Raman-Mie激光雷達探測西安地區(qū)夏季氣溶膠光學特性

宋躍輝,魯雷雷,王玉峰,李仕春,辛文輝,閆　慶,劉晶晶,華燈鑫

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048)

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Raman-Mie激光雷達探測西安地區(qū)夏季氣溶膠光學特性

宋躍輝,魯雷雷,王玉峰,李仕春,辛文輝,閆慶,劉晶晶,華燈鑫

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048)

采用Raman-Mie激光雷達探測了西安地區(qū)夏季氣溶膠的光學特性,分析了消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和雷達比在不同天氣條件下的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明,強降雨后,氣溶膠消光系數(shù)在2～5 km范圍內(nèi)遞減,并在5 km以上趨于穩(wěn)定;相對于降雨前,降雨后低層氣溶膠消光系數(shù)明顯增大,而3 km以上高度范圍內(nèi)雷達比減小。這可能是由雨后氣溶膠沉降、底層水汽密度增加所引起的。統(tǒng)計結(jié)果表明,晴天無云時,2～3 km范圍內(nèi)氣溶膠的消光系數(shù)和雷達比均比較穩(wěn)定,消光系數(shù)在0.2～0.3 km-1之間,雷達比的平均值約為50 sr;3～5 km范圍內(nèi)消光系數(shù)和雷達比均隨高度遞減;5～8 km范圍內(nèi),消光系數(shù)和雷達比逐漸趨于穩(wěn)定,消光系數(shù)和雷達比的平均值分別約為0.05 km-1和20 sr,表明此范圍內(nèi)仍有微量的氣溶膠粒子存在。實驗期間,水云的雷達比約為17 sr。

氣溶膠; Raman-Mie激光雷達; 消光系數(shù); 雷達比

氣溶膠是全球氣候變化研究中最大的不確定因子,同時近地表氣溶膠直接危害人類健康,因此已成為大氣科學和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的研究熱點[1]。激光雷達探測范圍廣,空間分辨率高,實時性好,在氣溶膠探測研究中發(fā)揮著不可或缺的作用[2]。

Mie散射激光雷達和Raman-Mie激光雷達都可用于探測氣溶膠的空間分布。Mie散射激光雷達反演氣溶膠消光系數(shù)時,需要根據(jù)天氣條件設(shè)定雷達比,不利于消光系數(shù)的精細反演。而Raman-Mie激光雷達不僅能接收Mie散射回波信號,還能夠接收氮氣分子的Raman散射回波信號,可直接反演消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和雷達比,在氣溶膠光學特性精細反演方面具有一定的優(yōu)勢。

目前,Raman-Mie激光雷達已廣泛應用于大氣氣溶膠的探測研究中。在國外,2007年D.Muller等人總結(jié)了歐洲、亞洲Raman激光雷達探測的雷達比,為CALIPSO數(shù)據(jù)反演提供了合理的雷達比設(shè)定值[3]。2010年,Sungchul Choi等同時采用轉(zhuǎn)動Raman激光雷達回波信號和振動Raman激光雷達回波信號反演了氣溶膠雷達比,進行了對照研究,并反演了波長指數(shù)[4]。2013年,Jia Su結(jié)合Raman-Mie散射激光雷達和多波長激光雷達,提出了一種多波長激光雷達比的數(shù)據(jù)反演方法[5]。在國內(nèi),2010年伯廣宇等人采用Raman-Mie激光雷達,探測了邊界層內(nèi)氣溶膠在532 nm波長的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和雷達比,實驗結(jié)果表明雷達比分布在43～72 sr之間,總平均值為57.9 sr[6]。2015年,西安理工大學激光雷達遙測研究中心利用自主研制的多通道高光譜分辨率Raman激光雷達,在晴天和有云條件下對西安局部地區(qū)進行了實驗觀測,獲得了溫濕度及氣溶膠廓線[7]。

