數情況下,S的確定可以通過查找表法進行,根據激光雷達的觀測值和地表類型,就可以確定氣溶膠類型,一旦氣溶膠類型被識別,S的值也就確定了。S的選擇算法可以將誤差控制在30%以內。利用CALIPSO的LidarLevel2.0水平分辨率為5km的氣溶膠產品,選取4個站點水平100km范圍內的所有有效值進行平均得到該地區及其周邊的不同高度的氣溶膠LR,用于分析不同高度引起的太陽光度計反演得到的柱LR的誤差。2.4aerenet產品引起的誤差本文主要涉及到兩種誤差:AERONET站點觀測到的氣溶膠粒子譜分布和復折射指數的誤差所帶來的LR誤差;激光雷達在白天探測的高度h為5~8km,因此主要是利用中低層氣溶膠的LR,但AERONET站點產品計算得到的是整層氣溶膠的LR,這會引起一部分誤差。針對以上兩種誤差,分別進行分析。對AERONET產品引起的誤差,利用統計分析得到的標準差來表示。主要有兩個原因:LR的誤差很難通過一次測量得到;LR計算過程中涉及到米氏散射等非線性過程,這使得LR誤差不可能通過計算誤差傳遞的方式來得到。為了分析整層氣溶膠的LR在激光雷達反演中低層氣溶膠過程中所帶來的誤差,引入CALIPSO所得到的LR。統計分析站點附近不同高度的CALIPSOLR數據,統計結果見表2和圖2。表2中的統計結果顯示大部分的氣溶膠都集中在6km以下;由圖2可以看出若氣溶膠的高度在9km以下,則采用柱LR對不同高度消光系數反演所帶來的平均誤差小于12%。當氣溶膠高度大于9km時,柱LR對于中下層氣溶膠消光系數反演所帶來的誤差會相應增大,但由于高于9km的這部分氣溶膠較少,從而其引起的誤差增加很小。然而特殊條件下,氣溶膠的分層會使其誤差增大。總體來看,采用柱LR對于氣溶膠垂直消光系數的反演帶來的年平均誤差小于12%。3典型區域激光雷達比特征分析3.1氣溶膠lr和angstrom波長指數lr圖3為各地區氣溶膠LR季均值分布情況。根據各地區季均值看出,相同季節不同地區以及不同季節相同地區的LR差異較大。但是北京、壽縣和太湖在夏、秋和冬季的LR也相差不大,這說明站點在這3個季節內的總體氣溶膠類型都處于基本穩定狀態,與其他研究結果相同。春季與其他季節相比LR和Angstrom波長指數都較小,這很大程度上是因為春季中國受頻繁活動的沙塵天氣影響,使得大氣中積聚很多大粒子。從圖3看出,從北到南,榆林、北京、壽縣、太湖LR和Angstrom波長指數呈現增長的趨勢,而且兩者的趨勢基本相同。榆林地區氣溶膠LR相對波動較大,這是因為榆林地區四季氣溶膠變化較大。各地區數年LR和Angstrom波長指數季均值中春季最小;除榆林地區外,其他地區冬季、夏季和秋季較大且三者之間相差不大。整體來看,4個地區氣溶膠LR的峰值分布由高到低依次為壽縣、太湖、北京、榆林,總平均值分別為(56.8±11)sr、(54.7±14)sr、(48.6±14)sr、(36.3±15)sr;壽縣春、夏、秋、冬的均值為(39.6±1)sr、(61.4±7)sr、(57.4±8)sr、(55.1±14)sr;太湖春、夏、秋、冬的均值為(44.5±14)sr、(62.5±13)sr、(59.8±10)sr、(60.7±11)sr;北京春、夏、秋、冬的均值為(38.1±14)sr、(53.4±10)sr、(53.2±11)sr、(51.9±13)sr;榆林春、夏、秋、冬的均值為(24.1±10)sr、(46.9±12)sr、(46.4±9)sr、(36.3±14)sr。3.2其他年份的lr比較圖4是具有多年數據的榆林、北京和太湖地區LR的年均值分布。榆林和太湖地區LR的年均值變化不大。北京地區除2008年LR較低外,其他年份LR年均值也變化不大。2008年北京地區LR較低的主要原因是奧運會召開,北京及周邊地區的清潔能源的使用、機動車污染的控制和工業污染源的治理使得黑炭類氣溶膠(黑炭氣溶膠的LR較高)的排放較少。但是在2009年LR重新升高,但依舊比2008年之前要低。北京2008年氣溶膠LR較低說明了北京地區奧運期間的減排措施有較好的效果,改善了空氣質量狀況,對環境保護具有一定的積極作用。4氣溶膠及angstrom指數LR和Angstrom波長指數在一定程度上反映了氣溶膠類型,利用兩者可以分析出各地主要氣溶膠類型。根據氣溶膠LR和Angstrom波長指數把氣溶膠分為5類:生物質燃燒型氣溶膠、海洋型氣溶膠、沙塵型氣溶膠、城市氣溶膠和“亞洲型氣溶膠”。表3是5種類型氣溶膠的復折射指數和Angstrom指數經驗值范圍,括號內為高斯擬合標準差。圖5為各地區氣溶膠LR與Angstrom波長指數分布情況。4個站點均有大部分數據集中在亞洲型氣溶膠附近,這與北京站點在1,2月和6~12月的氣溶膠類型(主要為亞洲型氣溶膠)一致。各地區均有一部分數據分布在海洋型氣溶膠附近,這些站點距離海岸100km以外,海洋型氣溶膠對站點氣溶膠粗、細粒子的貢獻分別為10%~20%和2%~3%,因此這部分LR和Angstrom波長指數主要是由其他幾種氣溶膠混合產生的。從圖上看到有一部分數據不在這5種氣溶膠類型經驗值范圍內,這部分數據是幾種氣溶膠混合產生的現象。5大氣氣溶膠特性分析利用壽縣、太湖、北京、榆林4個AERONET站點數據計算了氣溶膠LR并對其進行分析,得到LR年季變化特征。相同季節不同地區以及相同地區不同季節的LR差異較大。所以在激光雷達觀測氣溶膠的實際應用中,僅僅選取一個固定的LR是不夠的,應該盡可能地利用其他技術手段分析大氣氣溶膠的種類和物理光學特性,從而得到更準確的LR。通過太陽光度計反演得到中國典型地區氣溶膠LR并給出了各地區不同季節可用數值,為該地區所代表區域微脈沖激光雷