MPL反演南京北郊氣溶膠光學厚度準確度的研究

石玉立，楊豐愷，曹念文

(1.南京信息工程大學 遙感學院 遙感系，南京 210044；2.南京信息工程大學 大氣物理學院 大氣探測系，南京 210044)

文章編號：1001-3806(2015)03-0372-05

MPL反演南京北郊氣溶膠光學厚度準確度的研究

石玉立1，楊豐愷1，曹念文2

(1.南京信息工程大學 遙感學院 遙感系，南京 210044；2.南京信息工程大學 大氣物理學院 大氣探測系，南京 210044)

摘要：微脈沖激光雷達是探測氣溶膠的有效工具。為了驗證探測的準確度，對一臺微脈沖激光雷達觀測數據采用Fernald算法進行反演，得到了南京北郊上空的氣溶膠光學厚度，并將反演結果同太陽光度計觀測數據、喇曼-瑞利-米雷達觀測數據和中分辨率成像光譜儀的標準氣溶膠產品進行了比較。結果表明,它們之間具有一定相關性。微脈沖激光雷達是反演氣溶膠光學厚度的有效手段，可以用于其它觀測手段的地面驗證。

關鍵詞：大氣光學；微脈沖激光雷達；氣溶膠光學厚度；南京北郊

中圖分類號：TN958.98

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.020

Study on inversion accuracy of aerosol optical depth with

micropulse lidar in northern suburb of Nanjing

SHIYuli1,YANGFengkai1,CAONianwen2

(1.Department of Remote Sensing, School of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044, China; 2. Department of Atmospheric Sounding, School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract：Micropulse lidar (MPL) is an effective tool for aerosol detection. To verify the accuracy of detection, MPL was used to calculate the aerosol optical depth (AOD) in the northern suburb of Nanjing with the Fernald inversion method. The inversion results were compared with those obtained with a sun-photometer，a Raman-Rayleigh-Mie lidar and a standard aerosol detection instrument (a moderate-resolution imaging spectroradiometer). The results show good correlation among them. The MPL is useful for AOD inversion and can be used to verify other measurement data effectively.

Key words:atmospheric optics；micropulse lidar；aerosol optical depth；northern suburb of Nanjing

E-mail:ylshi.nuist@gmail.com

引言

南京地處長江三角洲地區(qū)，這一區(qū)域是我國的經濟核心地帶，城市密集、人口眾多、工業(yè)發(fā)達。大量工業(yè)燃燒以及秸稈焚燒產生的黑碳、硫酸鹽等不同化學成分氣溶膠顆粒，大量排放的汽車尾氣，北方來襲的沙塵等使得該區(qū)域空氣污染非常嚴重。統(tǒng)計結果顯示，2012年,南京有8個月霾日數過半，2013年南京霾日出現的天數更是高達242天?？梢哉f灰霾、霧的存在成為南京地區(qū)天氣的一大特點，極大影響了人們的交通出行和身體健康，因此，對該區(qū)域進行氣溶膠光學特性遙感具有重要的意義。

傳統(tǒng)地基遙感以及環(huán)境監(jiān)測手段往往難以連續(xù)、精確地獲取大氣成分垂直分布情況，衛(wèi)星遙感手段可方便獲得大范圍氣溶膠信息，但是精度受到很大限制。激光雷達作為一種具有高時空分辨率和高探測高度、能連續(xù)監(jiān)測大氣變化的主動遙感設備，可以有效探測氣溶膠光學特性垂直廓線。微脈沖激光雷達(micro-pulse lidar,MPL)由于體積小易攜帶、造價低廉、雷達輻射小對人眼來說更安全、可實現連續(xù)不間斷觀測等諸多優(yōu)點，得到越來越廣泛的應用[1]。美國國家航空航天局已經布設了微脈沖激光雷達雷達觀測網(micropulse lidar network,MPLNET)，可全天候、長時間地觀測氣溶膠和云，其結果可用來反演云高、云的厚度及垂直結構、氣溶膠光學特性和垂直分布等，對氣候變化研究和衛(wèi)星資料驗證提供重要幫助[2]。LIU等人利用微脈沖激光雷達在西藏那曲和北京郊區(qū)測量并分析了大氣氣溶膠的分布特性，給出了兩測量站點上空大氣對流層氣溶膠消光系數的垂直分布，表明微脈沖激光雷達是大氣氣溶膠的一種高效的探測工具[3]。

1微脈沖激光雷達系統(tǒng)

本文中使用的微脈沖激光雷達位于南京信息工程大學綜合觀測基地(118.7°E, 32.2°N)，型號為Sigma MPL-4B，置于恒溫條件下工作。雷達主要由激光器、信號接收裝置、數據采集系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)結構如圖1所示,主要系統(tǒng)參量見表1。

