沙塵氣溶膠觀測及消光系數(shù)的反演

#我們在本文使用的單波長米散射激光雷達(dá)方程如下:(z),PCZ-2[€(z)+P(z)]T2(z)T2(z)TOC\o"1-5"\h\z0 1 2 1 2式中p是激光發(fā)射能量，c是激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)；€(z)和€(z)分別是氣0 1 2溶膠粒子和空氣分子的后向散射系數(shù)；T(z),exp[-Jz?(z)dz]和1 0 1T(z),exp[-Jz?(z)dz]分別為氣溶膠透過率和空氣分子透過率；?(z)和?(z)是2 0 2 1 2高度Z處的氣溶膠粒子和空氣分子的消光系數(shù)。如果事先知道高度Z處的氣溶膠粒子和空氣分子消光系數(shù)，則Z處以上各高X(zX(z)-exp[-2(J-1)Jz?(z')dz']z2 c?1(z),-亍??2(z)+X(z)2c-2…zX(z')exp[-2(土-1)L?(z")dz"]dz'/\s/\ s 2?(z)+F?(z)z 2z1cs2c2在上述式子中，X(z),P(z)Z2，S]和2即為氣溶膠粒子和空氣分子的消光后向散射比。S1根據(jù)不同的氣溶膠粒子譜及折射指數(shù)而事先給出，S2,翫,3。空氣分子的后向散射系數(shù)€2(z)(或?2(z))使用美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模式獲得空氣分子密度的垂直分布廓線，再由分子Rayleigh散射理論計(jì)算得到。2.3.2消光系數(shù)本文提到的消光系數(shù)是沙塵氣溶膠把太陽輻射散射、吸收而衰減太陽輻射的時候，表示衰減程度的參數(shù)，太陽輻射的衰減表現(xiàn)在太陽輻射某個波段的單位面積和單位長度上。氣溶膠的散射系數(shù)、吸收系數(shù)和光學(xué)厚度系數(shù)都影響消光程度,所以討論沙塵氣溶膠的消光系數(shù)的時候要考慮它們。利用激光雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)通過編程序算出消光系數(shù)和光學(xué)厚度。200米以下的區(qū)域是雷達(dá)的盲區(qū)，可以舍略。一般情況下，沙塵氣溶膠垂直擴(kuò)散基本上聚在5000米以下的大氣中，本文主要分析邊界層內(nèi)200米?2000米范圍的激光雷達(dá)回波信號。第三章結(jié)論分析本文通過激光雷達(dá)觀測了某城市地區(qū)2011年3月的晴朗天氣和沙塵天氣的氣溶膠濃度分布。3.1.晴天氣下的氣溶膠觀測及反演3.1.1雷達(dá)觀測分析（1）時間的選擇本文選用某市的2011年3月9日晴朗天氣作為背景，利用激光雷達(dá)觀測得到的回波信號，來研究某地區(qū)春季晴朗天氣條件下的氣溶膠濃度垂直分布特征，本文所選的觀測時段詳見表1所示。表1觀測時刻表（北京時間）序號選擇的時間 說明103:47為了說明晴朗天氣下氣溶膠的濃207:59度特征，本文共選擇5個不冋時313:59亥來研究氣溶膠濃度的日變化416:58特征519:32（2）晴朗天氣氣溶膠濃度日變化特征觀測觀測中利用激光雷達(dá)得到的回波能量圖形如下:圖（1）3月09日北京時間03:43激光雷達(dá)回波能量

