瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度和密度的研究

瑞利-拉曼-米氏散射激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度和密度的研究

1主要的遙感探測(cè)激光雷達(dá)大氣溫度是描述大氣物理、氣候動(dòng)力學(xué)、氣候和環(huán)境的基本原則之一。氣候溫度的變化導(dǎo)致氣候文化、動(dòng)力學(xué)過程和微帶的分布發(fā)生變化。通過測(cè)量氣候溫度和密度，我們可以為時(shí)間分析和預(yù)測(cè)、環(huán)境和氣候動(dòng)態(tài)過程提供重要數(shù)據(jù)。研究大氣溫度的變化趨勢(shì)、天氣過程分析和氣候模式檢驗(yàn)均離不開有效的溫度觀測(cè)手段。目前,氣象部門主要使用無(wú)線電探空儀測(cè)量30km以下高度的溫度分布,然而,其時(shí)空分辨率易受風(fēng)速的影響,并且探測(cè)高度受天氣條件的制約。中層大氣一般使用火箭探空或星載紅外或微波輻射計(jì)探測(cè),但是,火箭探空價(jià)格不菲,因此不利于長(zhǎng)期的觀測(cè);而衛(wèi)星探測(cè)的空間分辨率較低(千米量級(jí))。拉曼和瑞利激光雷達(dá)在大氣溫度和密度探測(cè)的時(shí)空分辨率、探測(cè)高度、測(cè)量精度和長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)能力上,具有很大的優(yōu)勢(shì),是其他遙感手段不能比擬的。近年,國(guó)外已有應(yīng)用1~2m大口徑望遠(yuǎn)鏡和高功率激光器,實(shí)現(xiàn)最大溫度探測(cè)高度達(dá)80km的瑞利激光雷達(dá)、以及最大探測(cè)高度達(dá)25km的拉曼激光雷達(dá)的報(bào)道。大氣氣溶膠和卷云則通過直接或間接效應(yīng)影響地-氣系統(tǒng)輻射收支平衡,對(duì)氣候效應(yīng)評(píng)估、大氣環(huán)境及激光大氣傳輸?shù)妊芯烤哂兄匾饬x,進(jìn)行大氣氣溶膠光學(xué)特性的測(cè)量一直是氣侯、環(huán)境和大氣科學(xué)等研究領(lǐng)域中十分關(guān)心的問題,激光雷達(dá)為大氣氣溶膠和卷云的探測(cè)提供了有力的工具,國(guó)內(nèi)外均開展了激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠和卷云的相關(guān)工作。激光雷達(dá),尤其是大型拉曼激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá),系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格高昂,不利于激光雷達(dá)組網(wǎng)建設(shè),因此,單臺(tái)激光雷達(dá)高效綜合多種手段來(lái)遙感大氣參數(shù),已受到了人們的重視。由于瑞利-拉曼-米氏(Rayleigh-Raman-Mie,RRM)激光雷達(dá)采用瑞利、拉曼、米氏散射等多種手段探測(cè)大氣參數(shù),提高了激光雷達(dá)的資料覆蓋率,因此,研制結(jié)構(gòu)緊湊的瑞利-拉曼-米氏激光雷達(dá)將有助于提高激光雷達(dá)的性價(jià)比,為我國(guó)激光雷達(dá)網(wǎng)組建的預(yù)先研究打下技術(shù)基礎(chǔ)。本文介紹一臺(tái)中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的瑞利-拉曼-米氏溫度、氣溶膠和卷云探測(cè)激光雷達(dá),首先敘述了各部分的技術(shù)結(jié)構(gòu)和工作方法,給出激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法和典型的測(cè)量結(jié)果,然后將測(cè)量結(jié)果與其他激光雷達(dá)以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)作對(duì)比分析,驗(yàn)證RRM激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果的可靠性,最后對(duì)合肥地區(qū)初步的溫度和氣溶膠測(cè)量結(jié)果做分析和討論。