激光雷达实测气溶胶对臭氧探测的误差分析

谢银海，曹念文，杨思鹏，何星庭

(1.四川省气象探测数据中心，成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；3.南京信息工程大学，大气物理学院，南京 210044)

0 引言

四川气象观测站目前仍存在探测种类少、垂直探测能力不足的问题。差分吸收激光雷达(DIAL)是探测臭氧浓度廓线十分有效的手段，因其具有高分辨力、高精度和实时观测等优点而被广泛采用[1，2]。为了加强激光雷达的观测站网布局，提高气象综合观测能力，文章对DIAL(差分吸收激光雷达)和Dual-DIAL(双重差分吸收激光雷达)两种方法探测臭氧的误差进行了讨论。常规的差分吸收激光雷达方法由于忽略了大气消光与后向散射的影响，在气溶胶含量较高的环境中将产生较大误差，探测精度会受到很大的影响[3-6]。为了减小探测误差，一些学者提出了Raman方法测量臭氧[7，8]，但是其信噪比太小不利于计算，对去噪要求很高。随后又有学者提出了四波长双重差分测量大气臭氧的方法[9]，发展了三波长双差分法(Dual-DIAL)[10，11]，这种方法能有效克服大气气溶胶对探测结果的影响。

1 探测原理

1.1 气溶胶激光雷达探测系统

Dual-DIAL测量臭氧的技术己经较为成熟，其中比较关键的是消除气溶胶对实验造成的影响，而不同地区的气溶胶分布与特性有差异，文章通过激光雷达实测的气溶胶数据计算其对臭氧探测的影响。气溶胶探测使用的激光雷达是三通道激光雷达(图1)。

图1 Rayleigh-Raman-Mie激光雷达结构

将雷达系统的发射单元(激光发射器等)和接收单元(接收望远镜等)置于实验室内的水平工作平台上，实验室内保持恒温。试验采用激光雷达的发射单元是SureliteII型激光器，其发射的激光波长为532 nm，激光通过发射单元的扩束器扩束并调试光路，经过全反射镜的反射后，垂直向上进入大气。在大气传输过程中，激光光束会与大气分子和气溶胶粒子发生相互作用，其中一部分返回地面的后向散射回波信号由卡塞格林望远镜接收，经过会聚透镜过滤后进入信号采集通道。其中氮气分子的Raman散射信号(607 nm)经过分色镜后进入Raman光子计数采集通道；高空532 nm散射信号经过半反半透镜后进入Rayleigh光子计数采集通道；低空532 nm散射信号经过全反镜后进入Mie散射光子计数采集通道，该通道接收低层Mie散射信号。3种信号通过以上处理后，经过光电转换系统得到电信号，最终由数据采集系统存储在主控计算机中。

1.2 数据分析原理

根据DIAL方法和Dual-DIAL方法探测臭氧时的臭氧计算表达式，可知激光雷达差分吸收方法的探测结果受大气(大气分子和气溶胶)的后向散射和消光影响，而由于大气气溶胶分布的不确定性，计算时往往忽略这2项的影响从而导致误差的产生。因此差分吸收激光雷达测量臭氧的系统误差可以分为两部分，即后向散射项造成的误差与消光项造成的误差，可以分别表示为：

式中，Δz是距离分辨力，取Δz=30 m；εSB和εSE是大气总的(大气分子和气溶胶)后向散射和消光造成的误差；N(z)是距离z处的臭氧浓度，假设为1×1012cm-3；Δδ为臭氧在λon与λoff波长处的吸收截面之差，Δδ=2.7×10-18；βλ(z)与αλ(z)是距离z处的后向散射系数与消光系数；C是为了消除气溶胶影响而引入的常数项。使用Dual-DIAL方法探测臭氧时选取合适的C值可以有效削减误差，而令C=0时计算得到的误差即为DIAL方法的探测误差。Dual-DIAL方法使用波长对266 nm，289 nm，308 nm计算对流层臭氧探测的误差，相对的DIAL方法所用的波长对为266 nm，289 nm；式中，大气分子采用1976年美国大气模式，气溶胶的激光雷达比设为55。在Dual-DIAL方法中C值的选择上，文章没有使用传统的计算方法C=(λ1off-λ1on)/(λ2off/λ2on)得到的C=23/19，而是通过对南京当地的实际气溶胶分布进行模拟得到更加适合当地气溶胶分布情况的C值1.7。

