南京地區(qū)氣溶膠散射特性綜合觀測(cè)

謝銀海,曹念文*,祝存兄,楊少波

(1.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044;2.青海省氣象科學(xué)研究所,西寧 810000)

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南京地區(qū)氣溶膠散射特性綜合觀測(cè)

謝銀海1,曹念文1*,祝存兄2,楊少波1

(1.南京信息工程大學(xué) 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044;2.青海省氣象科學(xué)研究所,西寧 810000)

利用中國(guó)氣象局南京綜合觀測(cè)基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)Mie通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析南京北郊?xì)馊苣z光學(xué)消光特性。對(duì)2013年11月至12月霧霾天氣進(jìn)行觀測(cè)并分析得到光學(xué)消光系數(shù),并結(jié)合CALIPSO衛(wèi)星搭載的激光雷達(dá)CALIOPSO level.2分類產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行消光特性參數(shù)分析。利用CALIPSO監(jiān)測(cè)2012年冬季一次沙塵過(guò)程所得結(jié)果與地基微脈沖偏振激光雷達(dá)結(jié)果一致。

氣溶膠;激光雷達(dá);消光系數(shù);CALIPSO

1 引言

霧、浮塵、霾、沙塵是氣溶膠較典型的表現(xiàn)形式,特別是霾。近年來(lái)我國(guó)多地出現(xiàn)大范圍嚴(yán)重霧霾災(zāi)害天氣,東部沿海地區(qū)尤其京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)霧霾頻發(fā),嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用裆眢w健康和交通運(yùn)行,對(duì)整個(gè)地氣環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。南京地處長(zhǎng)江三角洲地區(qū),是長(zhǎng)三角人口密集、交通和工業(yè)發(fā)達(dá)的中心城市,其工業(yè)主要集中在沿江及江北郊區(qū),受西北地區(qū)沙塵傳輸和周邊地區(qū)農(nóng)村秸稈焚燒習(xí)慣的影響,使得該地區(qū)的氣溶膠成分復(fù)雜、種類豐富、含量相對(duì)較高,因此研究該地區(qū)邊界層的氣溶膠傳輸及時(shí)空變化十分重要。

本文使用地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá) (Rayleigh-Raman-Mie Lidar,RRML)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演計(jì)算測(cè)站上空氣溶膠光學(xué)消光特性,結(jié)合CALIPSO衛(wèi)星搭載的CALIOP正交極化云-氣溶膠激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析南京地區(qū)氣溶膠光學(xué)消光特性及物理特性。

2 數(shù)據(jù)介紹

RRML是安置在中國(guó)氣象局南京綜合觀測(cè)基地(32.2N,118.7E)的一臺(tái)多功能地基激光雷達(dá)。RRML發(fā)射532 nm激光,可獲得 532 nm 高層Rayleigh信號(hào)、低層Mie信號(hào)及607 nm Raman通道信號(hào),其中本文使用RRML中532 nm低空Mie散射通道回波信號(hào)反演計(jì)算測(cè)站上空大氣氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線,并對(duì)2013年下半年幾次嚴(yán)重霧霾天氣時(shí)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

CALIPSO(Cloud-Aerosol-Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)是"A-Train"衛(wèi)星編隊(duì)中一員,搭載了雙波長(zhǎng)正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP,Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)、單通道寬視場(chǎng)相機(jī)(WFC,Wide Field Camera)和成像紅外輻射儀(IIR,Imaging Infrared Radiometer)[1]。其中正交極化云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)是CALIPSO衛(wèi)星最主要的探測(cè)設(shè)備,發(fā)射正交極化532 nm和1064 nm三組激光,得到532 nm大氣后向散射信號(hào)的平行和垂直分量,532 nm波長(zhǎng)大氣總后向散射強(qiáng)度,1064 nm波長(zhǎng)大氣后向散射信號(hào)。CALIPSO運(yùn)行的周期為16天,不僅可以提供云和氣溶膠隨地球經(jīng)緯度變化的特征,還可以提供云和氣溶膠的垂直分布數(shù)據(jù)資料。此外,使用CALIOP 532 nm 正交偏振通道數(shù)據(jù)計(jì)算識(shí)別出氣溶膠粒子的類型以及云的冰/水相態(tài),從而獲取大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)[2-4]。

