激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究_郝孝智.pdf

书书书第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 09作者简介:郝孝智(1964 )，男，大学本科，高级工程师，研究方向:大气探测技术。文章编号:1674 6139(2023)02 0071 05激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究郝孝智1，李念2，付亚平3(1 山西省大气探测技术保障中心，山西 太原 030002;2 陕西中天火箭技术股份有限公司 第一事业部，陕西 西安 710500;3 山西省大气探测技术保障中心 保障科，山西 太原 030002)摘要:大量气溶胶聚集对环境造成较大隐患，为此提出激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用。利用多波长激光雷达探测雾霾天气下的大气后向散射信号，采用高速示波器将采集信息传输到计算机中。利用计算机将其转化为可处理的数据后，应用激光雷达方程与光学厚度反演方法获取随高度变化的大气消光系数与后向散射系数，并计算气溶胶的激光雷达比，实现雾霾天气气溶胶光学特性探测。经实验验证:该方法能够从空间分辨率角度与大气层角度分别计算得到气溶胶的光学厚度，还能够分析不同日期下的 PM2 5/PM10污染情况。关键词:环境预测;雾霾天气;气溶胶;后向散射信号;光学厚度反演中图分类号:X705文献标志码:BApplication of Lidar in Aerosol Optical Properties Detection in Haze WeatherHao Xiaozhi1，Li Nian2，Fu Yaping3(1 Shanxi Provincial Atmospheric Sounding Technology Support Center，Taiyuan 030002，China;2 The First Division of Shaanxi Zhongtian ocket Technology Co，Ltd，Xi an 710500，China;3 Guarantee Section，Shanxi Provincial Atmospheric Sounding Technology Guarantee Center，Taiyuan 030002，China)Abstract:A large number of aerosols have caused great dangers to the environment Therefore，the application of lidar in thedetection of aerosol optical properties in haze weather is proposed Multi wavelength lidar is used to detect atmospheric backscattersignals in haze weather，and high speed oscilloscope is used to transmit the collected information to the computer After it is con-verted into data that can be processed by computer，the atmospheric extinction coefficient and backscatter coefficient varying withheight are obtained by using the lidar equation and optical thickness inversion method The lidar ratio of aerosol is calculated to real-ize the detection of aerosol optical characteristics in haze weather The experimental results show that the method can calculate theaerosol optical thickness from the perspective of spatial resolution and atmosphere，and can also analyze the PM25/PM10pollution atdifferent datesKey words:environmental prediction;haze weather;aerosol;backscattering signal;optical thickness inversion前言由于受到环境影响，自然恶劣天气与工业排放等现象均能够产生气溶胶 1 2，气溶胶粒子的增多，造成大气能见度下降，还能够对气候造成影响。在时间与空间上，气溶胶存在较高变化 3 4，因此，对气溶胶进行深入研究，能够更好地预测天气变化。激光雷达能够有效实现气溶胶的观测 5，同时，激光在发射时具有较多优点，所以激光雷达具备较高的观测性，通过激光雷达获取精准的气溶胶变化 6，之后通过反17第 48 卷第 2 期2023 年 2 月郝孝智等激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究Vol.48 No.2Feb 2023演，可获取其他关键的大气参数值。