基于拉曼激光雷達(dá)的大氣溫度和水汽反演分析

譚 敏，王邦新*，莊 鵬，張站業(yè)，李 路，儲(chǔ)玉飛，謝晨波, 王英儉

1. 中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230031 2. 先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037 3. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院, 安徽 合肥 230026

引 言

溫度、水汽和氣溶膠是三個(gè)重要的大氣氣象參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)的持續(xù)觀察對(duì)于提高我們對(duì)天氣和氣候變化的理解至關(guān)重要，特別是對(duì)地球大氣的輻射和熱平衡以及大氣化學(xué)的研究。同時(shí)準(zhǔn)確觀測(cè)這些氣象參數(shù)的日變化對(duì)于了解和預(yù)測(cè)天氣變化的環(huán)境評(píng)估具有指導(dǎo)作用[1]。云的形成和水文循環(huán)是理解水蒸汽濃度和運(yùn)動(dòng)的必要條件。氣溶膠粒子通過(guò)吸收和散射輻射可以對(duì)地球大氣輻射系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生重大影響[2-3]。人類(lèi)活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生許多顆粒和二次氣溶膠，導(dǎo)致能見(jiàn)度明顯降低和霧霾加重。最重要的是，懸浮在空氣中的小顆粒(PM2.5)將導(dǎo)致空氣污染問(wèn)題并影響人體健康[4]。

北京市政府出臺(tái)了一系列臨時(shí)性政策，比如根據(jù)車(chē)牌號(hào)牌限制出行，限制粉塵排放和禁止焚燒等產(chǎn)生污染物的行為。2014年亞太經(jīng)濟(jì)合作組織峰會(huì)(Asia-Pacific Economic Cooperation, APEC)，北京及其周邊地區(qū)包括河北、天津、山東和內(nèi)蒙古采取了這些措施來(lái)保證空氣質(zhì)量。測(cè)量實(shí)驗(yàn)于2014年11月至2015年1月在北京市懷柔區(qū)雁棲湖(40.41°N，116.68°E)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(UCAS)大氣觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。觀測(cè)試驗(yàn)可以幫助我們理解空氣污染的演變，并評(píng)估空氣污染控制措施的影響[5-6]。

激光雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣氣溶膠、大氣溫度和水汽的空間分布及時(shí)間演變特征測(cè)量[1, 7-8]。2014年11月，依據(jù)中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“先導(dǎo)2014京津冀地區(qū)灰霾綜合外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)”任務(wù)需求，中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自行研制的溫度水汽、氣溶膠拉曼激光雷達(dá)(temperature, water vapor and aerosols Raman lidar, TWAR[9])對(duì)北京市的大氣溫度、水汽和氣溶膠進(jìn)行了探測(cè)。

1 TWAR激光雷達(dá)

TWAR激光雷達(dá)安裝在移動(dòng)式方艙內(nèi)，可以很方便地移動(dòng)到不同觀察點(diǎn)。圖1是TWAR激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖以及實(shí)物圖。

Nd∶YAG激光器的出射光頻率為1 064 nm(1 000 mJ)，經(jīng)二倍頻、三倍頻產(chǎn)生532 nm (500 mJ) 和355 nm (200 mJ) 頻率的激光。1 064和532 nm出射光通過(guò)小窗口傳輸?shù)酱髿庵?，使用直徑?00 mm，焦距為4 m的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡(圖1中標(biāo)記為A)接收回波信號(hào)。在光學(xué)后繼接收盒中，1 064 nm的彈性信號(hào)被PMT6(Photomultiplier Tube, 光學(xué)倍增管)接收。532 nm的信號(hào)通過(guò)偏振片分為平行和垂直信號(hào)分別被PMT7和PMT8接收。這些信號(hào)可以用于分析氣溶膠和云層的分布特性。

355 nm的激光通過(guò)擴(kuò)束鏡(可以使激光束的發(fā)散角縮小到0.1 mard，這可以保護(hù)工作人員的眼睛，同時(shí)也能減少背景噪聲和能量密度)經(jīng)過(guò)大窗口傳輸?shù)酱髿庵??；夭ㄐ盘?hào)被直徑為450 mm，焦距為4 m的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡(圖1中標(biāo)記為B)接收。光學(xué)后繼接收盒中，入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后被BS1(Beam Splitter，分束片)分開(kāi)，使得拉曼信號(hào)和彈性信號(hào)分開(kāi)，大于370 nm的波長(zhǎng)被透過(guò)(透過(guò)率為95%)，而小于370 nm的波長(zhǎng)被反射(1%透過(guò))。由355 nm激發(fā)的水汽和N2的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)分別約為407和386 nm，它們被BS2分開(kāi)，分別聚焦在PMT4和PMT5上，355 nm的彈性信號(hào)聚焦于PMT1上，低階量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)聚焦于PMT2上，高階量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)聚焦于PMT3上。在整個(gè)接收光路中，可以調(diào)節(jié)IF1—IF3(Interference Filter，干涉濾光片)的角度，從而選擇提取的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào)的中心波長(zhǎng)，以確認(rèn)最合適的干涉濾光片參數(shù)。