圖（2） 3月09日北京時間07:59激光雷達(dá)回波能量圖（3） 3月09日北京時間13:59激光雷達(dá)回波能量圖（4） 3月09日北京時間16:58激光雷達(dá)回波能量圖（5）3月09日北京時間19:32激光雷達(dá)回波能量（3）雷達(dá)回波能量圖形的分析：從上述雷達(dá)回波信號圖的日變化可知，春季晴天的雷達(dá)回波能量強(qiáng)度相對穩(wěn)定。圖（1）表示03:43時刻的回波能量變化特征。凌晨，人類活動對氣溶膠的影響小，但，逆溫層控制下的空氣層不利于氣溶膠的擴(kuò)散，引起近地面層的氣溶膠濃度增高，因此，500米以下高度的回波能量比500米以上的回波能量比較大，500?2000m高度的回波能量隨高度減小。圖（2）是早晨07:59的回波能量變化圖，這時候，人類要上班（當(dāng)天是周三，正常工作日），排放的車輛尾氣比較多，逆溫層開始減弱，但是，未完全消失，所以近地面的氣溶膠擴(kuò)散速度慢，在500米以下，氣溶膠濃度稍微減小，回波能量同時減弱，取值變化小；同理，隨著逆溫層的逐漸減弱，500?2000m之間的氣溶膠濃度比03:43時刻的同樣高度的氣溶膠濃度稍微大,雷達(dá)回波能量稍微強(qiáng)，取值變化不大。從圖(3)可知，在13:59時刻，500米以下和500?2000m高度的回波能量比以上兩張圖同一高度的回波能量比較大，原因是，由于當(dāng)時人類上班工作，車輛尾氣排放量多，還有可能空氣中存在早晨逆溫層消失了以后還未徹底擴(kuò)散完的氣溶膠顆粒物，因此500m以下的回波能量比較大；夜間和凌晨累積在近地面層的氣溶膠隨著逆溫層消失而擴(kuò)散上升，500m?2000m高度范圍的氣溶膠濃度會增大，因此在這個高度之內(nèi)，13:59時刻的回波能量比較強(qiáng)。圖(4)，(5)的500米以下的回波能量比以上三張圖上的回波能量大，原因是一樣的，由于16:58左右是下班時間，車輛尾氣排放量比較多，引起氣溶膠濃度增高和激光雷達(dá)回波能量變強(qiáng)；通過查看資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)天在某19:10左右日落，因此可知，在19:32時刻，逆溫層逐漸形成，由于氣溶膠無法抬升，集中在近地面層，近地面層的氣溶膠濃度會增高，引發(fā)激光雷達(dá)回波能量增大。從這兩張圖上來看，圖(5)的500m?2000m的回波能量比圖(4)的回波能量稍微減弱，因?yàn)?，圖(5)上的時間是逆溫層逐漸形成階段的時間，近地面層的氣溶膠顆粒物無法垂直擴(kuò)散或擴(kuò)散速度很慢，所以500m以上高度的氣溶膠受到近地面層的影響減小，大氣的自凈作用和湍流作用下，上空的氣溶膠濃度開始減小，因此激光雷達(dá)回波能量比較弱。從以上5張圖可知，晴朗天氣條件下，影響激光雷達(dá)回波能量的是人類活動為源的排放大氣中的揚(yáng)塵、煙塵、汽車尾氣等小顆粒物和大氣自身的運(yùn)動，它們雖然會影響氣溶膠濃度變化，但，影響不大。該天氣條件下，大氣中沒有影響雷達(dá)回波的天氣過程，所以氣溶膠分布比較穩(wěn)定，濃度低。3.1.2反演分析1.消光系數(shù)計(jì)算(1)消光系數(shù)變化特征利用以上的雷達(dá)信號圖形和雷達(dá)方程，反演計(jì)算得到一天內(nèi)不同時刻的消光系數(shù)隨高度的變化詳見圖(6)所示。0.200?- -0 I I I I I I I Q4O.&Q.8 1 1.21 1.61.8 2 222.4高度公里圖（6） 2011年3月9日不同時刻的消光系數(shù)隨高度的變化（2）消光系數(shù)變化特征圖的分析圖（6）是晴朗天氣的消光系數(shù)不同時刻隨高度的變化圖，由于200m以下是激光雷達(dá)的盲區(qū)，本文利用的數(shù)據(jù)是200m以上的數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)的零點(diǎn)是實(shí)際上的200m高度之處。從圖可以看到在200m高度上,03:43時刻的消光系數(shù)最大，取0.155,13:59時刻的消光系數(shù)最小，取0.097,原因是在這兩段時刻的氣溶膠濃度受到的人類活動的影響和逆溫層的影響。