Fig.1　MPL system structure

instrumentconfigurationvaluelaseremissionwavelength527nmoptimallaseroutputrange(6~8)μJlaserrepetitionrate2500Hztelescopediameter200mmfieldofview(90~100)μradrangeresolution15m,30m,75m

MPL開始工作后，分成同偏振和交叉偏振兩個通道同時進行，通過調節(jié)采樣時間和采樣分辨率來提高雷達數據的信噪比，望遠鏡接收到的回波信號經過濾波后由光子計數卡采集后存儲在連接的計算機中。

MPL發(fā)射接收系統(tǒng)為一體結構，采集到的數據需要經過延時校正、寄生脈沖校正、幾何重疊因子校正和去背景噪聲處理。探測器延時的產生是因為計數速率很快，部分有限寬度的單光子會發(fā)生雪崩事件導致探測器飽，設延時校正函數值約為1。寄生脈沖是激光

在雷達內部光學器件如光纖、望遠鏡等設備中傳輸時產生的噪聲造成的，雖然在近地表，駐留脈沖噪聲比正常雷達回波能量小幾個量級，但在高空位置上它的影響不容忽視，可以通過實驗來獲得寄生脈沖函數。背景噪聲區(qū)選擇在30km以上的高層大氣，認為此時分子和氣溶膠散射信號幾乎不存在。以上校正均可在微脈沖雷達系統(tǒng)軟件中設置進行。

2氣溶膠光學厚度反演

米激光雷達有效探測范圍一般在6km以下，在這一范圍內分子相比于氣溶膠，對消光的影響很小可忽略。MPL的有效探測高度一般可達到12km，此時進行消光系數反演需要考慮到高層大氣中分子對消光的影響，反演采用Fernald方法[4]，反演消光系數時分開考慮分子和氣溶膠的貢獻，此時激光雷達方程為:

(1)

(2)

式中,X(r)為距離平方校正信號，氣溶膠消光后向散射比一般在20~70之間，具體到南京北郊,實際計算時取50[5]。使用2011-01-15T13:00的1組觀測數據進行反演，得到消光系數如圖2所示，可以看到2km處有氣溶膠存在。

將微脈沖激光雷達反演得到的消光系數σ(z)進行積分得到氣溶膠光學厚度(aerosol optical depth,AOD)τ，公式如下：

Fig.2　Extinction coefficients by MPL inversion on 2011-01-15T13:00

考慮到在4km的高度以上，氣溶膠對消光的貢獻極其微弱，可以忽略不計，故對激光雷達反演的消光系數做0km~4km范圍內的積分。將MPL反演得到的2011-01-15T13:00到16:33的消光系數進行積分得到AOD，將結果與約1km外的一臺CE-318太陽光度計觀測到的1.5級500nmAOD進行比較，結果如圖3所示，任意一點的x坐標為某時刻MPL反演的AOD結果，y坐標為同一時刻CE-318反演得到的AOD結果。從趨勢線可以看出，同一時刻太陽光度計反演得到的AOD比微脈沖激光雷達反演結果偏大，相關系數R=0.71。

Fig.3　Comparison of AOD(MPL) and AOD(CE-318)

由于微脈沖激光雷達可以連續(xù)不間斷工作，畫出整個觀測時段內所有觀測結果的值可以看出AOD的變化趨勢，如圖4所示，微脈沖激光雷達的觀測頻率大于太陽光度計，兩臺儀器的觀測結果量級相同，雖然部分時刻的值差距較大，但它們隨時間變化的總體趨勢大致相同，都是在15:00之前逐漸減少，而在15:00之后開始顯著增大，可能是因為此時存在一次擴散過程。

Fig.4　AOD observations of MPL and CE-318 from 13:00 to 16:33

表2為2011-01-15的地面觀測記錄?？梢钥闯?，17時能見度小于14時，13:00~17:00這段時間內，風向始終為北風，14:00~15:00時風速增大，加速了氣溶膠的擴散，此后風速開始減低，氣溶膠又逐漸累積起來。綜上所述可以認為觀測結果符合實際大氣中氣溶膠的變化情況。

Table 2　Observed record in Nanjing on 2011-01-15

從圖4中可以看出,同一時刻的CE-318觀測值總是大于微脈沖激光雷達反演結果，其原因可能是:(1)CE-318觀測到的是500nm AOD,微脈沖激光雷達發(fā)射波長為527nm，根據波長消光比可以知道，500nm的結果應該大于527nm的結果;(2)微脈沖激光雷達反演消光系數結果的積分區(qū)域是0km~4km，而太陽光度計觀測的是整層大氣的消光系數總值，此時微脈沖激光雷達的反演結果小于太陽光度計是合理的;(3)兩臺儀器相距約1km，儀器上空大氣氣溶膠分布情況會有差異。

