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利用双波段偏振激光雷达观测研究气溶胶与云的识别及气溶胶吸收特性

齐思齐  
【摘要】:自上世纪九十年代以来,偏振激光雷达在大气气溶胶和云探测方面具有独特的技术优势。为了更好地研究气溶胶和云特性,兰州大学大气科学学院自主开发了地基双波段偏振激光雷达系统,可同时开展355nm和532nm两个波段的偏振测量。本文使用了该激光雷达系统于2014年3月至4月在甘肃省兰州和临泽两地开展的沙尘气溶胶野外加强观测数据。研究表明,大气中典型气溶胶类型的355nm和532nm退偏比(Depolarization Ratio,DR)存在显著差异。沙尘气溶胶的532nm退偏比较高,而355nm退偏比小于532nm退偏比。对于空气污染颗粒物,它们的532nm退偏则较小,但是355nm退偏比反而高于532nm退偏比。此外,各种云类型的退偏比在这两个波段也有所差异。冰云的532nm退偏比大于沙尘气溶胶的退偏比,且355nm处的退偏比和沙尘气溶胶的结果相似,即明显小于532nm退偏比。对于水云,则355nm退偏比大于532nm的退偏比。同时混合相云的退偏比特征介于冰云和水云之间。我们选取了典型的云和气溶胶类型观测结果,并计算了各种类型的532nm退偏比与355nm退偏比的比值(?_(532)/?_(355))。结果表明,对于非球形粒子,532nm与355nm的退偏比比值分别为2.87±1.35(冰云)和1.51±0.29(沙尘气溶胶)。然而,对于球形颗粒物,该比值为0.43±0.26(水云)和0.56±0.05(人为污染颗粒)。基于此,考虑到当前激光雷达云和气溶胶识别算法存在误判、较复杂的问题,我们提出了一种简单、可靠的云和气溶胶识别方法。该方法首先利用532nm衰减后向散射系数(Attenuated Backscattering Coefficient,ABC)和色比(Color Ratio(CR),532nm/355nm)来区分云和气溶胶两大类型。然后,再根据532nm和355nm的退偏比比值,进一步识别沙尘气溶胶、污染颗粒、混合气溶胶、冰云、水云和混合相云等6种云和气溶胶的类型。为了进一步探讨气溶胶在紫外和可见光波段的退偏比差异原因,本文研究了气溶胶的吸收系数与两者退偏比比值的关系。研究发现,气溶胶吸收系数与两者退偏比比值具有明显的负相关关系。随着532nm和355nm退偏比比值的增加,气溶胶吸收系数不断减小。结果表明,吸收特性是造成气溶胶在紫外和可见光波段退偏比的差异原因之一。此外,利用两者的定量关系,有望从双波段偏振激光雷达观测数据获得气溶胶吸收系数的垂直分布。本文基于兰州大学自主开发了的地基双波段偏振激光雷达系统,于2014年3月至4月在甘肃省兰州和临泽两地开展的沙尘气溶胶野外加强观测数据,主要分析了大气中典型气溶胶和云类型的355nm退偏比和532nm退偏比的变化特征。并提出了一种简单、可靠的云和气溶胶激光雷达识别方法,区分沙尘气溶胶、污染颗粒、混合气溶胶、冰云、水云和混合相云等6种云和气溶胶的类型。还发现,气溶胶吸收系数与两者退偏比比值具有明显的负相关关系,并指出吸收特性是造成气溶胶在紫外和可见光波段退偏比的差异原因之一。研究表明,激光雷达开展多波段偏振测量可有效提高大气气溶胶和云的探测能力,特别是有望准确探测气溶胶吸收系数的垂直分布。


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