激光雷達(dá)觀測(cè)的大氣溫度、氣溶膠和云的光學(xué)特性等資料,將為氣象研究和大氣環(huán)境評(píng)估、航空航天及軍事應(yīng)用提供重要的大氣參數(shù),并且有助于建設(shè)我國(guó)自主的大氣模式。地基激光雷達(dá)的探測(cè)資料,也可為衛(wèi)星測(cè)量提供對(duì)比驗(yàn)證數(shù)據(jù)。2回波信號(hào)分析RRM激光雷達(dá)垂直向大氣中發(fā)射532nm的脈沖激光,通過探測(cè)激光與大氣相互作用的輻射信號(hào)來(lái)遙感大氣。RRM激光雷達(dá)通過測(cè)量氣溶膠532nm米氏散射信號(hào),可以反演氣溶膠后向散射系數(shù)廓線。通過測(cè)量氮?dú)夥肿?07nm振動(dòng)拉曼信號(hào),可以反演對(duì)流層溫度廓線,以及氣溶膠消光系數(shù)、后向散射系數(shù)、消光后向散射比廓線。通過探測(cè)空氣分子532nm瑞利散射信號(hào),可以反演平流層溫度廓線。RRM激光雷達(dá)主要包括激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)檢測(cè)和處理單元三部分,圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。發(fā)射單元采用Continuum公司的SureliteII型激光器,波長(zhǎng)532nm,單脈沖能200mJ,重復(fù)頻率20Hz。接收望遠(yuǎn)鏡使用Meade公司350mm口徑的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡,接收視場(chǎng)2.5mrad。532nm和607nm回波光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡小孔光闌和準(zhǔn)直鏡,通過607nm波長(zhǎng)全反(反射率大于97%)、532nm波長(zhǎng)高透的分色鏡(dichroicbeamsplitter)分離,607nm拉曼信號(hào)由607nm通道接收,532nm光再經(jīng)96%透射、4%反射的分束鏡(beamsplitter)分為高低兩路,分別被532nm高層和低層通道接收。532nm通道和607nm通道分別采用0.5nm和0.3nm帶寬的濾光片。拉曼回波信號(hào)較氣溶膠米氏散射回波信號(hào)弱約三個(gè)量級(jí),故要求607nm拉曼通道對(duì)波長(zhǎng)相鄰的532nm回波光有很強(qiáng)的截止能力,因此607nm通道增加對(duì)532nm光的截止片。瑞利和拉曼高層回波信號(hào)很微弱,為提高其信噪比,需要采用高靈敏度、高量子效率的探測(cè)器和光子計(jì)數(shù)技術(shù)檢測(cè),故607nm通道和532nm高層通道采用濱松(Hamamatsu)公司的極高靈敏度、高增益的R4632型光電倍增管,信號(hào)采集選用FASTComTec公司的P7882型光子計(jì)數(shù)卡。532nm低層通道信號(hào)檢測(cè)采用Hamamatsu公司的H5783型光電倍增管,該型光電倍增管在低層大氣氣溶膠強(qiáng)回波信號(hào)的檢測(cè)上有較高的性價(jià)比,信號(hào)采集采用PCI-9812型A/D數(shù)據(jù)采集卡。RRM激光雷達(dá)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),為防止低層大氣的強(qiáng)回波信號(hào)引起探測(cè)器飽和,利用光電倍增管門控控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)光電倍增管開關(guān)門時(shí)刻的控制。探測(cè)607nm通道拉曼信號(hào)的光電倍增管門控的開門高度一般為2km,探測(cè)532nm高層通道瑞利信號(hào)的光電倍增管門控的開門高度一般為20km,可以保證R4632光電倍增管線性工作,同時(shí)避開低層氣溶膠回波信號(hào)對(duì)分子瑞利信號(hào)的干擾。