机载高光谱分辨率激光雷达探测大气气溶胶研究

【摘要】：气溶胶只占大气的很小一部分,但却对大气变化、气候变化、人类健康等方面产生重要影响。因此,对气溶胶进行高时空分辨率、高精度、实时的观测十分重要。在众多的气溶胶观测仪器中,激光雷达作为主动遥感测量工具,因其在单色性、方向性、相干性和亮度等方面的独特优势而被快速发展,其高时空和垂直剖面测量特性也使激光雷达在环境探测、大气监测等领域被广泛应用。高光谱分辨率激光雷达(High Spectral Resolution Lidar,HSRL)相较于传统的米散射激光雷达,通过窄带光学滤波器将分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号分离开,可以在不需要假设激光雷达比的情况下直接反演气溶胶的后向散射系数、消光系数等光学参数,提高了反演气溶胶光学参数的精度。本文基于一套研制的碘分子滤波器HSRL系统,实现了大气气溶胶的高精度探测,并将该套系统应用于机载高空探测,进行大范围多区域的连续观测。本文在整套系统搭建装校完成后,首先对HSRL系统进行地面验证实验,利用一台微脉冲激光雷达与其同时观测进行对比验证工作。结果显示,在MPL无法穿透3km高度云层的情况下,HSRL系统能够轻松探测到3km的两层云结构后,继续向上进行更高高度的探测。同时两台激光雷达的气溶胶反演结果显示出较好的一致性,相对误差小于10%。随后将这套HSRL系统搭载在运-8运输机上进行了数个架次的飞行试验,完成了不同程度污染天气、不同高度以及不同地表类型下的数次观测试验,探测并保存下了大量宝贵的数据。同时利用改进的HSRL反演算法对探测数据进行反演,对比分析了不同地表类型下的气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏振比和激光雷达比等光学参数,并依据已有的气溶胶分类方法,对不同区域的气溶胶做了初步的分类工作。还结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型和卫星数据等对不同日期时的气溶胶特性进行分析。结果表明,在城镇工厂等区域,气溶胶类型多为城市污染型和烟尘型气溶胶且垂直分布变化较大,消光系数最高超过1.2 km~(-1);海洋和山区气溶胶类型较为单一且垂直分布变化不大,消光系数集中在0.2～0.8 km~(-1),但也会受到城镇污染物扩散的影响;而气溶胶的分布受风、天气污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。本次试验充分验证了机载HSRL系统优异可靠的气溶胶探测性能。本文对机载HSRL的使用和推广具有重要的意义,对我国正在进行的星载激光雷达研制和发射完成后的星地比对印证等工作,具有重要的研究意义和价值。