圖1 TWAR激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)圖和照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram and photograph of the developed TWAR lidar

2 探測(cè)原理

由于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜的強(qiáng)度分布包含關(guān)于大氣溫度的信息，因此可以根據(jù)N2和O2的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線強(qiáng)度與大氣溫度的依賴關(guān)系反演大氣溫度。為了計(jì)算大氣溫度分布，表達(dá)見(jiàn)式(1)和式(2)[9]

(1)

(2)

式中，Q(T,z)是低階轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)譜線強(qiáng)度與高階轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)譜線強(qiáng)度之比；Sjlow(T,z)和Sjhigh(T,z)分別為低階轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)和高階轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)拉曼通道所對(duì)應(yīng)的大氣回波信號(hào)。A，B和C是可以通過(guò)擬合確定的校準(zhǔn)系數(shù)；z是高度。

高度z處的水汽混合比可以用式(3)表示[10]

(3)

式(3)中，Cw是標(biāo)定常數(shù)；PWV(z)和PRR(z)分別是水汽通道和氮?dú)馔ǖ赖幕夭ㄐ盘?hào)；Tr(z)是大氣透過(guò)率校正項(xiàng)，它是散射體和激光雷達(dá)之間的大氣在氮?dú)夥肿永⑸洳ㄩL(zhǎng)和水汽分子拉曼散射波長(zhǎng)上的透過(guò)率比值。

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度探測(cè)

觀測(cè)實(shí)驗(yàn)是在2014年11月1日至2015年1月31日進(jìn)行的，TWAR激光雷達(dá)放置于北京市懷柔區(qū)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)(40.41°N，116.68°E)，激光雷達(dá)每隔15 min探測(cè)一次，每次探測(cè)4分鐘(激光器發(fā)射5 000個(gè)激光脈沖，脈沖頻率為20 Hz)。圖2顯示了激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀的溫度分布圖以及統(tǒng)計(jì)溫度不確定性分布圖。統(tǒng)計(jì)溫度不確定度可以按照式(4)計(jì)算

(4)

式(4)中，PRR1和PRR2分別為低階量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道和高階量子數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道去除噪聲后的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼大氣回波信號(hào)；PB1和PB2分別是兩個(gè)通道的噪聲信號(hào)；Q為兩信號(hào)的比值。

在處理激光雷達(dá)信號(hào)時(shí), 首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理, 本文選擇三角濾波法, 3 km以下的平滑窗口選擇120 m，3 km以上的平滑窗口選擇600 m。由圖2可知，TWAR激光雷達(dá)探測(cè)的溫度和無(wú)線電探空儀探測(cè)的溫度在10 km高度以內(nèi)仍具有相同的趨勢(shì)，吻合的很好，同時(shí)大氣溫度隨著高度升高而降低，下降速率約為6 K·km-1。然而500 m以下的激光雷達(dá)探測(cè)的溫度不是那么的準(zhǔn)確，這主要是因?yàn)榻孛鎺缀我蜃拥挠绊憽?/p>

圖2 (a)2014年11月8日和(b)2014年11月13日在雁棲湖測(cè)得的激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀的溫度曲線

誤差曲線顯示了統(tǒng)計(jì)溫度的不確定性

Fig.2 Lidar and radiosonde temperature profiles measured at Yanqi Lake (40.41°N, 116.68°E) on (a) 8 November 2014 and (b) 13 November 2014

Error profiles show the statistical temperature uncertainty

標(biāo)定系數(shù)a,b,c可以通過(guò)反演公式擬合得出

Q(T)=exp(a/T2+b/T+c)

(5)

本文反演的標(biāo)定系數(shù)為a=1.35×105，b=-4.7×103,c=24.71。圖2(a)為2014年11月8日晚上20:30的溫度廓線，該天為干凈天； 圖2(b)為2014年11月13日晚上20:30的溫度廓線，該天為輕微霧霾天。在干凈天的情況下，激光雷達(dá)與無(wú)線電探空儀在10 km以下的溫度廓線吻合的很好，6.2 km以下的統(tǒng)計(jì)誤差小于1 K，然而在輕微霧霾天的情況下，統(tǒng)計(jì)誤差小于1 K的高度僅為2.5 km。此外由于9 km左右有云的出現(xiàn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道探測(cè)到了強(qiáng)烈的米散射信號(hào)，因此在云層上方有較大的統(tǒng)計(jì)不確定性，但是同時(shí)可以觀察到云層下方的激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀探測(cè)的溫度吻合的很好，且6 km以下的統(tǒng)計(jì)誤差不超過(guò)3 K。

