激光雷達(dá)探測整層大氣晝夜氣溶膠光學(xué)厚度

汪惜今 , 徐青山 , 范傳宇 ,4, 程晨 , 戚鵬 ,5, 徐赤東

( 1 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所基礎(chǔ)科學(xué)研究中心, 安徽 合肥 230031;2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 安徽 合肥 230026;3 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所, 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031;4 皖西學(xué)院電氣與光電工程學(xué)院, 安徽 六安 237012;5 安徽建筑大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

大氣氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系, 是地球大氣的主要成分之一[1]。氣溶膠通過對太陽輻射能的吸收和散射影響氣候變化[2]。氣溶膠對太陽輻射的影響通常采用氣溶膠光學(xué)參數(shù)來表征。針對大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)的探測, 一直是大氣科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者的密切關(guān)注對象。氣溶膠光學(xué)厚度 (AOD) 表征了氣溶膠對太陽輻射的衰減特性, 是氣溶膠光學(xué)參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)。

AOD定義為沿著傳播路徑, 由大氣柱中的氣溶膠引起的消光量。探測AOD的技術(shù)手段主要分為被動(dòng)探測技術(shù)和主動(dòng)光學(xué)探測技術(shù)。被動(dòng)探測技術(shù)包括太陽光度計(jì)探測、月光和星光探測, 太陽光度計(jì)應(yīng)用廣泛、穩(wěn)定性強(qiáng), 但是無法在夜間進(jìn)行觀測; 月光和星光探測能夠在夜晚探測AOD, 是夜間氣溶膠被動(dòng)遙感手段的有效補(bǔ)充, 但其工程應(yīng)用仍在探索之中。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)探測工具, 具備晝夜觀測能力, 為夜間觀測氣溶膠光學(xué)參數(shù)提供了一種有效手段。王珍珠等[3]使用米散射激光雷達(dá)在北京地區(qū)進(jìn)行了探測, 指出大氣邊界層內(nèi)的氣溶膠粒子濃度較高, 大氣邊界層高度在夏季相對穩(wěn)定。周碧等[4]利用連續(xù)5年的激光雷達(dá)資料,反演得到蘭州地區(qū)的氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線, 指出消光系數(shù)的反演會(huì)受到沙塵等特殊天氣的影響。

在氣溶膠消光系數(shù)廓線遵循指數(shù)型分布的情形下, Penndorf[5]指出消光系數(shù)減少至地面1/e時(shí)的高度稱為氣溶膠標(biāo)高, 結(jié)合激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù), 可以獲得AOD。Qiu等[6]分析了1994—2001年中國11個(gè)站點(diǎn)的季節(jié)性氣溶膠標(biāo)高和消光系數(shù)廓線的特征, 得出氣溶膠標(biāo)高變化與地域以及季節(jié)密切相關(guān), 多日數(shù)據(jù)平均值反演得出的消光系數(shù)更符合指數(shù)型分布。范偉等[7]根據(jù)大氣AOD和近地面水平能見度的測量結(jié)果, 得出了氣溶膠隨時(shí)間、季節(jié)以及地理位置變化的規(guī)律: 秋季內(nèi)陸地區(qū)標(biāo)高最大, 冬季次之, 夏季沿海地區(qū)氣溶膠標(biāo)高最小。李成才等[8]應(yīng)用MODIS遙感產(chǎn)品對北京及周邊地區(qū)的氣溶膠進(jìn)行了分析, 發(fā)現(xiàn)受沙塵暴天氣的影響, 春季氣溶膠標(biāo)高較高, 夏季由于混合層高度較高, 氣溶膠標(biāo)高明顯高于冬季; 此外, 將AOD和能見度擬合得到的AOD產(chǎn)品, 在同一季節(jié)內(nèi)進(jìn)行對比, 不同季節(jié)內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn), 可用于研究地面污染等有關(guān)問題。韓永等[9]利用能見度儀和太陽輻射計(jì)獲得了氣溶膠標(biāo)高水平方向上的變化特征, 指出氣溶膠標(biāo)高與波長成反比, 夏季氣溶膠標(biāo)高小于冬季, 但是由于觀測條件限制無法得出夜間的氣溶膠標(biāo)高。