CALIPSO衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)DMS應(yīng)用自動(dòng)處理程序系統(tǒng)(CAPS)將各種儀器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,LrRC大氣科學(xué)數(shù)據(jù)中心(ASDC)處理并將科學(xué)數(shù)據(jù)以HDF格式的產(chǎn)品下發(fā)。文章使用Level 2產(chǎn)品,分析云和氣溶膠層的高分辨率垂直分布廓線。表1為L(zhǎng)evel 2產(chǎn)品的空間分辨率[5]。

Table.1 Spatial resolution of data by CALIPSO Level 2

3 激光雷達(dá)探測(cè)方法

對(duì)于地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML發(fā)射波長(zhǎng)均為532 nm,對(duì)于單波長(zhǎng)的激光雷達(dá),Mie散射激光雷達(dá)方程如式(1)[6]：

(1)

(2)

其中rm為參考邊界高度,βm(r),βa(r)分別為高度r處的大氣分子和氣溶膠后向散射系數(shù),σm(r′),σa(r′)為高度r處大氣分子和氣溶膠消光系數(shù)。引入消光散射比S=σ/β,則大氣分子和氣溶膠消光后向散射比分別為：Sm=σm(r)/βm(r)=8π/3,Sa=σa(r)/βa(r)

對(duì)于星載CALIOP激光雷達(dá)接收到的距離地面z處大氣的后向散射回波功率用Mie散射激光雷達(dá)方程表示為[8]：

(3)

其中,c為光速；z為衛(wèi)星高度；E為發(fā)射激光脈沖能量；Y代表激光雷達(dá)幾何校正因子；β代表高度為z′處后向散射系數(shù),單位：km-1；Ar為望遠(yuǎn)鏡有效接收面積,單位：m2；Tt、Tr分別是激光雷達(dá)發(fā)射和接收系統(tǒng)的透過(guò)率；T是z到z′高度間的大氣透過(guò)率；

(4)

其中,α是高度z′的大氣消光系數(shù),單位：km-1。大氣后向散射系數(shù)和消光系數(shù)均可以分為大氣分子和氣溶膠兩部分。對(duì)于CALIPSO星載激光雷達(dá),雷達(dá)方程可寫(xiě)為：

(5)

其中r=z-z′,表示距地海拔高度；ξ為激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)。

星載CALIOP偏振激光雷達(dá)的退偏振比可以表示為[9-10]：

(6)

將偏振激光雷達(dá)方程帶入上式可得：

(7)

在一般情況下,可以認(rèn)為水平和垂直通道上的大氣消光系數(shù)相等,則退偏振比可以寫(xiě)為

(8)

由于大氣分子的退偏比較小,僅為0.035[11],所以退偏振比受大氣非球狀氣溶膠粒子影響。

4 地基RRML探測(cè)結(jié)果

Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)探測(cè)站點(diǎn)上空大氣氣溶膠狀態(tài),以2011年10月20日夜間觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,利用Fernald法反演Mie通道回波信號(hào),得到大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線如圖1(a)(b)(c)(d)所示：

Fig.1 (a)(b)(c)(d) Vertical profile of aerosol extinction coefficient by RRML

圖1為19組Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果,圖1(a)(b)(c)為5×3組10000次脈沖觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果,圖1(d)為4×1組10000脈沖觀測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果。結(jié)合2011年10月20日氣象條件如表2所示,Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML反演結(jié)果顯示當(dāng)天19:00～19:17在4～5 km高度有消光系數(shù)較大的峰,由于在混合邊界層高度以上,可視為云層,云層表現(xiàn)為多層云；18:51～20:04邊界層高度內(nèi)消光系數(shù)為0.1 km-1左右,2 km以上高度消光系數(shù)很小,20:37以后2 km以內(nèi)消光系數(shù)從地面隨高度減小,但總體數(shù)值比有霧靄時(shí)?。粡?9:43開(kāi)始4～5 km能觀察到消光系數(shù)增大而產(chǎn)生的廓線峰值,到20:37時(shí)峰值明顯,隨著時(shí)間變化,消光系數(shù)雙峰愈加明顯甚至變?yōu)殡p峰、多峰,且影響高度拓寬為3～7 km,而天氣狀況也顯示18:00～19:00有霧靄現(xiàn)象,20:00以后的觀測(cè)結(jié)果為有云,因此Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML比傳統(tǒng)觀測(cè)方式較早地發(fā)現(xiàn)云層并且通過(guò)消光系數(shù)這一特征參數(shù)給出云層的高度及厚度信息,而且由于其時(shí)間分辨率相對(duì)于地面觀測(cè)高,能夠觀測(cè)到地面觀測(cè)時(shí)被忽略或者未觀測(cè)到的天氣現(xiàn)象,如移動(dòng)較快的云等。

