多波长气溶胶激光雷达观测北京地区持续性雾霾的典型案例

为了解雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用多波长气溶胶激光雷达在北京海淀气象局的观测数据,反演得到了2017年11月4日至7日持续性雾霾期间大气气溶胶的消光系数、退偏振比和雾霾高度等参数,实现了在雾霾期间对大气的实时监测。结合探空资料数据获取的气象参数,并利用拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)分析了雾霾期间气团的路径来源和走向,分析得出,相对湿度增大、风速低以及逆温层的存在是雾霾形成和持续存在的重要因素。河北一带的污染物输送导致此次北京海淀区的雾霾形成,而西北风为污染物向上扩散消失提供了条件。

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E,31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。

Raman-Mie激光雷达探测对流层气溶胶波长指数

Angstrom波长指数能够很好地反映大气气溶胶粒子的半径大小,而Raman方法测量对流层气溶胶较Mie散射方法假设的参数少,测量精度高。在介绍了一台双波长探测对流层气溶胶光学特性的L625 Ranman-Mie激光雷达系统及其测量原理的基础上,利用该激光雷达的探测数据,计算并分析了合肥地区对流层气溶胶的波长指数,给出了合肥地区对流层气溶胶光学特性的一些典型特征并讨论了其成因。结果表明L625 激光雷达测量对流层气溶胶波长指数是可靠的。

探测气溶胶消光特性的双波长米散射激光雷达

研制了一台双波长米散射激光雷达,用来探测对流层大气气溶胶532 nm和1064 nm两个波段的消光特性及其时空分布。该雷达系统采用四个通道分别用于对流层下部和中上部532 nm及1064 nm的大气回波信号,并采用窄带滤光片,借助小孔光阑,有效压制背景,以提高系统白天探测能力。描述了该雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。给出了合肥地区(N31°54′,E117°10′)对流层大气气溶胶532 nm及1064 nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线及其时空分布的典型探测结果,分析了气溶胶的波长依赖指数和532nm波段的光学厚度。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。

全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达系统设计及应用

介绍了全天时便携式户外型红外探测气溶胶激光雷达的工作原理、系统设计与多种场景应用分析。红外探测气溶胶激光雷达具有大气穿透性强,受天空背景光影响小、对大粒子敏感等特点,在大气气溶胶污染时空分布特征获取、水平能见度监测和垂直边界层监测的应用上取得较好的效果。系统水平扫描可获取大区域颗粒物分布图,及时发现污染源并联合近地面风速风向、颗粒物和一氧化碳浓度等数据评估污染源影响程度,同时能够准确地反演水平能见度,与标准能见度仪比对相对误差均小于20%。激光雷达反演边界层高度采用消光系数梯度法,实验结果与探空气球反演绝对偏差为200 m,能够准确反演边界层高度。该系统能够实时精确地捕获大气气溶胶分布与传输情况,准确反演水平能见度、边界层高度等信息,在大气监测领域具有广泛的应用场景。

机载双波长偏振激光雷达探测大气气溶胶分布

为了满足在区域尺度上大气气溶胶垂直分布的探测需求,在中国科学院重大科技基础设施项目"航空遥感系统"的资助下,研制了机载双波长偏振激光雷达。介绍了该机载激光雷达的主要功能和性能参数,以及在华北地区开展的飞行观测实验,取得的结果表明,该机载激光雷达性能稳定,其探测精度达到设计要求,可以为污染源的识别和传输路径的探测提供高时空分辨率的数据,为认知大气气溶胶的微物理特性和分类提供了重要的机载遥感平台。

利用近场多波长激光雷达对生物气溶胶的偏振测量

基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355,532,1064 nm的顺次进行线偏振测量.数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性;利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。

大气气溶胶光学特性激光雷达探测

本文叙述了大气气溶胶探测激光雷达方程解和数据处理方法，给出了我们自行研制的L625和L300两台激光雷达系统的结构和主要技术参数，对平流层和对流层大气气溶胶光学特性的激光雷达探测结果进行了分析和讨论。

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验 ,并依据探测结果重点分析了北京 2 0 0 0年 1月至 4月对流层上部云和气溶胶在 5 32nm波长的消光系数分布特征。结果表明 :从 6km至 1 1km的气溶胶光学厚度值在 0 0 1 5 2至0 0 2 84之间变化 ,均值为 0 0 1 92。从 6km至 1 1km的云光学厚度值在 0 0 1 4至 0 2 3之间变化。观测到的单层高云的厚度最大为 6km。 4月 6日 ,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京。 4月 7日北京地区无可见云 ,激光雷达探测结果表明 ,从 4km至 1 0km高度范围内 ,存在一层厚度约为 6km的气溶胶粒子层 ,消光系数峰值处于 8km附近 ,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级。估计这是一层沙尘气溶胶 ,系由远距离输送至北京形成的。

