结合星载数据的拉曼-米激光雷达气溶胶参数高精度反演

【摘要】：气溶胶在大气物理、化学过程中扮演着重要角色,并对人类健康产生显著影响。激光雷达作为一种主动式的遥感方式,是研究气溶胶时空演变特征最合适的工具之一。本文首先概述了激光雷达探测大气气溶胶背景和意义,国内外发展现状以及比较大型的地基激光雷达联合观测网和星载激光雷达。详细介绍了北京理工大学激光雷达实验室的纯转动拉曼-米激光雷达系统结构和参数,简要介绍了星载激光雷达CALIOP数据产品,讨论了适用于拉曼-米激光雷达和米散射激光雷达的气溶胶后向散射系数和激光雷达比反演算法。其次,对于地基激光雷达由于几何因子的限制,不能完全接收近地面回波信号的问题,介绍了确定几何因子的方法,提出了结合星地同步532nm米散射回波信号反演几何因子的新算法。同时利用2016年8月25日与2017年2月27日实验数据反演出了系统同轴与离轴情况下的几何因子:离轴几何因子在0.6km以下几乎为0,探测盲区范围较大,0.6～2.3km为几何因子过渡区,2.3km以上为充满区。同轴几何因子盲区范围减小至0.18m,充满区最低距离仅为1km,相比于离轴,同轴系统能够接收到更多近地面回波信号。另外将校准后反演的气溶胶后向散射系数与转动拉曼-米方法确定的几何因子校准结果进行了对比,平均相对误差分别为20.8%和18.6%,验证了方法的可靠性。相比于校准前,新方法反演的几何因子校准后的气溶胶后向散射系数有效反演高度分别降低了1.3km和0.75km,在最低探测高度至充满区之间气溶胶后向散射系数分别平均提高了243.1%和103.95%,为判断大气边界层等提供必要的条件。最后,编写了转动拉曼-米激光雷达反演气溶胶光学参数界面,分析了激光雷达数据处理过程:去噪、平滑、几何因子校准和Fernald法、转动拉曼-米法反演气溶胶光学参数。并讨论了Fernald法在有云、无云和雾霾三种天气情况下反演的气溶胶后向散射系数,结果表明反演过程中参考高度的选择及激光雷达比的假设对干净大气层的气溶胶后向散射系数影响较大,最大相对误差分别达到93%和75%。另外反演了北京地区2016年12月30日至2017年1月2日期间记录的雾霾观测数据,将计算出的0.3-2km之间逐时气溶胶光学厚度值(AOD)结合气象资料和PM_(2.5)分析讨论,给出了雾霾形成与扩散期间的变化特征。结果表明AOD与PM_(2.5)变化趋势比较一致,在气象条件不利于气溶胶扩散的情况下,AOD自夜晚6时逐渐增加并在凌晨达到稳定状态,31日晚22时AOD达到最大值0.552。而雾霾消散过程中,PM_(2.5)下降速度大于同时刻AOD,表明近地面气溶胶扩散速度更大。