激光雷達探測整層大氣晝夜氣溶膠光學厚度

汪惜今 , 徐青山 , 范傳宇 ,4, 程晨 , 戚鵬 ,5, 徐赤東

( 1 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所基礎科學研究中心, 安徽 合肥 230031;2 中國科學技術大學, 安徽 合肥 230026;3 中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所, 中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室,安徽 合肥 230031;4 皖西學院電氣與光電工程學院, 安徽 六安 237012;5 安徽建筑大學電子信息工程學院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

大氣氣溶膠是液態或固態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參數來表征。針對大氣氣溶膠光學參數的探測, 一直是大氣科學領域學者的密切關注對象。氣溶膠光學厚度 (AOD) 表征了氣溶膠對太陽輻射的衰減特性, 是氣溶膠光學參數中的關鍵參數。

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的技術手段主要分為被動探測技術和主動光學探測技術。被動探測技術包括太陽光度計探測、月光和星光探測, 太陽光度計應用廣泛、穩定性強, 但是無法在夜間進行觀測; 月光和星光探測能夠在夜晚探測AOD, 是夜間氣溶膠被動遙感手段的有效補充, 但其工程應用仍在探索之中。激光雷達作為一種主動探測工具, 具備晝夜觀測能力, 為夜間觀測氣溶膠光學參數提供了一種有效手段。王珍珠等[3]使用米散射激光雷達在北京地區進行了探測, 指出大氣邊界層內的氣溶膠粒子濃度較高, 大氣邊界層高度在夏季相對穩定。周碧等[4]利用連續5年的激光雷達資料,反演得到蘭州地區的氣溶膠消光系數垂直廓線, 指出消光系數的反演會受到沙塵等特殊天氣的影響。

在氣溶膠消光系數廓線遵循指數型分布的情形下, Penndorf[5]指出消光系數減少至地面1/e時的高度稱為氣溶膠標高, 結合激光雷達探測數據, 可以獲得AOD。Qiu等[6]分析了1994—2001年中國11個站點的季節性氣溶膠標高和消光系數廓線的特征, 得出氣溶膠標高變化與地域以及季節密切相關, 多日數據平均值反演得出的消光系數更符合指數型分布。范偉等[7]根據大氣AOD和近地面水平能見度的測量結果, 得出了氣溶膠隨時間、季節以及地理位置變化的規律: 秋季內陸地區標高最大, 冬季次之, 夏季沿海地區氣溶膠標高最小。李成才等[8]應用MODIS遙感產品對北京及周邊地區的氣溶膠進行了分析, 發現受沙塵暴天氣的影響, 春季氣溶膠標高較高, 夏季由于混合層高度較高, 氣溶膠標高明顯高于冬季; 此外, 將AOD和能見度擬合得到的AOD產品, 在同一季節內進行對比, 不同季節內進行校準, 可用于研究地面污染等有關問題。韓永等[9]利用能見度儀和太陽輻射計獲得了氣溶膠標高水平方向上的變化特征, 指出氣溶膠標高與波長成反比, 夏季氣溶膠標高小于冬季, 但是由于觀測條件限制無法得出夜間的氣溶膠標高。

為了驗證激光雷達用于整層大氣AOD測量的可行性, 胡順星等[10]將雷達所得結果與太陽輻射計的測量數據進行了分析對比, 發現兩者具有較好的一致性, 證明將激光雷達用于測量整層大氣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廓線, 并將消光系數廓線分為四個不同的類型, 從而擬合得出氣溶膠標高, 計算出整層大氣AOD, 與太陽高度計所測整層大氣AOD進行對比, 平均相對誤差小于6.7%, 一致性較好。

本文利用激光雷達進行晝夜連續觀測氣溶膠光學參數的特性, 得出氣溶膠垂直方向上的消光系數廓線,并在此基礎上得出氣溶膠標高; 進而基于地面能見度數據推算出近地面消光系數, 將二者相結合, 計算得出整層大氣AOD; 最后以合肥地區一個月的觀測數據為例, 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

實驗采用波長為 532 nm 的微脈沖激光雷達 (MPL) 進行探測, 用于研究合肥地區大氣氣溶膠的光學特性。MPL精度高、體積小、移動性好, 對顆粒物、大氣能見度等可開展連續觀測工作, 獲得其時空分布特征和變化規律[12]。

激光進入大氣后, 會受到傳輸路徑上氣溶膠粒子以及空氣分子的衰減, 發生彈性散射, 最終被探測器接收。激光雷達方程可表示為[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型下降, 從而氣溶膠消光系數σz隨高度變化也遵循指數型下降[14], 其表達式為

式中σ0為近地面消光系數,H為氣溶膠標高。

光學厚度τ是消光系數在垂直方向上的積分, 可以表示為

消光系數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]對這兩種激光雷達反演算法進行了對比, 指出Fernald法更適用于非理想狀態下消光系數的反演, 相對誤差較小。

近地面消光系數可以利用激光雷達進行水平測量獲得, 但由于不可能頻繁交替測量垂直和水平數據, 因此可以使用地面能見度數據推算近地面消光系數。已有研究結果表明, 利用能見度計算得出的近地面消光系數和激光雷達水平方向測得的消光系數具有較好的一致性[18,19]。根據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

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

基于垂直方向上的氣溶膠消光系數廓線, 可以求解得出氣溶膠標高。利用Fernald后向積分法可計算得出氣溶膠消光系數垂直廓線, 其計算公式為

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;Sa是氣溶膠消光后向散射比, 本實驗的觀測點為合肥城郊, 該地區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 為標定高度;σa(rc) 和σm(rc) 分別為標定高度處氣溶膠粒子和空氣分子的消光系數的初值, 標定高度處氣溶膠消光系數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則取決于大氣模式[22]。