Table.2 Weather conditions in October 20,2011

圖2(a)(b)(c)(d)為Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)實(shí)測(cè)四組不同天氣狀態(tài)下氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線,表3為相應(yīng)時(shí)次的氣象條件：

Fig.2 (a)(b)(c)(d) Vertical profile of aerosol extinction coefficient under different weather conditions

Table.3 Weather conditions corresponding Fig.2

結(jié)合表3,從圖2(a)(b)(c)(d)中可以看到在不同天氣條件下RRML所得氣溶膠消光系數(shù)廓線在垂直高度上的變化。圖2(a)為晴天大氣下的氣溶膠消光系數(shù)廓線,消光系數(shù)隨高度增加逐漸減小,廓線中無(wú)峰值。圖2(b)和(c)為有云時(shí)氣溶膠消光系數(shù)廓線,其中圖2(b)中近地層氣溶膠消光系數(shù)較晴天時(shí)大,1～2 km左右有氣溶膠層存在,近5 km處存在微小的突起,為該高度層上的薄層云。圖2(c)中近地層氣溶膠消光系數(shù)與晴天大氣時(shí)數(shù)值相當(dāng),3～5 km處氣溶膠消光系數(shù)出現(xiàn)峰值,為該高度層上的云層,云層消光系數(shù)約為0.1 km-1,激光穿透云層后消光系數(shù)隨高度增加繼續(xù)減小。圖2(d)近地層消光系數(shù)隨高度減小,在3 km附近出現(xiàn)消光系數(shù)峰值,數(shù)值接近0.1 km-1,云層以上光系數(shù)迅速減小,可見(jiàn)該云層較厚,對(duì)激光的衰減強(qiáng),未能穿透云層。

5 2013年霧霾監(jiān)測(cè)

5.1 地基RRML監(jiān)測(cè)

2013年下半年為南京地區(qū)霧霾最嚴(yán)重的一段時(shí)期,這段時(shí)期霧霾發(fā)生頻率高、擴(kuò)散時(shí)間久,對(duì)霧霾暴發(fā)地區(qū)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了極大的影響。在霧霾頻發(fā)期間使用Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML進(jìn)行夜間觀測(cè)。圖3(a-l)為這段時(shí)間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到的消光系數(shù)廓線,其中11月25為一次雨后晴天夜間采集得數(shù)據(jù),以此數(shù)據(jù)為準(zhǔn)對(duì)比分析南京北郊冬季霧霾天氣下的氣溶膠光學(xué)特性。圖3(a-d)為11月25日夜間19:04～19:21選取脈沖寬度為180 ms發(fā)射5000個(gè)脈沖返回的4組回波數(shù)據(jù)得到的消光系數(shù)垂直廓線；圖3(e-h)為12月4日夜間19:42～20:07選取脈沖寬度180 ms發(fā)射10000個(gè)脈沖返回的4組回波數(shù)據(jù)得到的消光系數(shù)垂直廓線,當(dāng)天霧霾嚴(yán)重,南京北郊浦口地區(qū)(觀測(cè)站所在行政區(qū)域)官方發(fā)布AQI(Air Quality Index))達(dá)460；圖3(i-l)為12月8日夜間19:17～19:30選取脈沖寬度180 ms發(fā)射5000個(gè)脈沖返回4組回波數(shù)據(jù)得到的消光系數(shù)垂直廓線,當(dāng)天霧霾極其嚴(yán)重,能見(jiàn)度極低,浦口地區(qū)AQI指數(shù)超過(guò)最高標(biāo)準(zhǔn)500。

