多波長激光雷達結合現(xiàn)場儀器的大氣氣溶膠探測方法和實驗研究

多波長激光雷達結合現(xiàn)場儀器的大氣氣溶膠探測方法和實驗研究大氣氣溶膠對全球氣候、大氣環(huán)境和人類健康的影響,已經(jīng)引起人們的高度關注。作為重要的氣候強迫因子,大氣氣溶膠在地-氣輻射收支平衡中起著至關重要的作用。高濃度的大氣氣溶膠會降低大氣能見度,影響空氣質量,誘發(fā)多種疾病,危害青少年的成長發(fā)育。因此,高精度、多參數(shù)的探測和研究大氣氣溶膠的光學和微物理特性及其垂直分布,已經(jīng)成為氣溶膠科學研究亟待解決的問題。多波長激光雷達具有高時空分辨率,可探測粒子尺度范圍寬、種類多,可獲得的光學參數(shù)多的優(yōu)勢和特點,其探測數(shù)據(jù)可反演得到多種氣溶膠微物理特性,如粒子數(shù)濃度、尺度譜分布、復折射指數(shù)等,目前,已成為大氣主動遙感探測的強有力的工具和手段?，F(xiàn)場儀器,如氣溶膠粒子譜儀,被動遙感探測儀器,如太陽光度計,它們具有可直接探測氣溶膠尺度分布、數(shù)濃度、表面積濃度和體積濃度以及大氣氣溶膠的光學厚度等特點,也得到了廣泛應用。本論文將多波長激光雷達、粒子譜儀和太陽光度計相結合,開展全天時大氣氣溶膠的光學和微物理特性的探測方法和實驗研究。主要研究工作包括:1.研發(fā)了一套全天時三波長(355nm、532nm、1064nm)Mie散射激光雷達系統(tǒng)。設計了基于窄帶濾光片及寬帶反射鏡的太陽背景光剔除的光譜分光系統(tǒng),實現(xiàn)了對白天背景光的強烈抑制和回波信號的有效提取,有效提高了系統(tǒng)白天探測信噪比,理論分析及實驗結果皆表明,系統(tǒng)可實現(xiàn)晴天白天8km,夜間11km的有效探測高度。2.針對激光雷達近場存在探測盲區(qū)的技術問題,提出了一種利用Mie理論和近地面氣溶膠粒子譜,計算近地表氣溶膠消光系數(shù),結合氣溶膠粒子數(shù)密度在對流層低層隨高度按指數(shù)遞減的規(guī)律,實現(xiàn)了探測盲區(qū)內(nèi)的氣溶膠消光系數(shù)擬合與校正的新方法。該方法可實現(xiàn)激光雷達探測盲區(qū)內(nèi)三波長消光系數(shù)的直接校正,為多波長激光雷達探測盲區(qū)的校正提供了新的解決方案。3.針對多波長Mie散射激光雷達中,有效、準確反演多波長激光雷達比的技術難點,提出了利用太陽光度計獲得的氣溶膠光學厚度及多次迭代算法,獲得多波長激光雷達比的校正方法,并給出了多波長激光雷達比的校正函數(shù)。實驗結果表明,該方法能夠有效提高氣溶膠垂直光學參數(shù)的反演精度,為研究大氣氣溶膠的精細分布提供了一種算法。4.利用空氣動力學粒子譜儀測量氣溶膠粒子譜分布,結合多波長激光雷達比的Mie散射理論計算,分析了多波長激光雷達比和氣溶膠粒子譜分布之間的相關性。通過實驗研究了氣溶膠的粒子粗細比、粒子有效半徑與激光雷達比的關系,發(fā)現(xiàn)三者之間存在一定的線性關系,為研究多波長激光雷達比與氣溶膠粒子譜分布之間的相關性提供了一種可行的實驗研究方法。此外,本文還應用廣義交叉驗證的正則化方法(GCV,GeneralisedCrossValidation),結合多波長氣溶膠光學參數(shù)反演了氣溶膠粒子尺度譜分布,結果與氣溶膠粒子譜儀測量得到的氣溶膠粒子尺度譜分布吻合較好。驗證了GCV方法反演氣溶膠粒子譜分布的可行性。同時,利用多波長消光比和Angstrom指數(shù)初步分析了氣溶膠粒子尺度的垂直變化規(guī)律。激光雷達結合現(xiàn)場儀器探測研究