圖3顯示了2014年11月8日20:00至22:00間的連續(xù)溫度廓線，雖然由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的不確定性帶來(lái)溫度數(shù)據(jù)的波動(dòng)，但是仍然可以通過(guò)TWAR激光雷達(dá)觀察到溫度的連續(xù)變化過(guò)程。激光雷達(dá)調(diào)整為每隔五分鐘工作一次，每次發(fā)射2 000個(gè)激光脈沖。為了更好地觀察到溫度的時(shí)空變化，連續(xù)的溫度廓線依次平移13 K。從圖中可以看出2 h內(nèi)的溫度變化比較穩(wěn)定，2～3 km的溫度緩慢增加，這很可能是因?yàn)槿祟?lèi)活動(dòng)以及太陽(yáng)輻射的揮發(fā)，導(dǎo)致近地面熱空氣上移引起的。

圖3 TWAR激光雷達(dá)探測(cè)的連續(xù)溫度廓線Fig.3 Consecutive temperature profilesmeasured with TWAR lidar

3.2 水汽混合比探測(cè)

圖4為2014年7月28日激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀探測(cè)的水汽混合比，本次觀測(cè)地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院大氣光學(xué)中心，觀測(cè)時(shí)間為19:30—20:00，在觀測(cè)地同時(shí)釋放探空氣球進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖4(a)顯示了無(wú)云條件下，10 km以內(nèi)的激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀探測(cè)的水汽混合比。圖4(b)和(c)分別為激光雷達(dá)探測(cè)的水汽與無(wú)線電探空儀探測(cè)的水汽之間的誤差和相對(duì)誤差。由觀測(cè)結(jié)果可知，4 km以內(nèi)的相對(duì)誤差不超過(guò)5%，7.5 km以內(nèi)的相對(duì)誤差不超過(guò)20%。同時(shí)由于幾何因子的影響，400 m以內(nèi)的誤差較大。

圖4 (a)激光雷達(dá)探測(cè)的水汽(黑色圓圈)與探空氣球探測(cè)的水汽(黑色曲線)； (b)誤差； (c)相對(duì)誤差

Fig.4 (a) Profiles of water-vapor mixing ratio, measured with lidar (circles) and radiosondes launched at night (black curves) on 28 July 2014； (b) Difference between lidar and local radiosonde measurements； (c) Relative error profile

圖5 2014年11月9日和10日用激光雷達(dá)(黑色曲線)和無(wú)線電探空儀(黑色虛線)探測(cè)的水汽混合比

Fig.5 Profiles of water-vapor mixing ratio, measured with lidar (black curves) and radiosonde (black dashes) for 9 and 10 November 2014

圖5為2014年11月9日和10日激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀探測(cè)的水汽混合比，觀測(cè)地點(diǎn)為北京懷柔區(qū)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)雁棲湖校區(qū)(40.41°N，116.68°E)。對(duì)比可知，激光雷達(dá)和無(wú)線電探空儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合的比較好，但是并不如合肥的數(shù)據(jù)，這主要是因?yàn)楸本o(wú)線電探空儀釋放位置距離觀測(cè)點(diǎn)約15 km。另外，我們也可以發(fā)現(xiàn)北京的冬季非常干燥，水汽混合比一般低于2 g·kg-1。

4 結(jié) 論

利用TWAR激光雷達(dá)在北京懷柔進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，結(jié)論如下：

(1)TWAR激光雷達(dá)探測(cè)到的大氣溫度和水汽與無(wú)線電探空儀探測(cè)的數(shù)據(jù)吻合的非常好。

(2)干凈天的情況下，TWAR激光雷達(dá)探測(cè)的6.2 km以內(nèi)的夜間統(tǒng)計(jì)溫度誤差小于 1 K； 輕微霧霾天的情況下，TWAR激光雷達(dá)2.5 km以內(nèi)的夜間統(tǒng)計(jì)溫度誤差小于 1 K。

(3)水汽探測(cè)過(guò)程中，TWAR激光雷達(dá)在4 km以內(nèi)的相對(duì)誤差不超過(guò)5%，7.5 km以內(nèi)的相對(duì)誤差不超過(guò)20%。