當(dāng)使用532nm高層通道探測(cè)對(duì)流層氣溶膠和高層卷云時(shí),強(qiáng)回波信號(hào)會(huì)使R4632飽和,故需要在532nm高層通道接收光路上加相應(yīng)強(qiáng)度的衰減片,同時(shí)使532nm高層通道的光電倍增管門控的開門高度為5km,保證R4632光電倍增管的線性,通過532nm高低兩個(gè)通道米氏散射回波信號(hào)的拼接,反演對(duì)流層氣溶膠光學(xué)參數(shù)。通過控制532nm高層通道的光電倍增管門控的開門高度為10km,結(jié)合對(duì)接收光路加相應(yīng)強(qiáng)度的衰減片,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平流層氣溶膠的探測(cè)能力。3微波測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證RRM激光雷達(dá)建成后,在晴朗無(wú)云的夜晚進(jìn)行了觀測(cè)試驗(yàn),觀測(cè)地點(diǎn)位于合肥市西郊(31.9N,117.17E)。選擇RRM激光雷達(dá)2008年11月20日的溫度觀測(cè)結(jié)果,與中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所L625大型激光雷達(dá)(L625擁有氮?dú)?07nm拉曼信號(hào)及空氣分子532nm瑞利信號(hào)的探測(cè)能力)同時(shí)、同地點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果,以及美國(guó)Aura衛(wèi)星的微波臨邊探測(cè)器(MicrowaveLimbSounder,MLS)傳感器同一天在(31.13N,113.22E)地點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果作對(duì)比,驗(yàn)證RRM激光雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果。3.1測(cè)量結(jié)果對(duì)比氮?dú)夥肿?07nm的拉曼散射回波不受氣溶膠后向散射的影響,故利用拉曼信號(hào),通過校正空氣分子、氣溶膠和臭氧透射率項(xiàng)的影響,可以反演氮?dú)夥肿用芏?通常認(rèn)為大氣中氮?dú)夥肿拥捏w積混合比為常數(shù),從而得到空氣分子密度,結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力學(xué)方程,使用Shibata方法,反演出對(duì)流層大氣溫度,溫度定標(biāo)值使用(massspectrometerincoherentscatterextended,MSISE)模式大氣當(dāng)日的溫度值。圖2(a)給出RRM激光雷達(dá)拉曼信號(hào)當(dāng)天21∶30(本文所用時(shí)間均為北京時(shí)間)的溫度觀測(cè)結(jié)果,信號(hào)采樣的空間分辨率為30m,累積40000發(fā)激光脈沖,原始信號(hào)在扣除背景后,進(jìn)行了平滑處理,10km以下信號(hào)平滑窗寬為300m,10km以上為450m,用以降低回波信號(hào)隨機(jī)起伏帶來(lái)的統(tǒng)計(jì)誤差。作為對(duì)比,同時(shí)給出了L625激光雷達(dá)的氮?dú)夥肿?07nm拉曼信號(hào)測(cè)量的對(duì)流層溫度以及MLS衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果。改造后的L625激光雷達(dá),溫度探測(cè)不是其主要功能。當(dāng)天,L625激光雷達(dá)拉曼信號(hào)溫度測(cè)量高度不足10km,然而作為同地點(diǎn)、同時(shí)的觀測(cè),兩臺(tái)激光雷達(dá)之間的對(duì)比是很有意義的。分析圖2(a)的數(shù)據(jù),可見兩臺(tái)激光雷達(dá)當(dāng)日的觀測(cè)結(jié)果較一致,一些細(xì)微的趨勢(shì)變化都具有很好的一致性。RRM激光雷達(dá)的觀測(cè)的時(shí)間較L625激光雷達(dá)遲2h,由于地表輻射在日落后逐漸下降,造成近地表大氣溫度逐漸下降,因此6km以下的溫度觀測(cè)結(jié)果較L625小約1K。MLS采用微波輻射計(jì)測(cè)量大氣溫度,空間分辨率較低,約為3km。圖2(b)為RRM激光雷達(dá)與MLS溫度測(cè)量結(jié)果的偏差。