有较多学者对气溶胶光学特性进行了分析，例如林莹晶等7，通过 AEONET 数据分析方法，对城市气溶胶光学特性进行研究，该方法对北京城乡大气层的气溶胶变化进行分析，但该方法无法精准获取不同大气层中的气溶胶光学厚度，例如杨先逸等8，通过天空辐射计观测与反演分析气溶胶光学特性，但通过该方法的观测无法分析大气上空的能见度变化，为此，文章研究激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用，采用激光雷达实现雾霾天气观测，并利用反演方法实现气溶胶光学特性分析。1雾霾天气气溶胶光学特性探测1 1基于多波长激光雷达系统在雾霾天气的气溶胶数据采集1 1 1多波长激光雷达系统设计通过数据采集、激光发射、信号接收以及分光四个子系统构成文章系统，在该系统中，多波长激光雷达存在 3 个发射激光波长，依次为1 064 nm、532 nm以及 355 nm，通过见图 1 表示该系统的整体结构。图 1多波长激光雷达系统整体结构在文章系统中，通过1 064 nm、532 nm、355 nm作为探测波长，并以 Nd:YAG 脉冲激光器作为光源，通过反射镜反射波长激光束，当每个波长激光脉冲在传输过程中遇到大气气溶胶与空气分子，产生散射行为9，之后利用望远镜接收大气的后向散射光，并通过透镜传输至分光系统中，经该系统的处理能够分离大气后向散射信号。通过 PMT 与 Si:APD探测回波信号，探测完成后，采用高速示波器采集该信号，并通过计算机该信号进行处理。1 1 2雾霾天气定义按照 中华人民共和国气象标准 中确定的霾辨识条件，文章对雾霾天气进行分类定义。针对时间范围在 1 h 以内，未出现降水、扬沙等天气情况，且平均相对湿度低于 95%，平均能见度低于 10.0km 的天气，定义为雾霾天气;针对平均相对湿度低于 80%的霾则归类为干霾;针对平均相对湿度 80%95%的霾则归类为湿霾。针对不同霾的等级文章通过见图 2 表示。图 2不同霾等级划分1 2激光雷达方程与光学厚度反演方法雷达激光方程属于一种能够描述雷达发射、接收能量关系的方程，当通过反演形式对雷达激光方程进行操作，即能够获取随高度变化的大气消光系数与后向散射系数，实现雾霾天气气溶胶光学特性探测。采用公式(1)表示探测时激光雷达方程:P(g)=P0c2A(g)g()2exp 2r0(g)dz(1)27第 48 卷第 2 期2023 年 2 月郝孝智等激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究Vol.48 No.2Feb 2023公式(1)中，c 表示光速;表示独立脉冲的时间;时间 t0下的激光发射功率为 P0;光学天线接收面积为A;相距地基激光雷达g处信号的消光系数由(g)表示，后向散射系数由(g)表示;高度 z 处大气后向散射回波功率由 P(g)表示。向激光雷达方程中引入距离校正对数函数，并通过公式(2)表示:S=lnP(g)g2(2)之后通过 Klett 方法前向积分，得到距地基激光雷达 z 处信号的消光系数，如公式(3)所示:(g)=exp(S S0)k10+2kg0gexp(S S0)kdz(3)公式(3)中，某一被选参考点 g0的消光系数由0描述;向公式(2)中引入g0获取的对应值由S0描述。采用该方法计算得到的消光系数并不会受到边界值 0精度的影响。由于 Klett 方法并未考虑气溶胶粒子与大气分子散射对激光的散射消光效应的影响，为此，文章采用 Fernald 方法对散射光效应进行分析。在进行分析时，引入激光雷达比 na=a(g)a(g)这一概念，该比值可受到气溶胶粒子的影响产生变化，假设在不同空间与高度内设定 na为常数，则相应的空气分子激光雷达比为 nm=m(g)m(g)=83，由此，可计算气溶胶消光系数，如公式(4)所示:a(g)=nanmm(g)+p(g)g2exp 2(na/nm)1gcgm(g)dzP(gc)g2ca(gc)+nanmm(gc)+2gcgp(g)g2exp 2(na/nm)1gcgm(g)dzdz(4)针对已计算得到的消光系数，将其进行积分即能够获取大气气溶胶的光学厚度。通过气溶胶光学厚度的计算，能够有效分析气溶胶形成的位置范围与演变方式，对气溶胶的光学特性反演也存在一定影响。相较于普通地基激光雷达，文章采用的多波长激光雷达在进行求解时应该采用新型的方法。通过多波长激光雷达系统采集到的数据主要属于削弱后的后向散射系数(attenuated backscatter)。在对气溶胶光学厚度进行观测时，当波长越小，观测效果越敏感，为此，文章选取 532 nm 波段的探测数据进行分析，由于该散射系数属于反演时的重要因素，因此该系数需要满足公式(5)(6):532，Total(g)=parallel(g)+perpendicular(g)T2532(g)(5)T2532(g)=exp 2gsatgc(g)dz(6)公式(5)中，在532 nm 波段下，水平极化与垂直极化的后向散射系数依次由 parallel(g)、perpendicular(g)描述。公式(6)中，消光系数为(g);532 nm 波段的双向透过率由 T2532(g)描述。在进行实际分析时，多波长激光雷达系统的上下限基本从zc到40 km，对高于40 km程度的大气衰减，基本可以忽略。在进行多波长激光雷达信号反演时，反演过程相较于地基激光雷达更为复杂，因此，文章通过提高的精度值，可以加强反演的效果。