气溶胶的激光雷达探测和特性分析

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1、南京信息工程大学硕士学位论文溶胶物质及其毒性与人体慢性呼吸道和急性心血管等病症有关。气溶胶也与能见度下降、酸雨和世界许多城市的烟雾问题有密切的关系。作为全球最大的发展中国家，在我国的能源结构中，煤炭的使用多年来一直高居首位。此外，由于环境意识相对薄弱等人为因素，森林过度砍伐、土地沙漠化加剧、工业污染严重，加上黄土高原和西北大面积沙漠这种特有的地理环境，使得我国无论是自然源，还是人为源气溶胶的含量都处在较高的程度。它们的存在，对我国的区域生态、环境和气候均有一定的影响。我国东部尤其长三角地区，人口稠密，交通及工业发达，是我国经济发展的龙头，对区域气候效应的研究

2、显得尤为重要。这些地区气溶胶人为活动排放量大，导致雾霾天气日数较多。段婧等【7】利用MODIS卫星资料研究指出近年来长江三角洲气溶胶光学厚度的高值区域逐年增加。卫星监测显示，2007年12月华北大部地区嘲，华东等地区都出现了能见度低于500m的雾霾天气【9。111。近年来，气溶胶的气候效应已经成为全球气候变化研究的一个热点问题，受到越来越广泛的重视‘12】。国内外很多研究人员利用气象能见度资料113,14]、太阳辐射资料‘悖171、太阳光度计和卫星遥感资料[18-21]研究气溶胶光学特性，已经取得了很多研究成果。随着区域气候效应研究的深入，对气溶胶监测资料的

3、实时性、连续性及其精度的要求都比较高。以往的研究工作中，一般使用太阳光度计或卫星资料，本文采用的是最新的MPL。对气溶胶的光学特性进行连续监测，不仅是研究气溶胶气候效应的需要，也可用于研究污染物扩散、预报大气能见度【22’231。因此，加强对我国大气气溶胶时空分布特性的研究，具有更加重要的意义。1．2用激光雷达研究气溶胶进展地面气溶胶观测及空气质量监测虽然能够提供代表地面以及区域性的大气气溶胶特性，但却无法解释垂直方向上气溶胶分布的特性。过去常采用飞机或气球携带的仪器进行气溶胶垂直分布的探测，但成本高、无法实现大范围、长2南京信息工程大学硕士学位论文时间的探

4、测。利用遥感技术可实现长时间监测气溶胶光学特性的垂直分布情况，例如，地基激光雷达(Lidar)，可提供气溶胶光学特性、后向散射回波及气溶胶消光系数的垂直分布特性。激光雷达观测资料还可用来确定边界层的顶高、监测边界层顶高随时间变化的情形124,25]。激光雷达(LIghtDetectionAndRanging)是一种具有高时空分辨率、能连续监测大气变化的主动遥感设备。激光具有高亮度、高准直、高单色、短脉冲等特性，使得激光雷达对大气的探测拥有很多其它仪器设备不具备的优点。激光雷达可以探测大气温度【26’271、风廓线口s-33]、气溶胶光学特性垂直廓线【3”羽、

5、云的廓线[39-421以及污染物浓度等。早在20世纪30年代就开始了利用探照灯光束研究高层大气密度和探测云底高度。20世纪60年代世界上第一台红宝石激光器出现不久，以测距为主要功能的激光雷达便诞生了。同时，激光技术被迅速地应用于大气探测。1962年Fiocco和Smullin开始用红宝石激光器探测大气。1963年美国的Stanford研究所研制成应用于对流层探测的激光雷达MarkI。我国中国科学院大气物理研究所与中国科学院上海精密光学机械研究所也早在1966年共同研制成自己的第一台百兆瓦级的红宝石气象激光雷达。激光技术日新月异的发展以及先进资料处理系统的采用

6、，为激光雷达探测大气提供了越来越好的技术基础[43-45】，其探测精度和分辨率也在不断提高。在众多类型的激光雷达中，Mie散射激光雷达是较为常见的一种。因其激光波长与大气中气溶胶粒子的粒径相当，雷达系统接收到来自气溶胶的后向Mie散射回波，散射回波与散射粒子(如气溶胶)的光学特性相关，因而可通过计算散射回波而得到散射粒子(气溶胶)的某些特性。吕达仁等【46】利用中国科学院大气物理研究所研制成功的激光雷达配合太阳光衰减的测量，对北京地区晴空低层3krn以下大气消光系数分布及光学厚度作了定量测量和分类整理。周军等[471利用L625和L300两部激光雷达进行大气

7、气溶胶的观测，获得了混合层、大气边界层、气溶胶的季节变化。刘诚等f48】利用微脉冲激光雷达在西藏那曲和3南京信息工程大学硕士学位论文北京郊区测量并分析了大气气溶胶的分布特性，给出了两个测量站点上空大气对流层气溶胶消光系数的垂直分布。Chih-WeiChianga等【49】用一台波长为532nm的Nd：YAG激光雷达，观测台湾中坜地区气溶胶状况，其结果表明整层大气消光系数的40％．50％是由低层1-5km范围内气溶胶贡献的。李铁锁等【501和董旭辉等【5l】利用激光雷达对黄沙气溶胶进行观测并得到了沙尘气溶胶的消光系数的时空分布，郭本军等【52】利用激光雷达观测

8、了沙尘气溶胶的时空分布，并分析了相关的天气形势。薛新