由于測(cè)量地點(diǎn)的差異,加上MLS測(cè)量時(shí)間為13∶55左右,此時(shí)地表輻射處在較大值,造成10km以下的測(cè)量結(jié)果相差較大,最大差異在6.12km處達(dá)到7.8K,隨著高度的上升,大氣溫度受地表輻射影響逐漸減弱,MLS與RRM激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果的差異逐漸減小,在13.77km處只有0.08K。L625激光雷達(dá)對(duì)合肥地區(qū)長(zhǎng)期的溫度觀測(cè)指出,合肥地區(qū)自由對(duì)流層中溫度分布變化較明顯,尤其是10km以下溫度的變化幅度較大。與MLS的測(cè)量結(jié)果相對(duì)比,RRM激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果反映出近期合肥地區(qū)自由對(duì)流層溫度變化符合L625的研究結(jié)果。3.2反演結(jié)果分析中層大氣溫度的觀測(cè)手段較少,因此開展激光雷達(dá)觀測(cè)平流層溫度是非常有意義的。532nm大氣回波信號(hào)包含氣溶膠米氏散射和分子瑞利散射兩個(gè)部分。利用瑞利散射激光雷達(dá)探測(cè)平流層中上部大氣溫度分布的原理是,認(rèn)為平流層中上部532nm回波信號(hào)主要是分子的瑞利散射信號(hào),忽略氣溶膠粒子的散射信號(hào),通過校正空氣分子透射率的影響,反演出分子密度,結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力學(xué)方程,使用Shibata方法,計(jì)算得到平流層中上部大氣溫度分布,溫度定標(biāo)值使用MSISE模式大氣當(dāng)天的溫度值。目前合肥地區(qū)平流層氣溶膠處在背景期,相對(duì)比較清潔,可以認(rèn)為25km以上高度大氣回波信號(hào)只包含瑞利散射信號(hào)。圖3(a)給出了RRM激光雷達(dá)瑞利信號(hào)2008年11月20日22∶30的溫度觀測(cè)結(jié)果,信號(hào)采樣的空間分辨率為150m,累積40000發(fā)激光脈沖,扣除背景后,對(duì)信號(hào)進(jìn)行了平滑處理,平滑窗寬為1.5km。作為比較,同時(shí)給出了L625激光雷達(dá)的空氣分子532nm瑞利信號(hào)測(cè)量的平流層溫度以及MLS衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果。圖3(a)中,當(dāng)日L625激光雷達(dá)的瑞利信號(hào)溫度測(cè)量能力達(dá)到35km,分析圖3(a)的數(shù)據(jù),兩臺(tái)激光雷達(dá)當(dāng)天的觀測(cè)結(jié)果有很好的一致性,22~32km最大差異1.3K,平均差異只有0.4K,這種差異是定標(biāo)點(diǎn)不同造成的,分析表明兩臺(tái)激光雷達(dá)之間測(cè)量結(jié)果有很好的可比性。RRM激光雷達(dá)與MLS的觀測(cè)結(jié)果對(duì)比顯示,兩者一致性很好,22~55km高度溫度趨勢(shì)的變化符合的很好。圖3(b)為RRM激光雷達(dá)與MLS當(dāng)日溫度測(cè)量結(jié)果的差異,與衛(wèi)星的14個(gè)可比的觀測(cè)值有12個(gè)與RRM激光雷達(dá)的差異在±3K之內(nèi),平均差異為2K,考慮到觀測(cè)地點(diǎn)和時(shí)間的差異以及MLS本身的測(cè)量誤差等因素,上述分析表明RRM激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果是可信的。雖然目前合肥地區(qū)平流層相對(duì)比較清潔,圖3(a)反演結(jié)果表明,合肥地區(qū)25km以下高度仍然存在少量的氣溶膠,忽略它的影響引起RRM激光雷達(dá)和L625激光雷達(dá)在22~25km的觀測(cè)值較MLS測(cè)量值偏小。因此,若要利用對(duì)流層中上部以上高度的532nm回波反演大氣溫度,必須根據(jù)RRM激光雷達(dá)測(cè)量的氣溶膠散射比和消光系數(shù),對(duì)10~25km的532nm回波信號(hào)進(jìn)行氣溶膠后向散射項(xiàng)和透射率的校正。