文章使用了激光雷达实测的4种气溶胶分布来计算大气气溶胶对臭氧探测误差的影响，4种气溶胶的分布如图2所示。

4次实验的探测环境如表1所示，气溶胶分布1，2均为晴天探测结果；气溶胶分布3探测于多云环境，从图2中可见2～4 km处有云的存在；气溶胶分布4探测于雷阵雨后，图2中8 km处有卷云的存在，是由鬃积雨云顶脱离母体而成的伪卷云。对流层中高层气溶胶主要受云的影响，因此所用数据分别代表了对流层不同高度气溶胶对探测结果的影响。

图2 气溶胶消光系数分布

表1 探测时间及环境

2 数据分析及结果

2.1 DIAL与Dual-DIAL误差对比

文章分别计算了不同气溶胶分布下DIAL与Dual-DIAL臭氧探测方法的总误差(后向散射项造成的误差与消光项造成的误差之和)，并进行了对比，计算结果如图3所示。从图中发现，DIAL方法的探测误差普遍大于Dual-DIAL方法，一般大于10%，在气溶胶分布4的8 km附近DIAL方法误差甚至达到了190%；两种方法的误差均随着高度变化而频繁波动，但Dual-DIAL方法的误差波动幅度远小于DIAL方法。当气溶胶浓度较为稳定且气溶胶均匀分布时，DIAL方法的误差呈现随着高度增加而减小的趋势，Dual-DIAL方法的探测误差稳定且接近于0。在气溶胶空间变化率较大处误差增加迅速，如气溶胶分布1的8 km以上区域，气溶胶分布3的4 km以下区域和气溶胶分布4的8～9 km处，两种探测方法的误差都有较大的增幅，即使Dual-DIAL方法有效减少了误差，误差极值也达到了40%。对比大气气溶胶的消光系数廓线和臭氧探测的误差廓线，发现DIAL方法的误差受气溶胶含量及空间分布的影响都很大，当气溶胶含量高或是气溶胶空间变化率较大时会产生较大的误差，而Dual-DIAL方法的误差与气溶胶含量的联系较小，主要受气溶胶空间分布的影响，只有当气溶胶空间变化率极大时才会产生较大的误差，否则误差一般小于10%。

图3 总误差(后向散射项造成的误差与消光项造成的误差之和)廓线(a)气溶胶分布1；(b)气溶胶分布2；(c)气溶胶分布3；(d)气溶胶分布4

2.2 C值削减误差效果讨论

C值对Dual-DIAL方法探测臭氧的精度至关重要，合适的C值能够有效减小探测误差。文章选取的C值为1.7，为了探究C值的误差削减效果及其对消光误差和后向散射误差的作用，文章计算了其误差分布情况。由图4(a)可知，DIAL方法的探测误差中消光误差占88%，即其探测误差主要由消光项引起，而后向散射项的贡献只有12%；而图4(b)显示Dual-DIAL方法进行臭氧探测的误差中消光误差的贡献较小，只有34%，后向散射项的贡献却达到64%。

图4(c)中DIAL方法的消光误差占总误差的比例主要在85%～95%，而比例低于80%的都是离散度较大的异常值，与之相对后向散射误差占总误差的比例主要在5%～15%，比例高于20%的也是离散程度较大的异常值，这些异常值位于大气气溶胶空间变化率较大的区域，此时的后向散射误差可能远大于消光误差，但是这些点的数量不及所有数据的1/4。图4(d)是Dual-DIAL方法两种误差比例的盒须图，与DIAL方法相比其消光误差与后向散射误差之间的差异较小，消光误差所占的比例主要在10%～65%，而后向散射误差的比例主要在40%～90%，总体高于消光误差。文章所选取的C值有效削减了DIAL方法的探测误差中占主导地位的消光误差，对后向散射误差也有一定程度的削弱作用。

3 结束语

文章通过对比研究得出，Dual-DIAL方法能够有效削减大气气溶胶对臭氧探测的影响，Dual-DIAL方法探测误差远小于DIAL方法。Dual-DIAL方法有效削减了DIAL方法中占主要地位的消光误差，对后向散射误差也有一定程度的削弱作用。其中消光误差主要与气溶胶含量有关，而后向散射误差受气溶胶的空间分布影响。此项研究为激光雷达在气象综合观测业务中的应用奠定了良好的基础。