拉曼-米激光雷達探測對流層氣溶膠與水汽研究

趙 明,孟淑賢,張 科*,王守亞,吳神兵,孟德碩

(淮南師范學院 電子工程學院,安徽 淮南 232038)

0 引言

氣溶膠和水汽均為對流層大氣中活躍的微量成分,對氣象、氣候和大氣環境有著重要的影響.氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體和液體微粒,它通過吸收和散射太陽輻射,影響著地-氣系統的能量收支[1];同時與大氣中的氣體組分發生非均相反應,影響大氣化學進程[2];另外,氣溶膠是主要的大氣污染物之一,影響著人們的身體健康[3].水汽在紅外波段有著豐富的吸收帶,能夠吸收一部分太陽輻射和下墊面輻射,是重要的溫室氣體[4];另外,水汽在大氣動力學、氣象學、全球水文循環中扮演著重要的角色[5-7].氣溶膠和水汽還是成云和降水過程中的關鍵因素[8].氣溶膠和水汽的這些重要作用與其時空分布特征有著密切關系,因此,準確、及時地測量氣溶膠和水汽的垂直分布,對大氣科學研究、氣象預報、環境監測具有重要意義.

目前,能夠同時探測氣溶膠和水汽垂直廓線的手段較少.借助探空氣球、系留飛艇、機載平臺等進行原位探測,可以獲得氣溶膠和水汽的垂直分布特征,但無法實現長時間的連續觀測[9-11].激光雷達[12,13]作為一種主動光學遙感設備,具有時空分辨率高、精度高、可連續觀測等優勢,適用于大氣參數的垂直探測.激光在傳輸過程中,與大氣分子發生多種散射作用,其中拉曼散射相對于入射激光發生頻移,并且頻移大小僅取決于散射分子的成分[14].因此,由拉曼散射回波信號強度,可反演出特定氣體成分的濃度.拉曼-米激光雷達[15,16]具備同時接收大氣分子和氣溶膠的瑞利-拉曼-米散射信號的能力,可同步觀測氣溶膠光學參數和水汽混合比的垂直廓線.

本文采用希臘Raymetrics公司生產的LR112-D400型拉曼-米激光雷達,首先給出了激光雷達的系統結構和主要技術參數,然后介紹了探測氣溶膠和水汽的基本原理和數據反演方法,最后對該系統在南京地區的一次典型觀測結果進行分析和討論.

1 拉曼-米激光雷達結構

LR112-D400型拉曼-米激光雷達的儀器外觀和系統結構分別如圖1(a)和(b)所示.該儀器主要分為發射系統、接收系統、信號探測和采集系統、控制系統四個部分.發射系統采用355 nm脈沖激光器,激光脈沖經3倍擴束鏡后,發散角被壓縮至0.4 mrad以下,并垂直發射到大氣中.接收系統采用400 mm口徑的卡塞格林式望遠鏡,用于收集大氣散射回波.大氣散射回波經過分色、濾波,被分別導入355 nm、387 nm、408 nm三個探測通道.其中355 nm通道接收氣溶膠米散射信號和大氣分子瑞利散射信號;387 nm通道接收氮氣分子的拉曼散射信號;408 nm通道接收水汽分子的拉曼散射信號.三個探測通道的光信號被光電倍增管(Photomultiplier tube,PMT)接收,轉化為電信號,并由瞬態記錄儀(TR40-160,德國Licel公司)采集.瞬態記錄儀的采樣頻率為40 MHz,根據光速計算,可得對應的距離分辨率為3.75 m.由工控機控制整臺系統的運行,并儲存和顯示探測數據.激光雷達系統主要技術參數見表1.拉曼-米激光雷達系統可實現連續觀測,一般設置為每15 min測量一組數據,每次測量發射3 000發激光脈沖進行累積,以提高信噪比.測量間隔時間和每組激光脈沖數均可設置.

表1 激光雷達系統主要參數

圖1 拉曼-米激光雷達的儀器外觀和系統結構

2 探測原理

拉曼-米激光雷達可根據355 nm通道信號反演氣溶膠消光系數廓線,并由氣溶膠垂直分布特征得到大氣邊界層高度變化;根據408 nm信號和387 nm信號的比值,計算水汽混合比廓線.下面對各參數的探測原理和數據反演方法進行介紹.

2.1 氣溶膠消光系數

激光在傳輸過程中,與大氣分子和氣溶膠分別發生瑞利散射和米散射.這兩種散射與發射激光的波長一致,均為355 nm,因此統稱為彈性散射[14].激光雷達接收到的信號強度廓線,可以用激光雷達方程表示:

(1)

其中P(z)為高度z處的回波信號強度;K為激光雷達系統常數,包括激光能量、光學效率、探測器量子效率等;O(z)為系統收發重疊因子[17],對于本系統,重疊因子在500 m以上高度為1;β和α分別表示大氣成分的后向散射系數和消光系數,下標m和a分別代表大氣分子和氣溶膠.方程中的βm(z)和αm(z)可由標準大氣模型中的溫度和壓強廓線計算得到[18],而氣溶膠光學參數βa(z)和αa(z)均為未知數,為求解方程,需假設兩個參數之間的關系.根據Fernald方法[19],假設氣溶膠消光系數與后向散射系數之間的比值,即激光雷達比[20]為常數,即可求出氣溶膠的消光系數:

(2)

其中X(z)=P(z)·z2,為距離平方修正信號;Sm為大氣分子的激光雷達比,等于8π/3;Sa為氣溶膠的激光雷達比,這里假設為30 Sr;zc為標定點高度,一般選在對流層頂附近的潔凈區域,并假定已知此處的氣溶膠消光系數.

