大氣氣溶膠多層結(jié)構(gòu)的激光雷達探測

于思琪，劉東，徐繼偉，王珍珠，吳德成，王英儉

（1.中國科學技術(shù)大學 環(huán)境科學與光電技術(shù)學院，合肥 230026；2.中國科學院安徽光學精密機械研究所 中國科學院大氣光學重點實驗室，合肥 230031）

大氣是由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個龐大的分散體系，該體系中分散的各種粒子稱為大氣氣溶膠[1]。大氣氣溶膠可根據(jù)產(chǎn)生機制分為自然源和人為源，按來源可以分為本地源和外來源。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大氣氣溶膠已成為我國環(huán)境污染的重要因素之一，尤其是我國北方地區(qū)的冬季。分布在大氣中的氣溶膠除了會對人們的健康產(chǎn)生影響，還會對輻射強迫產(chǎn)生影響，進一步影響著天氣和氣候[2]。大氣氣溶膠通過參與云的微物理過程，對云的生命周期也產(chǎn)生巨大影響，同時大氣氣溶膠的垂直分布也會改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性[3-4]。獲取大氣氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)有助于分析氣溶膠的來源以及估算不同高度大氣氣溶膠對輻射強迫產(chǎn)生的影響。全球氣溶膠模型對氣溶膠分布的預(yù)測、對輻射影響的準確評估也需要更多的氣溶膠垂直分布信息。傳統(tǒng)的探測手段如探空無法連續(xù)定點觀測，而太陽輻射計則無法獲得大氣氣溶膠的垂直廓線。激光雷達作為一種主動遙感手段，可以連續(xù)獲得大氣氣溶膠高時空分辨率的垂直分布情況。

國內(nèi)外的研究人員利用各種探測手段對大氣氣溶膠的分布情況進行了一些觀測。Sarangi 等[4]利用微脈沖激光雷達、太陽光度計等觀測手段對印度恒河平原季風時期氣溶膠的分布情況進行了分析。Jugder 等[5]利用米偏振激光雷達對蒙古利亞地區(qū)的沙塵、生物質(zhì)燃燒氣溶膠和人為源氣溶膠進行了探測。Liu 等[6]利用CALIPOSO 對全球沙塵氣溶膠分布及傳輸情況進行了分析。李楊等[7]通過搭載氣溶膠采樣裝置和激光粒子計數(shù)器的無人機，分析了秋末冬初重霧霾天氣下北京地區(qū)大氣氣溶膠顆粒物的垂直變化特征。高偉 等[8]利用太陽光度計對上海地區(qū)城市氣溶膠特征進行了觀測。與其他觀測手段相比，激光雷達具有可晝夜連續(xù)觀測、獲得大氣氣溶膠垂直分布廓線等優(yōu)勢。

氣溶膠光學厚度的增大不僅會導致地球表面變暗，邊界層高度發(fā)生變化，也會導致對流層溫度的變化。輻射傳輸模型顯示在不同高度的氣溶膠具有不同的加熱速率，且會對季風時期的區(qū)域氣候產(chǎn)生影 響[9]。有研究顯示，有超過50%的氣溶膠會被抬升到高海拔地區(qū)，粗顆粒物對漂浮層氣溶膠層和氣溶膠柱濃度都有很大貢獻[4]。因此對氣溶膠的垂直分布及氣溶膠性質(zhì)的研究具有重要意義。

1 儀器與測量

金華位于我國的東南部，屬于長三角經(jīng)濟帶。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，長三角地區(qū)成為全國霧霾較嚴重的區(qū)域之一。金華地區(qū)地形復(fù)雜，海拔差異較大，氣溶膠成因復(fù)雜。為了獲取金華地區(qū)大氣氣溶膠的垂直分布情況，在浙江師范大學（119.65N，29.14E）設(shè)立激光雷達觀測站點（見圖1），進行每天24 h，一周7 天的連續(xù)觀測。觀測時間從2013 年5 月至2014年6 月。在金華站點觀測使用的激光雷達是雙波長米偏振拉曼激光雷達（Dual-wavelength Mie Polarization Raman Lidar，簡寫作DMPRL）。圖2 給出了DMPRL系統(tǒng)的示意圖。該激光雷達使用Nd-YAG 激光器，有532 nm 和1064 nm 兩個波長，接受通道有4 個，分別是1064 nm 彈性散射通道、607 nm 拉曼散射通道以及532 nm 垂直、532 nm 平行兩個偏振通道。表1給出了該雷達系統(tǒng)詳細的系統(tǒng)參數(shù)。