Fig.3 (a～l) Results of winter Haze by RRML in 2013

從圖3可見(jiàn)2013年11月25日雨后晴天大氣狀態(tài)下氣溶膠消光系數(shù)數(shù)值<0.5 km-1,并隨高度增加消光系數(shù)逐漸減小。由于晴天大氣氣溶膠較少,激光衰減弱,能夠傳輸較遠(yuǎn)距離,探測(cè)到3 km有效數(shù)據(jù)；12月04日霧霾嚴(yán)重,近地層氣溶膠消光系數(shù)值最明顯比雨后晴天時(shí)大,并且由于強(qiáng)的氣溶膠散射衰減,只能探測(cè)到1 km內(nèi)的數(shù)據(jù)；對(duì)于12月8日重度霧霾時(shí)探測(cè)結(jié)果顯示消光系數(shù)比12月4日時(shí)更大,并且激光雷達(dá)只能穿透到200 m,由于本實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)同時(shí)進(jìn)行Raman通道的數(shù)據(jù)采集,而Raman回波信號(hào)較弱,需要放大器PMT將回波放大后采集,實(shí)驗(yàn)時(shí)考慮到重度霧霾的散射回波較強(qiáng),為避免散射回波對(duì)Raman通道探測(cè)器造成損壞,實(shí)驗(yàn)設(shè)置中設(shè)置一定門(mén)控高度,只從100 m開(kāi)始接收數(shù)據(jù),由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置的局限性,對(duì)拉曼通道的參數(shù)設(shè)置影響了米通道的數(shù)據(jù)采集,因此12月8日得到的有效數(shù)據(jù)很有限。綜上所述,Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)RRML能夠?qū)F霾發(fā)生時(shí)氣溶膠光學(xué)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5.2 星載CALIOP監(jiān)測(cè)

由于CALIPSO衛(wèi)星軌道較窄,過(guò)境時(shí)不能與地基激光雷達(dá)站完全匹配,然而可以選取某一研究區(qū)域,利用CALIPSO在某區(qū)域內(nèi)一定時(shí)間內(nèi)的多次過(guò)境采集的數(shù)據(jù)反演獲得某段時(shí)間該區(qū)域氣溶膠光學(xué)特性參數(shù)和物理參數(shù)。圖4(a)(b)為2013年11月(14組)和12月(15組)長(zhǎng)江三角洲區(qū)域CALIPSO過(guò)境星下點(diǎn)軌跡,數(shù)據(jù)選取緯度范圍30N～35N,經(jīng)度范圍116E～120E,其中左上-右下軌跡線為白天過(guò)境時(shí)星下點(diǎn)軌跡,右上-左下軌跡線為夜間過(guò)境時(shí)星下點(diǎn)軌跡。為選擇與安置在中國(guó)氣象局南京綜合觀測(cè)基地的地基Rayleig-Raman-Mie多功能激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)相匹配的區(qū)域,并且使得數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率增加,從而選取白天與夜間軌跡線交叉的近菱形區(qū)域。

對(duì)于CALIPSO Level 2分類產(chǎn)品氣溶膠廓線數(shù)據(jù),為減少誤差對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,其中,使得Extinction_Coefficient_532 nm≠-9999,剔除結(jié)果中無(wú)效值；Atmospheric volume descriptio(AVD)包含產(chǎn)品數(shù)據(jù)中特征層的類別信息(云、氣溶膠及無(wú)信號(hào)情況)及判別情況的置信度水平,為16位整型數(shù)據(jù),其中第1-3位值設(shè)置為3時(shí)表示當(dāng)前獲取的數(shù)據(jù)集含氣溶膠相關(guān)信息,而第10-12位值的設(shè)置情況代表了當(dāng)前數(shù)據(jù)集中含的氣溶膠子類型信息,將10-12位值設(shè)為0可以排除當(dāng)前數(shù)據(jù)子類型無(wú)法判別的情況。

Fig.4 (a)(b) Track of subsatellite point and location of base radar in Yangtze River Delta from November to December in 2013

Fig.5 532 nm mean extinction coefficient about haze in the area near Lidar station in November,2013

Fig.6 532 nm mean extinction coefficient about haze in the area near Lidar station in December,2013

從圖5和圖6中可見(jiàn)霧霾發(fā)生時(shí)垂直高度上氣溶膠平均消光系數(shù)變化曲線,可見(jiàn)消光系數(shù)隨高度增加數(shù)值逐漸減小,在數(shù)值上與圖3(e-l)地基RRML反演結(jié)果吻合,消光系數(shù)數(shù)值最大值達(dá)3.8 km-1。

CALIPSO對(duì)地觀測(cè)是連續(xù)的掃描,雖然軌道較窄,但依然能獲得軌道內(nèi)垂直高度上的消光系數(shù)圖7(a-e)為近本文實(shí)驗(yàn)所用地基雷達(dá)RRML所在的CALIPSO衛(wèi)星軌道內(nèi)消光系數(shù)的垂直分布。