2 數據處理及結果分析

利用MPL 2020年1月的觀測數據開展數據處理和分析驗證工作。觀測數據的時間分辨率為 1 min, 能見度的觀測數據同步為 1 min 數據。

2.1 氣溶膠消光系數廓線的計算

利用MPL接收到的回波信號, 通過Fernald法求解出氣溶膠消光系數垂直廓線。圖 1 (a)、(b) 分別給出了北京時間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廓線, 其中所選兩個時刻的有效數據均滿足晴天無云條件。對兩組觀測數據分別進行指數型擬合, 發現觀測期間氣溶膠消光系數垂直分布基本符合指數型分布特征。對比實測的晝夜兩組氣溶膠消光系數廓線, 可以看出, 白天氣溶膠消光系數廓線層結構較為豐富, 沒有夜間平滑, 這可能是由于白天對流層的垂直活動較為劇烈, 這種氣溶膠消光系數廓線的晝夜差異將會影響晝夜氣溶膠標高的變化。

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

2.2 氣溶膠標高的計算

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

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

2) 如果氣溶膠消光系數廓線在邊界層上方呈現指數型變化, 邊界層內氣溶膠充分混合, 則有

標高H=H′a+H1。

3) 如果邊界層內氣溶膠分布不均勻, 在某一高度層內有積累, 則有

針對上述四種方法擬合計算出的氣溶膠標高與太陽光度計的結果進行對比, 發現兩者具有較好的相關性, 證明上述方法可行。

利用Fernald后向積分法得到2020年1月2日氣溶膠消光系數廓線, 通過對消光系數進行處理得到氣溶膠標高。圖 2為利用MPL測得的全天數據進行處理得到的當日氣溶膠標高, 數據按小時平均。從圖中可以看出, 氣溶膠標高值呈現早晚低、中午高的趨勢, 凌晨氣溶膠標高值較小, 隨著時間的推移, 氣溶膠標高值白天逐漸升高, 夜晚又逐漸減小, 晝夜氣溶膠標高值存在差異。

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

2.3 近地面消光系數的計算

根據合肥地區2020 年1 月份的能見度數據, 利用式 (6) 計算得出1 月2 日的近地面消光系數, 如圖 3 所示?？梢钥闯? 近地面消光系數從00:00開始由0.5緩慢減小, 然后不斷升高, 在12:00達到當日最高值0.637,之后又逐漸減小, 到了夜晚又呈現增大趨勢。將能見度得到的消光系數和激光雷達MPL得到的結果進行對比, 結果如圖 4所示。由圖可知, 相關系數為 0.8821, 證明利用能見度獲得消光系數是可靠的。

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

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

2.4 AOD日變化的計算

通過前面計算所得氣溶膠近地面消光系數和標高, 根據式 (4) 可以得出1月2日合肥地區整層大氣AOD分布, 結果如圖 5 所示。由圖可知, 1 月2 日的AOD 呈現單峰型, 凌晨AOD 值較小, 在05:00 為當天最小值0.191; 隨著太陽的升起, AOD值逐漸增大, 在14:00達到當日最大值1.38, 隨后又不斷降低。當日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 氣溶膠光學參數的月變化及影響因素分析

圖 6給出了2020年1月連續一個月的氣溶膠標高和AOD的晝夜分布計算結果。從中可以看出, 1月白天和夜晚的氣溶膠標高和AOD均存在差異, 都通過了顯著水平為0.05的檢驗, 白天氣溶膠標高和AOD明顯大于夜晚。

圖 6 2020年1月氣溶膠標高 (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 氣溶膠標高和相對濕度的關系Fig. 7 Relationship between aerosol scale height and relative humidity

進一步對于影響氣溶膠標高和AOD的氣象因素進行了分析。圖 7表示了2020年1月的氣溶膠標高和相對濕度之間的相關性, 其中相對濕度數據為逐日平均值, 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高呈現顯著的負相關關系, 通過了99%的顯著性水平檢驗, 即氣溶膠標高隨著相對濕度的減少而增大。造成這種現象的原因, 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, 使氣溶膠粒子本身的質量不斷增大, 受重力的影響出現沉降作用, 導致氣溶膠標高減小[23]。1月氣溶膠標高和相對濕度的相關系數為 -0.881, 證明兩者之間存在明顯的負相關。

此外, 還對2020年1月AOD和能見度的關系進行分析, 結果如圖 8所示?？傮w來看, 1月晝間、夜間和總的AOD 與能見度均呈現負相關關系。值得注意的是, 1 月白天AOD 與能見度的相關性要強于夜晚, 白天AOD與能見度的相關系數為 -0.701, 而夜間的相關數據為 -0.612。

3 結 論

利用MPL接收到的回波信號, 通過Fernald法求解出氣溶膠消光系數垂直廓線, 計算得出氣溶膠標高; 同時利用能見度和消光系數的關系得到近地面水平方向的消光系數, 由此計算出AOD。對合肥地區的2020年1月連續一個月的晝夜氣溶膠標高以及AOD進行了計算分析, 結果顯示, 兩者晝夜均存在差異。進一步對影響的氣象因素進行分析, 得出氣溶膠標高和相對濕度呈現負相關關系, 相對濕度大則氣溶膠標高值小, AOD和能見度也存在負相關關系。提出的方法可為連續獲得整層大氣AOD 晝夜分布特征、以及氣溶膠標高和AOD的季節性差異提供技術參考。