圖2 DMPRL 結(jié)構(gòu)

修正過幾何因子的激光雷達才能夠精確獲得近距離的探測信號，通過實驗的方法可以確定激光雷達的幾何因子。該方法假定大氣是水平均勻的，在一定距離，激光束在望遠鏡視場內(nèi)完全重疊，即大氣的后向散射光完全進入探測系統(tǒng)[10]。

2 反演方法及結(jié)果

2.1 大氣邊界層

大氣邊界層位于對流層底部，其高度受到地球表面的強烈影響。影響邊界層發(fā)展的因素有很多，例如局部熱源和動力強迫，以及在天氣尺度上的強迫。局部強迫的變化（例如表面溫度）會導致大氣邊界層在空間和時間上的變化。大氣中的氣溶膠主要在邊界層內(nèi)部分布和擴散[11]。邊界層高度和地面氣溶膠濃度具有明顯的負相關(guān)，且較低的邊界層不利于大氣中氣溶膠的擴散[12-13]。激光雷達作為一種主動探測手段，通過獲得的氣溶膠垂直廓線，以氣溶膠為示蹤物間接判斷大氣邊界層高度。目前已有的大氣邊界層激光雷達反演方法有梯度法[14]、小波協(xié)方差變換法[15-16]、歸一化梯度法[17]等。梯度法是比較常用的大氣邊界層識別方法，表述為公式（2）。大氣邊界層響應(yīng)地球表面強迫的時間尺度通常約為1 h 或者更短[18]，降低高時間分辨率激光雷達數(shù)據(jù)的時間分辨率，對大氣邊界層的識別能產(chǎn)生更為良好的效果。

式中：P(z)為激光雷達接收高度z 處大氣的后向散射回波功率，W；K 為激光雷達系統(tǒng)常數(shù)，W·km3·sr。DEV(z)廓線最小值對應(yīng)的高度就是大氣邊界層的高度。

使用梯度法對2013 年8 月3 日金華邊界層 532 nm 波長激光雷達探測的通道距離校正信號（RCS）進行反演，結(jié)果如圖3 所示。在00:00 到08:00時間內(nèi)，邊界層處在0.3 km 左右，并且隨時間變化不大。氣溶膠主要集中在0.3 km 以下，原因是夜間穩(wěn)定邊界層的存在。在08:00 到12:00 左右，邊界層高度逐漸變高，從0.3 km 升高到0.8 km 左右。在08:00前后，日出導致到達地面的短波輻射增強，地面逆溫被破壞，邊界層對流得到發(fā)展。在12:00 到20:00 左右，邊界層高度從0.8 km 降低到0.3 km 左右。在這段時間，隨著太陽輻射的減弱，地面長波輻射逐漸衰弱，使得邊界層高度變低。在20:00 之后的夜間，氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，這主要是因為白天向上輸送的氣溶膠仍舊存在殘留層中。

圖3 金華2013 年8 月3 日大氣邊界層（黑色實線） 的激光雷達識別結(jié)果

2.2 性質(zhì)分析

大氣氣溶膠的垂直分布不僅在大氣邊界層以內(nèi)，還會出現(xiàn)在邊界層以上的懸浮氣溶膠層。邊界層內(nèi)氣溶膠主要受地面影響，邊界層外氣溶膠可能來自于外來源的傳輸。不同高度的氣溶膠層可能呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。利用激光雷達探測的氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比、顏色比和氣溶膠光學厚度可以描述其性質(zhì)。退偏振比（volume depolarization ratio，VDR）可以反映氣溶膠的形狀，沙塵與其他種類氣溶膠的退偏振比不同，可以作為一種有效手段識別沙塵[6]。顏色比（attenuated color ratio，ACR）可以表征氣溶膠粒子相對大小。氣溶膠光學厚度（aerosol optical depth， AOD）表示的是氣溶膠的消光能力，分別可以寫作：

式中：RCS@1064 nm 表示1064 nm 通道的距離校正回波信號；RCS@532 nm 表示532 nm 通道的距離校正回波信號；RCS@532 nm⊥和RCS@532 nm 分別表示532 nm 的垂直和平行通道的距離校正信號；z1和z2表示消光積分的高度上下限；α 表示大氣氣溶膠消光系數(shù)。