綜上所述，微脈沖激光雷達的反演結果是準確可靠的，其與太陽光度計相比優(yōu)勢在于可以獲取消光系數的垂直分布，可連續(xù)不間斷觀測且頻率很高，可以更有效地反映氣溶膠分布的時空變化。

3兩臺激光雷達反演結果的比較

南京信息工程大學綜合觀測基地內還有一臺喇曼-瑞利-米三通道激光雷達(Raman-Rayleigh-Mie lidar,RRML)，從2009年開始積累了大量觀測數據，已經對南京北郊上空的氣溶膠進行了一系列卓有成效的研究工作[6-8]。兩臺激光雷達相距約20m，選擇2010-05-19T21:00時刻兩臺雷達觀測結果進行比較，觀測結果如圖5所示。消光系數隨高度變化的走勢大致相近，認為它們反映了低層大氣氣溶膠分布情況。

Fig.5　Extinction coefficient of MPL and RRML on 2010-05-19T21：00

表3是21:00~21:06兩臺激光雷達反演的AOD結果，量級相同，數值有一定差異。從表3中可以看出，喇曼-瑞利-米激光雷達反演結果略大于微脈沖激光雷達，這可能是因為在進行反演時，微脈沖激光雷達的盲區(qū)為250m以下，而喇曼-瑞利-米激光雷達米通道數據經過系統(tǒng)重疊因子校正后，盲區(qū)為120m以下，這樣在進行AOD積分計算時，兩臺雷達的積分區(qū)域不同，在120m~250m這一近地面區(qū)域氣溶膠含量往往很大，對消光系數有重要影響，另外，喇曼-瑞利-米激光雷達發(fā)射波長為532nm，微脈沖激光雷達發(fā)射波長為527nm，因此微脈沖激光雷達的反演結果會相對較小。在設計對比試驗時，為了消除誤差，兩臺激光雷達的觀測時間和頻率要盡可能同步。

Table 3　AOD inversion of MPL and RRML from 21:00 to 21:06

4MOD04產品與激光雷達反演結果的比較

MOD04是中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)監(jiān)測全球海洋和絕大部分陸地上空大氣氣溶膠的標準產品，其每日產品為L2級，光學厚度反演采用暗像元法，空間分辨率10km[9]，計算時假定2.12μm的表觀反射率為地表反射率，這也是該產品誤差的主要來源。研究表明,MOD04產品精度基本處于期望內，但在AOD較小時存在高估，在AOD較大時會出現高估[10]。

將微脈沖激光雷達反演AOD結果同2010年上半年Terra-MODIS的MOD04產品進行比較，由于觀測資料較少，建立了14組比較，見表4。數據匹配時，MOD04產品選取南京北郊(118.7°E,32.2°N)為中心、半徑為10km的平均值，微脈沖激光雷達反演AOD結果取衛(wèi)星成像時刻±0.5h內的平均值，結果表明二者相關系數R=0.6。

可以看出，大多數激光雷達反演結果小于衛(wèi)星反演產品，這是因為激光雷達在計算AOD時只對0km~4km高度范圍內的消光系數進行積分，而衛(wèi)星得到的是整層大氣的光學厚度。兩種反演結果之間的差異一是波段范圍不同，衛(wèi)星反演得到550nm 結果，激光雷達發(fā)射波長527nm，二是AOD的主動遙感和被動遙感機理不同。

Table 4　A comparison between AOD(MPL) and MOD04

在2010-05-11~2010-06-07這一時段內，匹配到的數據較多，畫出激光雷達和衛(wèi)星各自反演結果的時間序列如圖6所示。可以看出，在這段時間內，兩種結果的變化趨勢基本一致，說明兩種反演結果有效反映了這段時間內的AOD日變化。

Fig.6A comparison between AOD(MPL) and MOD04 from 2010-05-11 to 2010-06-07

5結論

利用微脈沖激光雷達對南京北郊上空氣溶膠光學厚度進行反演，反演算法采用Fernald方法，積分區(qū)間選擇0km~4km。

(1)同一時刻MPL觀測結果與太陽光度計和RRML觀測結果大致相近，有一定相關性。

(2)同一時期內，MPL觀測結果的變化趨勢同太陽光度計和MOD04產品AOD值的變化趨勢相同，說明MPL觀測結果合理，可以用來對其它觀測手段進行驗證分析。

參考文獻

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收稿日期：2014-04-14；收到修改稿日期：2014-04-24

作者簡介：石玉立(1973-)，男，博士，副教授,主要研究方向為遙感反演地表參量。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(40801139;41175077)