合肥上空卷云和沙尘气溶胶退偏振比的激光雷达探测

研制了一台L30 0偏振激光雷达 ,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振激光雷达的探测原理 ,叙述了L30 0偏振激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。初步的探测结果表明 ,合肥西郊上空高度在 1 0km左右的卷云的退偏振比在 0 4～ 0 5之间 ,沙尘气溶胶的退偏振比在 0 2～ 0 3范围内 ,但是剧烈沙尘暴的气溶胶的退偏振比可达到 0

西藏那曲与北京郊区对流层气溶胶的微脉冲激光雷达测量

用微脉冲激光雷达对西藏那曲地区和北京郊区2004年夏季大气对流层气溶胶的光学特性进行了测量和分析,给出了两地区气溶胶消光系数的垂直分布以及那曲地区的大气边界层高度.结果表明:北京郊区大气对流层气溶胶的组分、浓度及粒径分布较那曲地区呈现出较大的不均匀性,那曲地区则具有较好的近地面空气质量.因此,利用微脉冲激光雷达可以实现大气气溶胶的有效测量.

新型车载式激光雷达探测对流层气溶胶

介绍了中国科学院安光所自行研制的新型车载式激光雷达的结构和主要技术参数,给出了雷达数据的反演方法,并利用它对合肥地区对流层的大气气溶胶进行了探测。测量结果表明,该雷达具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间与空间分布特征。

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求,成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号,结合相应的激光雷达方程,反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示,该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测,对夜晚8km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%,而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。

探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达

介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能,分析讨论了该激光雷达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能。其夜晚的探测高度达到15km左右,白天的探测高度达到10km左右。还可对卷云进行探测,获得卷云的厚度及其峰值消光系数。该激光雷达具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高、探测速度快等优点。

利用激光雷达资料分析兰州远郊气溶胶光学特性

利用2007年1～4月兰州大学半干旱气候与环境观测站激光雷达资料,反演了晴空无云典型日和沙尘过程大气气溶胶消光系数和光学厚度。结果表明,兰州远郊榆中地区,1km以下大气气溶胶消光系数较大,为0.01～0.1km-1;平均气溶胶光学厚度<0.5,光学厚度日变化呈双峰型,峰值分别出现在12:00和20:00。采暖期与非采暖期气溶胶光学厚度有显著差异。而对沙尘天气,6km以下气溶胶消光系数较大,为0.1～1km-1;气溶胶光学厚度>1,最强时可达3.5;沙尘强度较大时,激光雷达对气溶胶有效观测<2km,消光系数反演出现截断现象;沙尘气溶胶光学厚度与PM10地面浓度有良好的相关性;激光雷达反演的光学厚度与太阳光度计光学厚度的相关系数为0.86。

南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量

利用拉曼-瑞利-米激光雷达对南京北郊雾霾气溶胶进行观测和分析,并和气象预报相比对。2009年12月2日进行了长时间连续的观测实验,分析比较2009年12月2日观测的雾霾激光雷达距离矫正信号和2011年1月10日南京北郊晴空大气边界层气溶胶激光雷达距离矫正信号的区别和特征。实验结果表明:2009年12月2日10:00至19:00观测出现雾霾,激光雷达观测到雾霾出现的时间段和当天南京气象预报相吻合;南京北郊雾霾出现在低空300m左右,厚度大约为700m,大气边界层气溶胶出现的高度为1 000m左右,厚度大约为1 500m。

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318,在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性,并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明,此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条:一条起源于青海西北经西宁抵兰州,另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州;沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内;沙尘气溶胶消光系数随高度先增加,到0.2 km左右高度达到最大,然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型,最高峰出现在28日12:00,次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近;雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。

微脉冲激光雷达反演气溶胶的水平分布

城市近地面气溶胶的分布随时空快速变化,常用的地基定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度,大致反映区域内气溶胶的分布情况。为确定气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况,利用微脉冲激光雷达(MPL)、粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度监测仪获得的气溶胶数据,根据Mie散射理论建立了气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数的数学模型,反演得到了水平路径上的气溶胶质量浓度分布。该方法可以以测量点为中心进行0~6km的360°的水平扫描,具有监测范围大、分辨率高的优点。最后开展了气溶胶水平分布的实际测量,获得了距离6km长的水平路径上近地面气溶胶质量浓度的实时分布。这为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化提供了有效的数据支持。

激光雷达测量大气气溶胶光学厚度方法研究

介绍一种激光雷达常数标定和气溶胶光学厚度(AOD)测量的新方法。利用太阳辐射计,获得大气气溶胶的光学厚度,激光雷达可以获得35-40 km高度的回波信号,在这一高度区间可忽略气溶胶的存在,大气模式可以提供大气分子散射系数,根据激光雷达方程计算出激光雷达常数。反之,标定激光雷达常数后,根据激光雷达方程,以激光雷达35-40 km的大气分子后向散射回波信号来确定气溶胶的光学厚度。激光雷达测量结果与太阳辐射计的测量结果一致性较好,说明该方法是可行的。这种新方法既可以用于白天的气溶胶光学厚度测量,也可以用于夜间测量。

银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′,东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。