圖7(a-e)為研究區(qū)域30°N～35°N衛(wèi)星軌道內(nèi)氣溶膠消光系數(shù)的垂直高度分布,其中30.5～31.5°N這個(gè)緯度范圍內(nèi),氣溶膠在垂直高度上有一個(gè)消光系數(shù)的小值空窗區(qū),這個(gè)經(jīng)緯度范圍是安微大別山區(qū)域,介于北緯30°10′～32°30′,東經(jīng)112°40′～117°10′。山體海拔平均為1000 m,最高1770 m,山體陡度最大可達(dá)50°。大別山地區(qū)森林覆蓋度高,無(wú)污染空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。因此CALIPSO消光系數(shù)垂直分布在該區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為消光系數(shù)小,如圖7中空窗區(qū)。

Fig.7 Vertical height distribution of aerosol extinction coefficient in the orbit of 30 °N～35 °N

6 2012年一次沙塵監(jiān)測(cè)

文章分析2012年11月27日-29日[北京時(shí)間]南京一次沙塵過(guò)程天氣,為選取合適的衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間,對(duì)星下點(diǎn)軌跡進(jìn)行篩選,得到在沙塵發(fā)生時(shí)間段內(nèi)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)離南京地區(qū)較近的一條軌跡進(jìn)行分析。

Fig.8 Subsatellite point of CALIPSO

Fig.9 A track of subsatellite pointwhile satellite pass Nanjing and location of RRML station

由于CALIPSO運(yùn)行周期為16天,所以選取世界地圖中星下點(diǎn)軌跡線為沙塵發(fā)生時(shí)段離南京地區(qū)最近的一條星下點(diǎn)軌跡,如圖9(a),截取長(zhǎng)江三角洲局部地圖。如圖9(b),粗線條為衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡,五角星為地基激光雷達(dá)觀測(cè)站,圓點(diǎn)為離地基激光雷達(dá)上最近的衛(wèi)星星下點(diǎn)。

Fig.10 Vertical distribution of backscattering coefficient in the orbit of 31°N～38°N

Fig.11 Vertical distribution of extinction coefficient in the orbit of 31°N～38°N

圖10和11為31°N～38°N軌道帶上沙塵發(fā)生時(shí)氣溶膠后向散射系數(shù)及消光系數(shù)垂直分布,可見(jiàn)沙塵發(fā)生時(shí)消光系數(shù)最大可達(dá)3 km-1,沙塵影響高度平均1 km左右,最高可達(dá)1.5 km,這與微脈沖偏振激光雷達(dá)在南京北郊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致[12],而且彌補(bǔ)了地基激光雷達(dá)單站觀測(cè)的局限。若能同時(shí)結(jié)合地基激光雷達(dá)與星載激光雷達(dá),能夠更有效地監(jiān)測(cè)沙塵的爆發(fā)于生消動(dòng)態(tài)。

7 結(jié)論

文章使用地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)CALIOP對(duì)南京地區(qū)及周邊大氣氣溶膠進(jìn)行觀測(cè)分析,兩種方式得到的光學(xué)消光特性參數(shù)結(jié)果一致。尤其在監(jiān)測(cè)霧及沙塵中兩種觀測(cè)手段配合監(jiān)測(cè)既能保證時(shí)空分辨率也能克服地基激光雷達(dá)單站觀測(cè)的局限性。

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Comprehensive Observation of Aerosol Scattering Properties in Nanjing

XIE Yin-hai1,CAO Nian-wen1*,ZHU Cun-xiong2,YANG Shao-bo1

(1.keylaboratoryofAerosol-CloudPrecipitationofChinaMeterologicalAdministration,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing,210044,China2.QinghaiInstituteofMeteorologicalScience,Xining,810000,China)

Analysis of the optical extinction characteristics of aerosol in Nanjing by using the data from the Mie channel of Rayleigh-Raman-Mie Lidar,which belong to the Comprehensive Observation Base of China Meteorological Administration,is presented in this paper.We observed and calculated the optical extinction coefficient of haze from November to December in 2013 by Lidar,and analyzed the optical extinction parameter properties by using the data from CALIPSO level.2.Comparing the inversion results of winter dust in 2012,the results obtained by using CALIPSO and the micro-pluse Lidar are consistent.

aerosol; lidar; extinction coefficient; CALIPSO

2015-10-19; 修改稿日期:2015-11-10

國(guó)家自然基金(41375044,41175033)

謝銀海,(1989-),男,碩士研究生,主要從事激光大氣探測(cè)方面的研究。E-mail:597869223@qq.com

曹念文,(1967-),男,教授,主要從事激光大氣探測(cè)方面的研究。E-mail:nwcao@nuist.edu.cn

1004-5929(2016)03-0237-08

O436

A

10.13883/j.issn1004-5929.201603006