基于1.5μm激光雷达的气溶胶观测和反演方法研究

【摘要】：大气气溶胶指的是悬浮于大气中的固体和液体颗粒物和气体载体组成的多相分散体系,典型代表有烟雾、沙尘、花粉、云雾滴等粒子。大气气溶胶不仅会直接影响人类的健康,对许多大气物理过程也有着重要的影响。在大气气溶胶的研究中,气溶胶的观测手段主要可分为直接探测和遥感探测两种。直接探测主要利用的是原位测量仪,如黑碳仪、粒子谱仪、气体成分检测仪等,借助地面基站、探空气球、飞机挂载等方法进行探测。直接测量取样范围较小,时空分辨率较低,因此遥感探测越来越引起人们的兴趣。激光雷达作为一种新兴的主动式光学遥感设备,凭借着大探测跨度、高时空分辨率、高测量精度、时间上的全天时性等方面所具有的优势,已被广泛应用于边界层气溶胶探测。本论文介绍了1.5μm人眼安全气溶胶激光雷达的研制的过程,论文共分为四个章节。第一章为绪论。本章节介绍了目前激光雷达遥感主要的应用方向和三种对城市污染监测有帮助的激光雷达目前已经取得的一些研究进展。对光散射法测量气溶胶粒径分布的国内外研究状况进行了回顾与总结。第二章为基于激光雷达的气溶胶反演方法。首先介绍了大气中主要的三种光与颗粒相互作用,根据米散射理论计算出散射效率因子等参数。然后介绍了三种气溶胶消光系数反演方法,并进行了细致的误差分析。根据误差分析的结果,提出了一种新的近场迭代消光系数反演方法,能够自动确定参考点位置,迭代参考点消光系数数值,降低气溶胶消光系数测量误差。利用所得消光系数开发了一套三波长激光雷达反演颗粒物粒径分布和质量浓度的算法,并进行了误差分析。第三章为基于1.5μm激光雷达的大气气溶胶观测。分别介绍了(1)1.5μm能见度激光雷达的系统研制与合肥地区春、秋季节的实际观测结果;(2)1.5μm激光雷达测量PM10的算法,基于CALIPSO卫星的气溶胶模型研究了不同波长测量PM10的误差大小,并在合肥地区进行了实测验证;(3)定点式1.5μm人眼安全激光雷达的研制过程,以及在济南地区夏季观测到的典型本地污染生成事件和外界传输污染事件;(4)扫描式1.5μm激光雷达的研制过程,以及在济南地区春季观测到的污染团快速传输过程,以2分钟的分辨率观测到污染团20分钟内过境6千米区域。第四章为总结和展望。这一章归纳了本文主要的创新点,并对后续工作的开展进行了展望。