為了驗(yàn)證激光雷達(dá)用于整層大氣AOD測量的可行性, 胡順星等[10]將雷達(dá)所得結(jié)果與太陽輻射計(jì)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對比, 發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性, 證明將激光雷達(dá)用于測量整層大氣AOD 的方法可行。陳莎莎等[11]利用Fernald后向積分法反演得出氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線, 并將消光系數(shù)廓線分為四個(gè)不同的類型, 從而擬合得出氣溶膠標(biāo)高, 計(jì)算出整層大氣AOD, 與太陽高度計(jì)所測整層大氣AOD進(jìn)行對比, 平均相對誤差小于6.7%, 一致性較好。

本文利用激光雷達(dá)進(jìn)行晝夜連續(xù)觀測氣溶膠光學(xué)參數(shù)的特性, 得出氣溶膠垂直方向上的消光系數(shù)廓線,并在此基礎(chǔ)上得出氣溶膠標(biāo)高; 進(jìn)而基于地面能見度數(shù)據(jù)推算出近地面消光系數(shù), 將二者相結(jié)合, 計(jì)算得出整層大氣AOD; 最后以合肥地區(qū)一個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)為例, 初步嘗試分析了整層大氣AOD的晝夜變化特征。

1 儀器和基本原理

1.1 儀器

實(shí)驗(yàn)采用波長為 532 nm 的微脈沖激光雷達(dá) (MPL) 進(jìn)行探測, 用于研究合肥地區(qū)大氣氣溶膠的光學(xué)特性。MPL精度高、體積小、移動(dòng)性好, 對顆粒物、大氣能見度等可開展連續(xù)觀測工作, 獲得其時(shí)空分布特征和變化規(guī)律[12]。

激光進(jìn)入大氣后, 會(huì)受到傳輸路徑上氣溶膠粒子以及空氣分子的衰減, 發(fā)生彈性散射, 最終被探測器接收。激光雷達(dá)方程可表示為[13]

1.2 基本原理

已有的研究表明, 氣溶膠濃度隨高度呈指數(shù)型下降, 從而氣溶膠消光系數(shù)σz隨高度變化也遵循指數(shù)型下降[14], 其表達(dá)式為

式中σ0為近地面消光系數(shù),H為氣溶膠標(biāo)高。

光學(xué)厚度τ是消光系數(shù)在垂直方向上的積分, 可以表示為

消光系數(shù)的反演一般有斜率法[15]和 Fernald法[16]。通常情況下, 斜率法常用于水平探測, 前提是大氣均勻分布, 而Fernald法常用于垂直探測。呂立慧等[17]對這兩種激光雷達(dá)反演算法進(jìn)行了對比, 指出Fernald法更適用于非理想狀態(tài)下消光系數(shù)的反演, 相對誤差較小。

近地面消光系數(shù)可以利用激光雷達(dá)進(jìn)行水平測量獲得, 但由于不可能頻繁交替測量垂直和水平數(shù)據(jù), 因此可以使用地面能見度數(shù)據(jù)推算近地面消光系數(shù)。已有研究結(jié)果表明, 利用能見度計(jì)算得出的近地面消光系數(shù)和激光雷達(dá)水平方向測得的消光系數(shù)具有較好的一致性[18,19]。根據(jù)Koschmieder 定律, 能見度V可表示為

式中ε定義為人眼視角閾值, 取值為 0.02[20], 由此可得

根據(jù)安徽省氣象觀測站 (58321) 提供的合肥城區(qū)的近地面能見度資料, 利用式 (6) 可計(jì)算得出近地面消光系數(shù)。

基于垂直方向上的氣溶膠消光系數(shù)廓線, 可以求解得出氣溶膠標(biāo)高。利用Fernald后向積分法可計(jì)算得出氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線, 其計(jì)算公式為

式中σa(r) 和σm(r) 分別代表氣溶膠粒子、空氣分子在高度r處的消光系數(shù);Sa是氣溶膠消光后向散射比, 本實(shí)驗(yàn)的觀測點(diǎn)為合肥城郊, 該地區(qū)的氣溶膠消光后向散射比Sa通常取值為 50 sr 較為合理[21];Sm是空氣分子消光后向散射比, 通常取 8π/3 。rc為標(biāo)定高度, 一般選擇氣溶膠含量微乎其微的大氣層所在高度, 并且可以認(rèn)為這一高度上 [P(r)r2]/βm(r) 有最小值, 本研究選取 4～6 km 為標(biāo)定高度;σa(rc) 和σm(rc) 分別為標(biāo)定高度處氣溶膠粒子和空氣分子的消光系數(shù)的初值, 標(biāo)定高度處氣溶膠消光系數(shù)的初值由該處的氣溶膠散射比R決定 [R= 1+βa(rc)/βm(rc) = 1.01], 空氣分子的消光系數(shù)則取決于大氣模式[22]。