凌晨人類活動影響很小，但逆溫層存在，空氣中的氣溶膠無法擴(kuò)散，濃度增高，雷達(dá)回?fù)苣芰勘容^強(qiáng)，因此反演得到的消光系數(shù)比較大，下午13:59時刻的原因卻相反，逆溫層不存在，人類活動影響大，但大氣的湍流擴(kuò)散作用下近地面的氣溶膠濃度不斷調(diào)節(jié)，因此回波能量比其他時刻的較弱，反演得出的消光系數(shù)會小。從圖可以看到，整體上來看，在同一時刻，消光系數(shù)基本上隨高度增高而減小。離地最近處的消光系數(shù)最大，如：圖（6）上的13:59時刻的200m高度上的消光系數(shù)值將近0.1,同一時刻在2.5公里高度上的消光系數(shù)值為0.05，兩個值的差別比較大。2.光學(xué)厚度計(jì)算（1）光學(xué)厚度變化特征利用以上的雷達(dá)信號圖形和雷達(dá)方程，反演計(jì)算得到一天內(nèi)不同時刻的光學(xué)厚度詳見表2所示。表（2）2011年3月9日光學(xué)厚度隨時間的變化

序號時間光學(xué)厚度107:590.326383213:590.200388316:580.178734（2）光學(xué)厚度分析①從表2可以知道，光學(xué)厚度在07:59時刻取最大值，在下午16:58時刻取最小值。②氣溶膠光學(xué)厚度是反映大氣氣溶膠的濃度程度的參數(shù)，表示的是單位載面的垂直氣柱的透過率，它越高，大氣透明率越低。凌晨，逆溫層的作用下氣溶膠不易擴(kuò)散，累集在近地面層，則濃度增大，在07:59時，太陽剛出來，逆溫層未完全消失，氣溶膠濃度高，則光學(xué)厚度比較高。在16:58時，沒有逆溫層，大氣擴(kuò)散比凌晨較快，空氣中的氣溶膠濃度較小，則光學(xué)厚度較小。3.2.沙塵天氣的氣溶膠觀測及反演3.2.1雷達(dá)觀測分析（1）時間的選擇本文選用某市的2011年3月12、13日一次沙塵過程作為背景，利用激光雷達(dá)觀測得到的回波信號，來研究某地區(qū)沙塵天氣條件下的氣溶膠濃度垂直分布特征，本文所選的觀測時段詳見表3所示。表3觀測時刻表（北京時間）序號時間說明113月12日10:0123月12日14:4433月12日20:1843月12日22:0053月13日04:0063月13日08:1673月13日14:1683月13日20:15為了說明沙塵過境的每一個階段的氣溶膠的

濃度特征，本文共選擇8個不同時刻，來研究

氣溶膠濃度的日變化特征（2）氣溶膠濃度變化特征觀測中利用激光雷達(dá)得到的回波能量圖形如下:--MS圖（7） 3月12日北京時間10:01激光雷達(dá)回波能量咲5討削虹而扣114咲5討削虹而扣114441S22DE2^01"Z,1W-Z.OUE1EOE180E1.7DE1￡0EijSflE-I.Jiflt1削?120E-1.1W-rOOBSOI3￡lE70S-河?Mt-傾-4fr.DE4.HTl 0 23,[￡￡|.001 4D.OIK.Hi)驢口皿,口的30PS2i；Ka?ieCtrirdrf5>?ibI；[HPGfr^ct)圖（8） 3月12日北京時間14:44激光雷達(dá)回波能量圖（9） 3月12日北京時間20:18激光雷達(dá)回波能量2.4DD2洶Z.IDD2.DDDI削D1.￡DD17DD1.6DD1』即cTGDihDMjiiZ2.DD.43-2D.DDD.Q0Qi50.0QQ.0nriD 2D.DDD.DI040.0Q0.D0D2.4DD2洶Z.IDD2.DDDI削D1.￡DD17DD1.6DD1』即cTGDihDMjiiZ2.DD.43-2D.DDD.Q0Qi50.0QQ.0nriD 2D.DDD.DI040.0Q0.D0DPRE(RangisCwTrrlKl'Signji：.Cdh-cci.)