大气气溶胶多层结构的激光雷达探测

于思琪，刘东，徐继伟，王珍珠，吴德成，王英俭

（1.中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院，合肥 230026；2.中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，合肥 230031）

大气是由各种固体或液体微粒均匀地分散在空气中形成的一个庞大的分散体系，该体系中分散的各种粒子称为大气气溶胶[1]。大气气溶胶可根据产生机制分为自然源和人为源，按来源可以分为本地源和外来源。随着我国社会经济的快速发展，大气气溶胶已成为我国环境污染的重要因素之一，尤其是我国北方地区的冬季。分布在大气中的气溶胶除了会对人们的健康产生影响，还会对辐射强迫产生影响，进一步影响着天气和气候[2]。大气气溶胶通过参与云的微物理过程，对云的生命周期也产生巨大影响，同时大气气溶胶的垂直分布也会改变大气的热力结构及其稳定性[3-4]。获取大气气溶胶的垂直结构有助于分析气溶胶的来源以及估算不同高度大气气溶胶对辐射强迫产生的影响。全球气溶胶模型对气溶胶分布的预测、对辐射影响的准确评估也需要更多的气溶胶垂直分布信息。传统的探测手段如探空无法连续定点观测，而太阳辐射计则无法获得大气气溶胶的垂直廓线。激光雷达作为一种主动遥感手段，可以连续获得大气气溶胶高时空分辨率的垂直分布情况。

国内外的研究人员利用各种探测手段对大气气溶胶的分布情况进行了一些观测。Sarangi 等[4]利用微脉冲激光雷达、太阳光度计等观测手段对印度恒河平原季风时期气溶胶的分布情况进行了分析。Jugder 等[5]利用米偏振激光雷达对蒙古利亚地区的沙尘、生物质燃烧气溶胶和人为源气溶胶进行了探测。Liu 等[6]利用CALIPOSO 对全球沙尘气溶胶分布及传输情况进行了分析。李杨等[7]通过搭载气溶胶采样装置和激光粒子计数器的无人机，分析了秋末冬初重雾霾天气下北京地区大气气溶胶颗粒物的垂直变化特征。高伟 等[8]利用太阳光度计对上海地区城市气溶胶特征进行了观测。与其他观测手段相比，激光雷达具有可昼夜连续观测、获得大气气溶胶垂直分布廓线等优势。

气溶胶光学厚度的增大不仅会导致地球表面变暗，边界层高度发生变化，也会导致对流层温度的变化。辐射传输模型显示在不同高度的气溶胶具有不同的加热速率，且会对季风时期的区域气候产生影 响[9]。有研究显示，有超过50%的气溶胶会被抬升到高海拔地区，粗颗粒物对漂浮层气溶胶层和气溶胶柱浓度都有很大贡献[4]。因此对气溶胶的垂直分布及气溶胶性质的研究具有重要意义。

1 仪器与测量

金华位于我国的东南部，属于长三角经济带。随着经济的快速发展，长三角地区成为全国雾霾较严重的区域之一。金华地区地形复杂，海拔差异较大，气溶胶成因复杂。为了获取金华地区大气气溶胶的垂直分布情况，在浙江师范大学（119.65N，29.14E）设立激光雷达观测站点（见图1），进行每天24 h，一周7 天的连续观测。观测时间从2013 年5 月至2014年6 月。在金华站点观测使用的激光雷达是双波长米偏振拉曼激光雷达（Dual-wavelength Mie Polarization Raman Lidar，简写作DMPRL）。图2 给出了DMPRL系统的示意图。该激光雷达使用Nd-YAG 激光器，有532 nm 和1064 nm 两个波长，接受通道有4 个，分别是1064 nm 弹性散射通道、607 nm 拉曼散射通道以及532 nm 垂直、532 nm 平行两个偏振通道。表1给出了该雷达系统详细的系统参数。

图2 DMPRL 结构

修正过几何因子的激光雷达才能够精确获得近距离的探测信号，通过实验的方法可以确定激光雷达的几何因子。该方法假定大气是水平均匀的，在一定距离，激光束在望远镜视场内完全重叠，即大气的后向散射光完全进入探测系统[10]。

2 反演方法及结果

2.1 大气边界层

大气边界层位于对流层底部，其高度受到地球表面的强烈影响。影响边界层发展的因素有很多，例如局部热源和动力强迫，以及在天气尺度上的强迫。局部强迫的变化（例如表面温度）会导致大气边界层在空间和时间上的变化。大气中的气溶胶主要在边界层内部分布和扩散[11]。边界层高度和地面气溶胶浓度具有明显的负相关，且较低的边界层不利于大气中气溶胶的扩散[12-13]。激光雷达作为一种主动探测手段，通过获得的气溶胶垂直廓线，以气溶胶为示踪物间接判断大气边界层高度。目前已有的大气边界层激光雷达反演方法有梯度法[14]、小波协方差变换法[15-16]、归一化梯度法[17]等。梯度法是比较常用的大气边界层识别方法，表述为公式（2）。大气边界层响应地球表面强迫的时间尺度通常约为1 h 或者更短[18]，降低高时间分辨率激光雷达数据的时间分辨率，对大气边界层的识别能产生更为良好的效果。

式中：P(z)为激光雷达接收高度z 处大气的后向散射回波功率，W；K 为激光雷达系统常数，W·km3·sr。DEV(z)廓线最小值对应的高度就是大气边界层的高度。