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

利用MPL 2020年1月的觀測數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)處理和分析驗(yàn)證工作。觀測數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為 1 min, 能見度的觀測數(shù)據(jù)同步為 1 min 數(shù)據(jù)。

2.1 氣溶膠消光系數(shù)廓線的計(jì)算

利用MPL接收到的回波信號(hào), 通過Fernald法求解出氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線。圖 1 (a)、(b) 分別給出了北京時(shí)間2020年1月2日夜間01:42和白天08:30垂直方向上的氣溶膠消光系數(shù)廓線, 其中所選兩個(gè)時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)均滿足晴天無云條件。對兩組觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行指數(shù)型擬合, 發(fā)現(xiàn)觀測期間氣溶膠消光系數(shù)垂直分布基本符合指數(shù)型分布特征。對比實(shí)測的晝夜兩組氣溶膠消光系數(shù)廓線, 可以看出, 白天氣溶膠消光系數(shù)廓線層結(jié)構(gòu)較為豐富, 沒有夜間平滑, 這可能是由于白天對流層的垂直活動(dòng)較為劇烈, 這種氣溶膠消光系數(shù)廓線的晝夜差異將會(huì)影響晝夜氣溶膠標(biāo)高的變化。

圖 1 氣溶膠消光系數(shù)廓線。(a) 夜間; (b)白天Fig. 1 Aerosol extinction coefficient profiles. (a) Night; (b) day

2.2 氣溶膠標(biāo)高的計(jì)算

氣溶膠標(biāo)高的計(jì)算采用陳莎莎等[11]提出的方法, 將氣溶膠消光系數(shù)廓線分為四種類型。

1) 如果氣溶膠消光系數(shù)廓線在垂直方向上大致服從指數(shù)型變化, 那么可以根據(jù)式 (3) 直接采取指數(shù)擬合的方法得出標(biāo)高。

2) 如果氣溶膠消光系數(shù)廓線在邊界層上方呈現(xiàn)指數(shù)型變化, 邊界層內(nèi)氣溶膠充分混合, 則有

標(biāo)高H=H′a+H1。

3) 如果邊界層內(nèi)氣溶膠分布不均勻, 在某一高度層內(nèi)有積累, 則有

針對上述四種方法擬合計(jì)算出的氣溶膠標(biāo)高與太陽光度計(jì)的結(jié)果進(jìn)行對比, 發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的相關(guān)性, 證明上述方法可行。

利用Fernald后向積分法得到2020年1月2日氣溶膠消光系數(shù)廓線, 通過對消光系數(shù)進(jìn)行處理得到氣溶膠標(biāo)高。圖 2為利用MPL測得的全天數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的當(dāng)日氣溶膠標(biāo)高, 數(shù)據(jù)按小時(shí)平均。從圖中可以看出, 氣溶膠標(biāo)高值呈現(xiàn)早晚低、中午高的趨勢, 凌晨氣溶膠標(biāo)高值較小, 隨著時(shí)間的推移, 氣溶膠標(biāo)高值白天逐漸升高, 夜晚又逐漸減小, 晝夜氣溶膠標(biāo)高值存在差異。

圖 2 氣溶膠標(biāo)高的日變化Fig. 2 Diurnal variation of aerosol scale height

2.3 近地面消光系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)合肥地區(qū)2020 年1 月份的能見度數(shù)據(jù), 利用式 (6) 計(jì)算得出1 月2 日的近地面消光系數(shù), 如圖 3 所示?？梢钥闯? 近地面消光系數(shù)從00:00開始由0.5緩慢減小, 然后不斷升高, 在12:00達(dá)到當(dāng)日最高值0.637,之后又逐漸減小, 到了夜晚又呈現(xiàn)增大趨勢。將能見度得到的消光系數(shù)和激光雷達(dá)MPL得到的結(jié)果進(jìn)行對比, 結(jié)果如圖 4所示。由圖可知, 相關(guān)系數(shù)為 0.8821, 證明利用能見度獲得消光系數(shù)是可靠的。