-ZM-seaMaina-F^DGficccc臼)陥:佰:52M河Z.?DD33DD21DD2DDD1.SDDIjMffl1JOO1￡DD1.5DDL血lg3DD12DD1/IDD1.DDD?DD■CDD7DDfiDD5DD4DD30DZDD-40,000DEU ODD 0 丑■MC,Qg 切旳CQQEDDUJ-lXI-CIBCOOO.DDDPR2iflongsCcrr^ctwiSeMiMPCeE5圖（10） 3月12日北京時間22:00激光雷達(dá)回波能量Meuno1G0shaab^i'*04:D0:DB2.5002,^00-Z.MO2.200ZJM■卻叫1,W0-1.EQQ1.7DDi刖o:=■1.EQ0W1.400-31的.1.200:1.MM城MO-TOO:WO-5QQ4DD加-MQ . .-諏(WO.tWO a 5D.DDD.DD0lOG.QG^.QOO15D.DDO.OOOSK.OOO.aDD250.000.000PR2『RmgCorrecledlWial：.i：APCa<rEc1\圖（11） 3月13日北京時間04:00激光雷達(dá)回波能量圖（12） 3月13日北京時間08:16激光雷達(dá)回波能量2^002.J002.30022002.1002COO1知01.河1.7001.CD01.河1.4GQ1□□□1.瀏1.1MM&anc-rEOfinomisj1<■161650皿況IgMA蝴頑ODDEPR2i.HjnaeCtn±aei33^ndl|i.APConiHiI華1.5DDMI.血13網(wǎng)1SDD17DD1SDDE.5DD2.<D0-2300-::CDD圖（13） 3月13日北京時間14:16激光雷達(dá)信回波能量圖（14） 3月13日北京時間20:15激光雷達(dá)回波能量（3）雷達(dá)回波能量圖形的分析：從以上的圖可以知道沙塵的過境前、過境時刻和過境后等三個階段的演變過程。圖（7）是沙塵過境前的回波能量圖，的回波能量與晴朗天氣的回波能量一致；在圖（8）?圖（12）的500m以下的回波能量一直很大，500m以上的區(qū)域開始出現(xiàn)很強(qiáng)的回波能量，離地最近處的回波能量達(dá)到晴天的回波能量的兩倍，1000m以上區(qū)域的回波能量超過其兩倍；在圖（13）、圖（14）的500m以下區(qū)域的回波能量比以上的5片圖的回波能量明顯地減弱了，1000m以上的持續(xù)加強(qiáng)；圖（14）的回波能量已經(jīng)減弱到晴朗天氣的回波能量一樣，離1000m以下的回波能量基本上穩(wěn)定下來了。在分析圖形的過程中，可以知道沙塵剛出現(xiàn)時500m以下的能量開始加強(qiáng),這高度以上的區(qū)域基本上沒有變化；在沙塵達(dá)到高峰時間段，500m以下的回波非常大而且出現(xiàn)沙塵過程中的最大值，1000m以上的回波能量加強(qiáng)，離地最近區(qū)域的能量減弱；這一系列過程發(fā)生的原因是大氣的湍流擴(kuò)散作用和自凈作用。

3.2.2反演分析消光系數(shù)計(jì)算（1）消光系數(shù)變化特 利用以上的雷達(dá)信號圖形和雷達(dá)方程，反演計(jì)算得到不同時刻的消光系數(shù)隨高度的變化詳見圖（15）所示，（前四條線為3月12日的，后四條線為3月13日的）。 10:01 14^44 20:1822tOO 04:00 03:1614:16 20;15圖（15）2011年3月12、13日不同時刻的消光系數(shù)隨高度的變化（2）消光系數(shù)變化特征分析圖（15）是沙塵天氣不同時刻的消光系數(shù)隨高度的變化圖。從圖可以看到,當(dāng)天的消光系數(shù)在不同時刻、不同高度的變化都很大，變化趨勢很明顯。