西安是西北地區(qū)的經(jīng)濟文化中心,人口密集,工業(yè)廢氣和汽車尾氣排放量大,且近年來霧霾天氣頻發(fā),嚴重影響人們的生產(chǎn)生活,因此深入研究西安地區(qū)氣溶膠的光學特性和動態(tài)變化規(guī)律具有重要的研究意義。鑒于此,在2014年夏季,利用西安理工大學自主研發(fā)的Raman-Mie激光雷達對西安局部地區(qū)氣溶膠進行了連續(xù)觀測,反演了不同天氣條件下的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和雷達比,統(tǒng)計并分析了不同天氣條件下氣溶膠光學特性的變化規(guī)律,對西安地區(qū)氣象研究和環(huán)境保護工作具有重要意義。

1　Raman-Mie激光雷達探測原理

Raman-Mie激光雷達方程如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式(1)中P(λR,z)為激光雷達接收到的Raman散射回波信號,λL為激光波長,λR為氮氣分子的Raman散射波長,CR為Raman散射通道的激光雷達系統(tǒng)常數(shù),Y(z)為幾何重疊因子,NN2(z)為氮氣分子數(shù)密度,σN2為氮氣分子后向散射截面,αm(λL,z)和αm(λR,z)分別為大氣分子在波長λL、λR的消光系數(shù),αa(λL,z)和αa(λR,z)分別為大氣氣溶膠在波長λL、λR的消光系數(shù)。式(2)中,P(λL,z)為Mie散射回波信號,CM為Mie散射通道的激光雷達系統(tǒng)常數(shù),βa(λL,z)和βm(λL,z)分別為大氣氣溶膠和大氣分子在波長λL的后向散射系數(shù)。

1.1消光系數(shù)

求解式(1)可得氣溶膠消光系數(shù)為:

(3)

式中,k是大氣氣溶膠的Angstrom指數(shù),對流層大氣氣溶膠的k值通常假設(shè)為1。

在設(shè)定雷達比的情況下,消光系數(shù)也可采用Fernald法對式(2)進行求解獲得。

(4)

式中,S(z)為Mie散射通道的距離平方校正信號。sa為氣溶膠雷達比,其取值由氣溶膠粒子特性決定,大氣分子的雷達比sm可設(shè)定為8π/3。大氣分子的消光系數(shù)可以利用美國標準大氣模型計算獲得,zc為參考高度,一般選取不含氣溶膠粒子大氣層的所在高度為參考高度。

1.2后向散射系數(shù)

結(jié)合式(1)和式(2),可得到氣溶膠后向散射系數(shù)為:

βa(λL,z)=-βm(λL,z)+[βa(λL,zc)+βm(λL,zc)]×

(5)

式中,βa(λL,z)和βm(λL,z)分別為z處氣溶膠和大氣分子在波長λL的后向散射系數(shù)。

1.3雷達比

利用反演的消光系數(shù)和后向散射系數(shù)即可計算氣溶膠雷達比。

(6)

2　實驗及數(shù)據(jù)反演

2014年7月,采用Raman-Mie激光雷達進行了連續(xù)實驗觀測。該系統(tǒng)激光器發(fā)射波長為355 nm,單脈沖能量為150 mJ,重復頻率為20 Hz,脈寬為10 ns,望遠鏡有效接收直徑為250 mm,詳細結(jié)構(gòu)及參數(shù)見參考文獻[7]。