2.2 水汽混合比

激光在大氣中傳輸,除了與大氣發生彈性散射,還會與氮氣分子和水汽分子發生拉曼散射.對于355 nm的發射激光,氮氣和水汽分子的拉曼散射波長分別為387 nm和408 nm.通過水汽拉曼信號和氮氣拉曼信號的比值,可以計算水汽混合比[21]:

(3)

其中,λR,N和λR,w分別是氮氣分子和水汽分子的拉曼散射波長;Cw是水汽混合比標定常數.它是由兩個拉曼通道的系統常數和一些物理常數決定的:

(4)

式中kN和Kw分別為氮氣拉曼通道和水汽拉曼通道的系統常數;nN和ndry分別是大氣中的氮氣分子數密度和干空氣分子數密度;Mw和Mdry分別是水汽分子和干空氣分子的摩爾質量;σN和σw分別是氮氣分子和水汽分子在發射激光波長的拉曼散射截面.

T(λR,N,z0,z)和T(λR,w,z0,z)分別是激光雷達(高度為z0)到高度z之間的大氣在波長λR,N和λR,w上的透過率:

(5)

它們的比值稱為大氣透過率校正項.

實際工作中,Cw一般通過與無線探空儀的水汽數據對比獲得;大氣透過率校正項由激光雷達測得的氣溶膠光學參數計算得到;根據(3)式,即可反演水汽混合比.

2.3 邊界層高度

氣溶膠主要集中在邊界層內,由于湍流作用,邊界層內的氣溶膠混合較為均勻,但在邊界層頂附近,氣溶膠含量急劇減少,因此,激光雷達回波信號也會在邊界層頂急劇減小.根據氣溶膠分布的這一特征,本臺激光雷達采用梯度法,以355 nm距離平方信號X(z)的梯度絕對值最大處,即信號減小最快處,作為邊界層高度[22].

3 觀測結果

圖2所示為2019年10月19日0時至21日0時,在南京大學仙林校區所測得的數據.圖2(a)所示為氣溶膠消光系數在0.4～5 km高度范圍隨時間的變化,圖中的白色點跡標示出了邊界層高度.由圖可見,早上7:00左右邊界層高度最低,受下墊面溫度升高影響,湍流增強,邊界層高度上午和中午逐漸升高,至15:00前后達到最大高度,隨后開始下降.10月19日邊界層高度的最大值和最小值分別為1.65 km和0.98 km;10月20日邊界層高度的最大值和最小值分別為1.39 km和0.56 km.氣溶膠主要聚集在邊界層內,邊界層頂以上的氣溶膠含量稀少.在本次觀測期間,邊界層內的氣溶膠消光系數在0.19～0.62 km-1之間變化.圖2(b)所示為水汽混合比的時空分布,由于水汽拉曼信號很微弱,白天受天空背景光影響,信噪比很差,因此,圖中只給出了夜間的觀測結果.由圖2(b)可見,邊界層內水汽較為豐富,水汽混合比在3.3～7.7 g/kg之間.邊界層之上存在著較稀薄的水汽層,這一水汽層的高度上限可延伸至2.5～4.5 km,水汽混合比約為1.0～2.6 g/kg.

圖2 氣溶膠消光系數、水汽混合比、邊界層高度的時序變化圖

邊界層高度降低通常會導致氣溶膠和水汽向低空聚集,以10月19日夜間到20日凌晨的大氣垂直廓線變化情況為例,說明這一現象.圖3(a)和(b)所示分別為0.15～4.5 km的氣溶膠消光系數和水汽混合比廓線,其中綠色實線為10月19日夜間19:26的大氣參數廓線,紅色實線為10月20日凌晨03:32的大氣參數廓線,綠色虛線和紅色虛線分別對應這兩個時刻的邊界層高度.在此期間,邊界層高度由1.34 km降低至0.97 km,氣溶膠層和水汽層均隨之下沉,造成近地面的氣溶膠消光系數和水汽混合比均增大.在距離地面200 m處,氣溶膠消光系數由0.40 km-1增大至0.56 km-1,水汽混合比由5.3 g/kg增大至7.2 g/kg.

圖3 不同時刻的氣溶膠消光系數、水汽混合比,以及邊界層高度

4 結語

本文介紹了LR112-D400型拉曼-米激光雷達的系統結構、主要技術參數、工作原理和數據處理方法,并利用該系統對南京地區的氣溶膠和水汽進行連續觀測.觀測過程為期兩天,期間天氣晴好.觀測結果顯示,邊界層高度在早上7:00左右最低,下午15∶00左右最高,呈現出了典型的日變化特征.氣溶膠主要集中在邊界層內,消光系數在0.19～0.62 km-1之間變化.受白天背景光影響,水汽僅在夜間觀測.邊界層內水汽含量較為豐富,水汽混合比在3.3～7.7 g/kg之間;在邊界層以上的自由對流層中部,存在較為稀薄的水汽層,水汽混合比為1.0～2.6 g/kg.隨著邊界層高度降低,氣溶膠和水汽下沉,造成近地面氣溶膠消光系數和水汽混合比均增大.觀測結果表明,拉曼-米激光雷達具備連續觀測對流層氣溶膠和水汽垂直分布的能力,在大氣科學研究、氣象預報、大氣環境監測等領域具有重要的應用價值和發展潛力.