12日10:01時間的水平（垂直）變化不明顯，200m高度的消光系數(shù)約為0.1,此刻沙塵還沒出現(xiàn)；在14:44到22:00時刻，消光系數(shù)變大，200m高度的消光系數(shù)約為0.1、0.2，沙塵氣溶膠濃度增大，此刻沙塵在發(fā)展；在12日22:00到13日04:00,消光系數(shù)在200m高度的消光系數(shù)約為0.2、0.45,消光系數(shù)增大，在08:16時刻的在200m的消光系數(shù)約為0.4、雖然消光系數(shù)稍微減小，此刻沙塵氣溶膠濃度還是很大，0.45為沙塵高峰階段的消光系數(shù)；14:16.20:15時刻200m高度的消光系數(shù)值約為0.3和0.12,從這兩個值可知，消光系數(shù)明顯減小，沙塵氣溶膠濃度減低，此刻沙塵退縮階段。圖上，13日14:16條線的變化趨勢跟其他三條線不太一樣，尤其是在800?1600m高度范圍內(nèi)消光系數(shù)取值變化很大，消光系數(shù)最大值約2.3,08:16的1800m以上的消光系數(shù)變化非常大，最大值約2.3。出現(xiàn)這種情況的原因可能是在這范圍的垂直擴(kuò)散緩慢，空中的沙塵粒子形成一層霧，因此這范圍內(nèi)的回波能量很強(qiáng)。光學(xué)厚度計(jì)算（1）光學(xué)厚度特征 利用以上的雷達(dá)信號圖形和雷達(dá)方程，反演計(jì)算得到一天內(nèi)不同時刻的光學(xué)厚度詳見表4所示。表（4）沙塵天氣不同時刻的光學(xué)厚度序號 時間 光學(xué)厚度3月12日10:01 0.1350883月12日14:44 0.1037733月13日08:16 1.3503783月13日14:16 1.044266（2）光學(xué)厚度特征分析從表（4）的數(shù)據(jù)可以知道光學(xué)厚度整體上隨時間先增后減，最小值約0.104，最大值約1.350。表里的14:44的光學(xué)厚度是沙塵過境前的光學(xué)厚度，是最小值；沙塵的高峰時刻的光學(xué)厚度為1.350,是最大值，隨著沙塵的減弱，光學(xué)厚度值減小。3.3對比分析通過晴朗天和沙塵天天的激光雷達(dá)回波能量圖和反演計(jì)算得到的消光系數(shù)隨高度的變化和光學(xué)厚度隨時間的變化，可以知道不同天氣條件下氣溶膠的空間分布互不相同。無沙塵的晴朗天氣下，氣溶膠的回波能量很弱，氣溶膠濃度很低，回波能量集中在500以下的區(qū)域，變化比較穩(wěn)定，氣溶膠的主要來源是車輛尾氣、煙塵等；沙塵天氣下，氣溶膠的回波能量很強(qiáng)，最大能量超過無沙塵天氣的5倍，時空變化很大，氣溶膠的主要成分是沙塵氣溶膠，濃度很高。消光系數(shù)是表示氣溶膠光學(xué)特性的參數(shù)，兩種天氣條件下反演得出的消光系數(shù)有區(qū)別。晴天的200m高度的消光系數(shù)最大值約0.155，最小值約0.097，變化不大，凌晨取最大值，中午取最小值；沙塵天氣的 200m高度的消光系數(shù)最大值約0.45，最小值約0.1，高峰時刻取最大值，沙塵過境前后取最小值。光學(xué)厚度也是表示氣溶膠光學(xué)特性的參數(shù)，兩種天氣條件下反演得出的光學(xué)厚度值有區(qū)別。晴天的光學(xué)厚度最大值約0.326，最小值約0.179，隨時間變化不明顯，凌晨取最大值，晚上取最小值；沙塵天氣的光學(xué)厚度最大值約1.350,最小值約0.104，隨時間變化很大，沙塵過境前取最小值，沙塵高峰時刻取最大值。3.4結(jié)論通過對某地區(qū)春季不同天氣條件下沙塵氣溶膠粒子在大氣中的垂直分布的分析，得出以下的結(jié)論：在春季晴天，某市空氣中的氣溶膠濃度較低，大部分是車輛排放的污染尾氣、煙塵等一些直接或間接而形成進(jìn)入空氣的顆粒物。氣溶膠主要集中在500m以下高度區(qū)內(nèi)，500m?2000m高度的氣溶膠濃度很低，隨高度增高而減小。春季沙塵天氣下，空氣中的氣溶膠濃度很大，主要來源是沙塵顆粒物。在沙塵過境前與高峰階段，500m以下高度的氣溶膠濃度變化區(qū)別很大