利用Mie散射通道(355 nm)回波信號和Raman散射通道(387 nm)回波信號反演了氣溶膠光學特性,單次觀測實驗的累積脈沖數(shù)目2 000個。

為保證信噪比,觀測實驗在夜間進行。為消除幾何盲區(qū)的影響,主要分析了2～8 km高度范圍內(nèi)氣溶膠的光學特性。

2.1強降雨前后氣溶膠的光學特性

西安地區(qū)夏季高溫濕熱,陣雨、暴雨等強降雨天氣頻發(fā)。2014年7月23日西安地區(qū)陣雨,7月22日和7月24日均為多云天氣。為研究降雨前后西安地區(qū)氣溶膠光學特性的變化規(guī)律,反演了7月22日和7月24日的觀測數(shù)據(jù),如圖1所示。其中,采用Fernald法反演時,設(shè)定雷達比為50 sr[8-9]。由圖1可知,Fernald法和Raman-Mie法反演的消光系數(shù)整體變化趨勢基本一致,這也驗證了反演結(jié)果的有效性。然而,設(shè)定雷達比會對Fernald法的反演結(jié)果產(chǎn)生不利影響,導致其與Raman-Mie法的反演結(jié)果在局部存在一定差異。因此,以下主要針對Raman-Mie法的反演結(jié)果進行分析。

由圖1可看出,7月22日氣溶膠消光系數(shù)和雷達比在2～3.5 km均比較穩(wěn)定,消光系數(shù)最大值達到0.28 km-1,雷達比在40～61 sr之間。二者在3.5～4.3 km范圍內(nèi)隨高度逐漸減小, 并于4.3 km之后趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后的平均值分別約為0.06 km-1和16 sr,表明4.3～8 km范圍內(nèi)仍存在一定含量的氣溶膠粒子。

圖1　強降雨前后西安地區(qū)氣溶膠的光學特性Fig.1　Optical properties of aerosol at Xi’an before and after strong rainfall

強降雨后(7月24日)氣溶膠消光系數(shù)在2～5 km范圍內(nèi)遞減,并于5 km后趨于穩(wěn)定。相對于降雨前,降雨后低層氣溶膠消光系數(shù)明顯增大,而3 km以上雷達比減小。消光系數(shù)和雷達比在5 km以上趨于穩(wěn)定,平均值分別約為0.04 km-1和10 sr,雷達比接近于大氣分子的雷達比(8π/3),這表明降雨后5～8 km范圍內(nèi)基本不含氣溶膠粒子。這可能是由降雨后氣溶膠沉降、底層水汽密度增加所引起的。

2.2晴天無云時氣溶膠的光學特性

工業(yè)廢氣、地面揚塵、汽車尾氣等是城市氣溶膠的主要來源,與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。為研究西安地區(qū)夏季城市氣溶膠的統(tǒng)計規(guī)律,分別反演了晴天無云時氣溶膠的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、雷達比及其多日均值,結(jié)果如圖2所示。

由晴天無云時氣溶膠光學特性的多日均值可知,2～3 km高度范圍內(nèi)氣溶膠消光系數(shù)較大,消光系數(shù)均值約為0.27 km-1,氣溶膠雷達比在40～60 sr之間,均值約為50 sr。該范圍內(nèi)氣溶膠消光系數(shù)和雷達比均比較穩(wěn)定,這表明2～3 km為氣溶膠的均勻分布區(qū)域。3～5 km高度范圍內(nèi),消光系數(shù)和雷達比都隨高度遞減,表明在此高度范圍內(nèi)氣溶膠含量逐漸減小。5～8 km范圍內(nèi),消光系數(shù)和雷達比相對穩(wěn)定,消光系數(shù)約為0.06 km-1,雷達比為20 sr,這表明此范圍內(nèi)氣溶膠的含量基本穩(wěn)定。同時,由于5～8 km范圍內(nèi)的消光系數(shù)和雷達比都高于大氣模型,說明在此天氣條件下,人類生產(chǎn)生活對城市高空氣溶膠分布會造成一定的影響。

圖2　夏季晴天無云時西安地區(qū)氣溶膠光學特性Fig.2　Optical properties of aerosols at Xi’an when it is sunny and cloud-free in summer

2.3水云的光學特性

云是影響天氣變化的重要因素,研究云的光學特性對天氣預報、人工降雨等均具有十分重要的意義。2014年7月3日西安局部地區(qū)陣雨,夜間開展了觀測實驗,圖3為夜間20時20分至20時55分Mie散射通道距離平方校正信號的時空演化圖。由圖3可知,20時20分開始觀測到4～5 km處有云層出現(xiàn),云層厚度約為300 m。