這樣可以測(cè)量5~5km高度范圍內(nèi)的溫度。重力波是中高層大氣最重要的動(dòng)力學(xué)過程之一,重力波在大氣中的活動(dòng)可以通過大氣密度或溫度的相對(duì)起伏表征。瑞利激光雷達(dá)通過探測(cè)平流層大氣溫度和密度的擾動(dòng)變化,能夠得到高分辨率的大氣重力波活動(dòng)的信息,對(duì)中小尺度的大氣波動(dòng)過程研究具有重要的意義。圖4給出了RRM激光雷達(dá)2008年11月25日平流層溫度測(cè)量結(jié)果,激光雷達(dá)發(fā)現(xiàn)在50km附近出現(xiàn)逆溫層結(jié)構(gòu)(箭頭處)。合肥地區(qū)這種中間層低層的逆溫結(jié)構(gòu)經(jīng)常被探測(cè)到,它與行星波和重力波的活動(dòng)密切相關(guān)。通過激光雷達(dá)長(zhǎng)期的觀測(cè),可以研究與大氣重力波活動(dòng)的相關(guān)信息。4測(cè)量結(jié)果分析RRM激光雷達(dá)具備對(duì)流層氣溶膠參數(shù)的探測(cè)能力。圖5(a)給出了2008年12月1日18∶15測(cè)量的大氣氣溶膠后向散射系數(shù)垂直分布,當(dāng)天晴朗無(wú)云,信號(hào)檢測(cè)累積10000發(fā)激光脈沖,信號(hào)采樣的空間分辨率為30m,回波信號(hào)由532nm高、低兩個(gè)通道拼接獲得。使用Fernald方法,反演氣溶膠后向散射系數(shù),氣溶膠消光后向散射比取50sr,分子消光后向散射比取8π/3sr,標(biāo)定點(diǎn)處的氣溶膠散射比取1.01,空氣分子后向散射系數(shù)采用30N美國(guó)冬/夏季標(biāo)準(zhǔn)大氣模式,根據(jù)瑞利散射理論計(jì)算獲得。作為對(duì)比,給出了安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所雙波長(zhǎng)、雙視場(chǎng)(dual-wavelengthlidar,DWL)米氏散射激光雷達(dá)同地點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。對(duì)比兩條廓線可以看出,兩者整體結(jié)構(gòu)吻合很好,其中1~3km的測(cè)量結(jié)果相吻合,3~6km由于標(biāo)定點(diǎn)不同、測(cè)量時(shí)間的差異以及RRM激光雷達(dá)高低層的拼接區(qū)選擇在這里,引起測(cè)量結(jié)果的差異。在1~10km上,RRM激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果與DWL激光雷達(dá)的平均相對(duì)誤差小于15%,說明RRM激光雷達(dá)具備對(duì)流層大氣氣溶膠后向散射系數(shù)進(jìn)行觀測(cè)的能力。RRM激光雷達(dá)532nm低層通道具有白天探測(cè)氣溶膠的能力,圖5(b)給出了2009年1月18日15點(diǎn)氣溶膠后向散射系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。這種觀測(cè)能力使RRM激光雷達(dá)可對(duì)氣溶膠進(jìn)行晝夜連續(xù)的觀測(cè),適合研究大氣顆粒物消光、大氣邊界層光學(xué)厚度的變化,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市上空大氣顆粒污染物的空間結(jié)構(gòu)分布、時(shí)間演變特征。平流層氣溶膠是影響地球大氣系統(tǒng)輻射收支的一個(gè)重要的不確定因素,激光雷達(dá)是探測(cè)平流層氣溶膠最有效的手段之一。RRM激光雷達(dá)532nm高層通道使用的R4632光電倍增管靈敏度很高,信號(hào)檢測(cè)采用光子計(jì)數(shù)技術(shù),因此532nm高層通道探測(cè)平流層氣溶膠可以獲得較理想的結(jié)果。圖6給出RRM激光雷達(dá)532nm高層通道平流層氣溶膠測(cè)量的結(jié)果。圖6(a)是2009年1月10日RRM激光雷達(dá)與DWL激光雷達(dá)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比圖,兩臺(tái)激光雷達(dá)均累積10000次激光脈沖,信號(hào)采樣的空間分辨率均為30m。兩臺(tái)