圖 3 近地面消光系數(shù)分布Fig. 3 Distribution of surface extinction coefficient

圖 4 近地面消光系數(shù)結(jié)果 (能見度儀和MPL) 對比Fig. 4 Comparison of surface extinction coefficients from MPL and visibility

2.4 AOD日變化的計(jì)算

通過前面計(jì)算所得氣溶膠近地面消光系數(shù)和標(biāo)高, 根據(jù)式 (4) 可以得出1月2日合肥地區(qū)整層大氣AOD分布, 結(jié)果如圖 5 所示。由圖可知, 1 月2 日的AOD 呈現(xiàn)單峰型, 凌晨AOD 值較小, 在05:00 為當(dāng)天最小值0.191; 隨著太陽的升起, AOD值逐漸增大, 在14:00達(dá)到當(dāng)日最大值1.38, 隨后又不斷降低。當(dāng)日AOD晝夜分布也存在差異, 白天AOD平均值為 0.783, 大于夜晚AOD平均值 0.315。

圖 5 AOD日變化Fig. 5 Diurnal variation of AOD

2.5 氣溶膠光學(xué)參數(shù)的月變化及影響因素分析

圖 6給出了2020年1月連續(xù)一個(gè)月的氣溶膠標(biāo)高和AOD的晝夜分布計(jì)算結(jié)果。從中可以看出, 1月白天和夜晚的氣溶膠標(biāo)高和AOD均存在差異, 都通過了顯著水平為0.05的檢驗(yàn), 白天氣溶膠標(biāo)高和AOD明顯大于夜晚。

圖 6 2020年1月氣溶膠標(biāo)高 (a) 和AOD (b) 晝夜對比Fig. 6 Day-night comparion of aerosol scale height (a) and AOD (b) in January 2020

圖 7 氣溶膠標(biāo)高和相對濕度的關(guān)系Fig. 7 Relationship between aerosol scale height and relative humidity

進(jìn)一步對于影響氣溶膠標(biāo)高和AOD的氣象因素進(jìn)行了分析。圖 7表示了2020年1月的氣溶膠標(biāo)高和相對濕度之間的相關(guān)性, 其中相對濕度數(shù)據(jù)為逐日平均值, 來源于安徽省氣象觀測站 (58321), 由圖可知, 相對濕度和氣溶膠標(biāo)高呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 通過了99%的顯著性水平檢驗(yàn), 即氣溶膠標(biāo)高隨著相對濕度的減少而增大。造成這種現(xiàn)象的原因, 可能是由于相對濕度的增加, 氣溶膠粒子對水汽的吸收能力增強(qiáng), 使氣溶膠粒子本身的質(zhì)量不斷增大, 受重力的影響出現(xiàn)沉降作用, 導(dǎo)致氣溶膠標(biāo)高減小[23]。1月氣溶膠標(biāo)高和相對濕度的相關(guān)系數(shù)為 -0.881, 證明兩者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)。

此外, 還對2020年1月AOD和能見度的關(guān)系進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖 8所示?？傮w來看, 1月晝間、夜間和總的AOD 與能見度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。值得注意的是, 1 月白天AOD 與能見度的相關(guān)性要強(qiáng)于夜晚, 白天AOD與能見度的相關(guān)系數(shù)為 -0.701, 而夜間的相關(guān)數(shù)據(jù)為 -0.612。

3 結(jié) 論

利用MPL接收到的回波信號(hào), 通過Fernald法求解出氣溶膠消光系數(shù)垂直廓線, 計(jì)算得出氣溶膠標(biāo)高; 同時(shí)利用能見度和消光系數(shù)的關(guān)系得到近地面水平方向的消光系數(shù), 由此計(jì)算出AOD。對合肥地區(qū)的2020年1月連續(xù)一個(gè)月的晝夜氣溶膠標(biāo)高以及AOD進(jìn)行了計(jì)算分析, 結(jié)果顯示, 兩者晝夜均存在差異。進(jìn)一步對影響的氣象因素進(jìn)行分析, 得出氣溶膠標(biāo)高和相對濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, 相對濕度大則氣溶膠標(biāo)高值小, AOD和能見度也存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。提出的方法可為連續(xù)獲得整層大氣AOD 晝夜分布特征、以及氣溶膠標(biāo)高和AOD的季節(jié)性差異提供技術(shù)參考。