圖3　2014年7月3日Mie散射通道距離平方校正信號時空演化圖Fig.3　Range corrected signal of Mie channel on July 3,2014

為分析該云層的光學特性,對20時27分的觀測數(shù)據(jù)進行了反演,如圖4所示。受云層影響,消光系數(shù)和后向散射系數(shù)在4 km高度處驟然增加,最大值分別達到了0.9 km-1、0.06 km-1sr-1。此外,云層高度處的雷達比約為17 sr。已有研究結(jié)果表明,水云在355 nm處雷達比約為19 sr[10],因此可判定該云層為水云。

圖4　2014年7月3日20時27分西安地區(qū)氣溶膠光學特性Fig.4　Optical properties of aerosol at 20:27 on July 3 in Xi’an,2014

3　結(jié)　語

采用Raman-Mie激光雷達于2014年7月對西安地區(qū)城市氣溶膠進行了連續(xù)觀測,分析了強降雨前后、晴天無云以及水云等不同天氣條件下氣溶膠的消光系數(shù)、后向散射系數(shù)和雷達比。實驗結(jié)果表明,強降雨后,氣溶膠消光系數(shù)在2～5 km內(nèi)呈遞減趨勢,于5 km后趨于穩(wěn)定;相對于降雨前,降雨后低層氣溶膠消光系數(shù)明顯增大,而3 km以上雷達比減小。統(tǒng)計結(jié)果表明,晴天無云時,2～3 km為氣溶膠分布較為均勻的區(qū)域,3～5 km為氣溶膠分布遞減區(qū)域,5～8 km為氣溶膠微量分布區(qū)域。實驗期間,水云的雷達比在17 sr左右。研究結(jié)果對西安地區(qū)氣象研究和環(huán)境保護具有重要的研究意義。

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(責任編輯王衛(wèi)勛，王緒迪)

Optical properties of aerosols detected by Raman-Mie lidar at Xi’an in summer

SONG Yuehui,LU Leilei,WANG Yufeng,LI Shichun,XIN Wenhui, YAN Qing,LIU Jingjing,HUA Dengxin

(School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’ an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The optical properties of aerosols at Xi’an in summer are detected by Raman-Mie lidar, with the spatial-temporal changes of extinction coefficient, backscatter coefficient and lidar ratio under different weather conditions analyzed. Experimental results show that after rainfall the extinction coefficient of aerosols decreases with altitude between 2 km and 5 km, and that when the altitude is greater than 5 km, the extinction coefficient tends to be stable. After rainfall, the extinction coefficient of aerosols at low level is larger than that before rainfall, and the lidar ratio of aerosols above 3 km is smaller than that before rainfall. The possible reasons for the phenomenon are the aerosols deposition and the increase of water vapor density at low level caused by rainfall. Statistical results show that, in sunny and cloud-free days, between 2 km and 3 km, the extinction coefficient and the lidar ratio are all relatively stable, with the extinction coefficient between 0.2 km-1and 0.3 km-1, and the average value of lidar ratio about 50 sr. Between 3 km and 5 km, the extinction coefficient and the lidar ratio decrease with the increasing altitude. Between 5 km and 8 km, the extinction coefficient and the lidar ratio tend to be stable, and the average value of extinction coefficient and lidar ratio are about 0.05 km-1and 20 sr respectively. So there are still traces of aerosol particles within this range. Finally, the lidar ratio of water cloud is about 17 sr during the experiment.

aerosol; Raman-Mie lidar; extinction coefficient; lidar ratio

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.03.010

2016-01-07

國家自然科學基金資助項目(61405158,61308105,61308106)

宋躍輝,男,博士,講師,研究方向為偏振激光雷達。E-mail:songyuehui@xaut.edu.cn

華燈鑫,男,博士,教授,博導,研究方向為激光雷達遙感探測技術(shù)及光電檢測技術(shù)。E-mail:dengxinhua@xaut.edu.cn

TN958.98; P407.2

A

1006-4710(2016)03-0309-05