使用梯度法对2013 年8 月3 日金华边界层 532 nm 波长激光雷达探测的通道距离校正信号（RCS）进行反演，结果如图3 所示。在00:00 到08:00时间内，边界层处在0.3 km 左右，并且随时间变化不大。气溶胶主要集中在0.3 km 以下，原因是夜间稳定边界层的存在。在08:00 到12:00 左右，边界层高度逐渐变高，从0.3 km 升高到0.8 km 左右。在08:00前后，日出导致到达地面的短波辐射增强，地面逆温被破坏，边界层对流得到发展。在12:00 到20:00 左右，边界层高度从0.8 km 降低到0.3 km 左右。在这段时间，随着太阳辐射的减弱，地面长波辐射逐渐衰弱，使得边界层高度变低。在20:00 之后的夜间，气溶胶垂直结构变得复杂，这主要是因为白天向上输送的气溶胶仍旧存在残留层中。

图3 金华2013 年8 月3 日大气边界层（黑色实线） 的激光雷达识别结果

2.2 性质分析

大气气溶胶的垂直分布不仅在大气边界层以内，还会出现在边界层以上的悬浮气溶胶层。边界层内气溶胶主要受地面影响，边界层外气溶胶可能来自于外来源的传输。不同高度的气溶胶层可能呈现出不同的性质。利用激光雷达探测的气溶胶消光系数、退偏振比、颜色比和气溶胶光学厚度可以描述其性质。退偏振比（volume depolarization ratio，VDR）可以反映气溶胶的形状，沙尘与其他种类气溶胶的退偏振比不同，可以作为一种有效手段识别沙尘[6]。颜色比（attenuated color ratio，ACR）可以表征气溶胶粒子相对大小。气溶胶光学厚度（aerosol optical depth， AOD）表示的是气溶胶的消光能力，分别可以写作：

式中：RCS@1064 nm 表示1064 nm 通道的距离校正回波信号；RCS@532 nm 表示532 nm 通道的距离校正回波信号；RCS@532 nm⊥和RCS@532 nm 分别表示532 nm 的垂直和平行通道的距离校正信号；z1和z2表示消光积分的高度上下限；α 表示大气气溶胶消光系数。

图4 给出了2013 年10 月13 日和12 月31 日激光雷达的垂直观测结果，主要有532 nm 距离校正信号、颜色比和退偏振比。在这两天中，大气气溶胶均出现分层现象，一部分气溶胶位于1.5 km 以下，主要集中于边界层内。位于1.5 km 以上的气溶胶层则位于对流层的自由大气层中。在图4 中2 km 处有一层漂浮气溶胶，厚度在1 km 左右，随着时间发展有下降的趋势。近地面受到地面源的影响，一直存在气溶胶层，且浓度持续相对较高。相比两层气溶胶，退偏振比和颜色比都表现出较大差异。图 5 中，在 2~5 km 之间，也出现了明显的气溶胶层，退偏振比和颜色比都区别于背景值。

图4 金华大气的垂直观测结果

图5 金华大气垂直结构分布特征

对2013 年10 月13 日和12 月31 日两天00:00—08:00 时间段中上下两层气溶胶层分别求退偏振比和颜色比的平均值以及每层的光学厚度，图5 给出了反演结果。由光学厚度的分布情况可知，大气中的气溶胶主要集中在边界层内。在图5a 中，下层气溶胶层的颜色比位于0.3~0.4 之间，上层气溶胶层的颜色比位于0.2~0.3 之间，且都稳步变大，说明在这天中不同高度气溶胶层中的气溶胶体积都随时间逐步增长。下层气溶胶层的颜色比始终大于0.3，而上层气溶胶层的气溶胶层始终小于0.3，说明下层气溶胶层中的气溶胶颗粒大小相对于上层较大。下层气溶胶层的退偏振比逐渐从0.03 下降到0.02，而上层气 溶胶层的相对稳定，一直处于0.02 附近。说明边界层内气溶胶随着时间推移，形状发生了变化，边界层外气溶胶形状变化不大。在0 点至4 点，下层气溶胶的退偏振比大于上层气溶胶，而后两层气溶胶的退偏振比相当，可能是由于地面的辐射冷却和地面源的排放造成的。在图5b 中，上下两层气溶胶的颜色比都稳定在0.3 附近，上下层气溶胶颗粒大小相近。下层气溶胶层的退偏振比为0.06，而上层气溶胶层的退偏振比为0.1，说明两层气溶胶层中的气溶胶性质不同。上层的气溶胶很可能是来自于高空传输的沙尘。文献中对印度坎普尔的研究结果也显示，传输的粗颗粒物会增加飘浮气溶胶层中的气溶胶[4]。Zhang 等[19]、Han等[20]分别对金华区域以及南京区域的研究结果显示，边界层内与边界层外气溶胶性质也会呈现出差异。高空气溶胶传输过程很难被传统观测手段捕捉或连续监测，而激光雷达能够很好地探测到垂直方向气溶胶的传输和扩散过程。气溶胶在空中的存留时间主要受到气象条件内在性质的影响，不同高度的气溶胶会产生不同的加热速率，分析气溶胶层的垂直分布情况及其性质，有助于减少气溶胶辐射强迫的不确定性[4]。

3 结语

激光雷达能够很好地反应大气中气溶胶的分布情况，是大气垂直探测的有效手段。大气中气溶胶在垂直方向上可能会存在分层的情况，边界层内是大气气溶胶的集中区域，因此对大气边界层的反演是很有必要的。在利用激光雷达对大气边界层的反演过程中，由于气溶胶与云相互作用，边界层变化情况比较复杂，自动反演仍需要更好的方法。大气中气溶胶可以通过退偏振比、颜色比等参数来进行描述与区分，其高度分布特征和性质都是重要的大气参数。对大气中气溶胶的大小，形状等信息的反演将有利于对气溶胶的来源、传输及演化情况进行分析。