圖4 給出了2013 年10 月13 日和12 月31 日激光雷達的垂直觀測結(jié)果，主要有532 nm 距離校正信號、顏色比和退偏振比。在這兩天中，大氣氣溶膠均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，一部分氣溶膠位于1.5 km 以下，主要集中于邊界層內(nèi)。位于1.5 km 以上的氣溶膠層則位于對流層的自由大氣層中。在圖4 中2 km 處有一層漂浮氣溶膠，厚度在1 km 左右，隨著時間發(fā)展有下降的趨勢。近地面受到地面源的影響，一直存在氣溶膠層，且濃度持續(xù)相對較高。相比兩層氣溶膠，退偏振比和顏色比都表現(xiàn)出較大差異。圖 5 中，在 2~5 km 之間，也出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層，退偏振比和顏色比都區(qū)別于背景值。

圖4 金華大氣的垂直觀測結(jié)果

圖5 金華大氣垂直結(jié)構(gòu)分布特征

對2013 年10 月13 日和12 月31 日兩天00:00—08:00 時間段中上下兩層氣溶膠層分別求退偏振比和顏色比的平均值以及每層的光學厚度，圖5 給出了反演結(jié)果。由光學厚度的分布情況可知，大氣中的氣溶膠主要集中在邊界層內(nèi)。在圖5a 中，下層氣溶膠層的顏色比位于0.3~0.4 之間，上層氣溶膠層的顏色比位于0.2~0.3 之間，且都穩(wěn)步變大，說明在這天中不同高度氣溶膠層中的氣溶膠體積都隨時間逐步增長。下層氣溶膠層的顏色比始終大于0.3，而上層氣溶膠層的氣溶膠層始終小于0.3，說明下層氣溶膠層中的氣溶膠顆粒大小相對于上層較大。下層氣溶膠層的退偏振比逐漸從0.03 下降到0.02，而上層氣 溶膠層的相對穩(wěn)定，一直處于0.02 附近。說明邊界層內(nèi)氣溶膠隨著時間推移，形狀發(fā)生了變化，邊界層外氣溶膠形狀變化不大。在0 點至4 點，下層氣溶膠的退偏振比大于上層氣溶膠，而后兩層氣溶膠的退偏振比相當，可能是由于地面的輻射冷卻和地面源的排放造成的。在圖5b 中，上下兩層氣溶膠的顏色比都穩(wěn)定在0.3 附近，上下層氣溶膠顆粒大小相近。下層氣溶膠層的退偏振比為0.06，而上層氣溶膠層的退偏振比為0.1，說明兩層氣溶膠層中的氣溶膠性質(zhì)不同。上層的氣溶膠很可能是來自于高空傳輸?shù)纳硥m。文獻中對印度坎普爾的研究結(jié)果也顯示，傳輸?shù)拇诸w粒物會增加飄浮氣溶膠層中的氣溶膠[4]。Zhang 等[19]、Han等[20]分別對金華區(qū)域以及南京區(qū)域的研究結(jié)果顯示，邊界層內(nèi)與邊界層外氣溶膠性質(zhì)也會呈現(xiàn)出差異。高空氣溶膠傳輸過程很難被傳統(tǒng)觀測手段捕捉或連續(xù)監(jiān)測，而激光雷達能夠很好地探測到垂直方向氣溶膠的傳輸和擴散過程。氣溶膠在空中的存留時間主要受到氣象條件內(nèi)在性質(zhì)的影響，不同高度的氣溶膠會產(chǎn)生不同的加熱速率，分析氣溶膠層的垂直分布情況及其性質(zhì)，有助于減少氣溶膠輻射強迫的不確定性[4]。

3 結(jié)語

激光雷達能夠很好地反應(yīng)大氣中氣溶膠的分布情況，是大氣垂直探測的有效手段。大氣中氣溶膠在垂直方向上可能會存在分層的情況，邊界層內(nèi)是大氣氣溶膠的集中區(qū)域，因此對大氣邊界層的反演是很有必要的。在利用激光雷達對大氣邊界層的反演過程中，由于氣溶膠與云相互作用，邊界層變化情況比較復(fù)雜，自動反演仍需要更好的方法。大氣中氣溶膠可以通過退偏振比、顏色比等參數(shù)來進行描述與區(qū)分，其高度分布特征和性質(zhì)都是重要的大氣參數(shù)。對大氣中氣溶膠的大小，形狀等信息的反演將有利于對氣溶膠的來源、傳輸及演化情況進行分析。