通过气溶胶在不同环境下的信息决定气溶胶的激光雷达比，因此，需通过合理的方式规划气溶胶类型，在进行气溶胶分类时，需要考虑最小化气溶胶种类数，文章采用 AEONET(AErosol Obotic NET-work)数据集和聚类方法，完成较多环境的气溶胶的激光雷达比分析，分析结果见图 3。37第 48 卷第 2 期2023 年 2 月郝孝智等激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究Vol.48 No.2Feb 2023图 3532 nm 波段选取的激光雷达比分析2实验分析文章应用多波长激光雷达对某城市的多种气象因素进行观测，具体观测结果如表 1 所示，同时选取该城市地面气候平均值进行对照。利用多波长激光雷达采集雾霾天气气溶胶数据采集时，由激光器发出一束脉冲经准直扩束后垂直射入大气，光脉冲在通过大气时所受到散射和衰减，其后向散射光望远镜系统接收。但雾霾天气气溶胶散射复杂，其随地域、时间变化明显，在激光雷达采集时遇到气溶胶密集的介质时，回波信号增强，在某一距离点处达到最大，随后又会逐渐衰减至系统无法探测为止，实现气溶胶数据采集。经表 1 可以看出，该城市 1 月与 2月的 H 量偏高、且风速较小，且在观测时间段内同样存在较高的 H 与较低的风速，由此可以认为该城市的大气扩散性较差，则说明雾霾日数较多，对这一雾霾日数较多的城市进行实验分析。表 1观测气象因素与往年平均值对比观测项目观测数据往年 1 月均值往年 2 月均值气温/0.82 30.8H/%655452降水量/mm10.52 641风速/(m/s)1 41 817静小风频率/%62 5低能见度日频率/%7230252 1雾霾天气气溶胶光学厚度分析按照多波长激光雷达探测信号在探测时的不同空间分辨率，将随着高度发生改变的大气划分为 4层。一层采用最高分辨率 30 m、二层垂直分辨率为60 m、三层垂直分辨率为 180 m、四层采用最低分辨率 300 m;上述每层的高度范围分别位于海拔 0 km8 2 km、8 2 km 20.2 km、20.2 km 30.1 km、30.1 km 40.0 km。按照不同空间分辨率对气溶胶的光学厚度进行分析，分析结果如图 4(a)所示。根据大气的垂直结构，文章对三层大气中的气溶胶光学厚度进行分析，分别为边界层、对流层、平流层，其中边界层紧挨地球表面，对流层温度随高度增加会逐渐降低，平流层温度在垂直方向上基本维持原状，分析结果如图 4(b)所示。图 4雾霾天气气溶胶光学厚度分析47第 48 卷第 2 期2023 年 2 月郝孝智等激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用研究Vol.48 No.2Feb 2023根据图 4(a)可知，在大部分情况下，第一层的气溶胶光学厚度最大，说明在大部分时间下，气溶胶主要集中位于 0 km 8 2 km 的高度中，但是，偶尔第二层的气溶胶光学厚度也会出现升高现象，说明该城市上空 8 2 km 20.2 km 处偶尔出现薄云现象，应用文章方法，可有效分析不同空间分辨率下的气溶胶光学厚度。由图 4(b)可以看出，边界层的气溶胶光学厚度相对较大，这是由于该层距离地球表面较近，而对流层的气溶胶光学厚度略低于边界层，其中平流层的气溶胶光学厚度最低，这是由于平流层距离地面最远，通过文章方法，可以有效探测到不同大气层的气溶胶光学厚度。2 2雾霾天气气溶胶光学特性分析应用文章激光雷达，对不同日期雾霾天气下的PM2 5/PM10进行探测，探测结果见图 5。图 5该城市 PM2 5/PM10日变化情况根据图 5 可知，该城市在不同日期下的 PM10变化要高于 PM2 5，在探测第一日与第二日，PM10处于中度污染情况，在之后每个探测日中所探测到的PM10均处于轻度污染;而探测得到的 PM2 5始终处于轻微污染，采用激光雷达对雾霾天气气溶胶进行探测，可有效获取天气的污染情况。3结语由于当前社会工业制造领域在生产过程中产生大量气溶胶，为环境带来较大隐患，所以探测气溶胶的光学特性，能够为天气与环境预测提供帮助，为此，文章研究激光雷达在雾霾天气气溶胶光学特性探测中的应用。设计多波长激光雷达系统，通过该激光雷达探测雾霾天气变化。将利用设计多波长激光雷达系统获得的大气后向散射信号输入到计算机中进行转换后，利用激光雷达方程与光学厚度反演方法，获取气溶胶激光雷达比，实现该天气条件下的气溶胶光学特性探测。从空间分辨率角度与不同大气层角度两个角度进行实验，验证了设计的多波长激光雷达系统可以准确获取气溶胶光学厚度，具有较优的探测效果。同时，应用文章激光雷达可以探测雾霾天气下的PM25/PM10分布情况，获取该地区污染状况。参考文献:1 谭敏，王邦新，庄鹏，等 基于拉曼激光雷达的大气温度和水汽反演分析 J 光谱学与光谱分析，2020，40(5):1397 1401 2 史文浩，汤杰，陈勇航，等 多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析 J 热带气象学报，2020，36(5):577 589 3 梁苑新，车慧正，王宏，等 北京一次污染过程气溶胶光学特性及辐射效应 J 应用气象学报，2020，31(5):583 594 4 吴仪，邓孺孺，秦雁，等 秋冬季节珠三角典型区域气溶胶浓度垂直分布的激光雷达反演 J 遥感学报，2020，24(3):302318 5 徐俊杰，卜令兵，刘继桥，等 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