溫 春，黃忠偉，周 天，張瑾超,3，辛亞男,4

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.新疆輪臺(tái)縣氣象局，新疆 輪臺(tái) 841600；3.浙江三門(mén)縣氣象局，浙江 三門(mén) 317100；4.甘肅省金昌市氣象局，甘肅 金昌 737100)

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地基偏振拉曼激光雷達(dá)與CALIPS0星載激光雷達(dá)的對(duì)比觀測(cè)研究

溫 春1,2，黃忠偉1，周 天1，張瑾超1,3，辛亞男1,4

(1.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.新疆輪臺(tái)縣氣象局，新疆 輪臺(tái) 841600；3.浙江三門(mén)縣氣象局，浙江 三門(mén) 317100；4.甘肅省金昌市氣象局，甘肅 金昌 737100)

云和氣溶膠具有顯著的氣候效應(yīng)，且存在很大的不確定性，所以獲取云和氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)信息對(duì)于研究全球氣候變化具有重要意義。利用蘭州大學(xué)半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的地基偏振拉曼激光雷達(dá)，將2014年3月6日和22日的觀測(cè)資料與CALIPSO星載激光雷達(dá)的觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：晴天條件下，CALIPSO星載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)的反演結(jié)果總體上有較好的一致性，而2 km以下的差異主要是因?yàn)榈鼗す饫走_(dá)受到幾何重疊因子的影響。因此，在晴空條件下綜合地基和星載激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出地基激光雷達(dá)的幾何重疊因子和盲區(qū)；多云條件下，CALIPSO星載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)在中高層的觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，但低層存在較大差異，原因主要可能是由于兩者觀測(cè)方向的不同和云體分布不均。

偏振拉曼激光雷達(dá)；CALIPSO激光雷達(dá)；云和氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)；對(duì)比觀測(cè)

引 言

云和氣溶膠在地球輻射收支平衡中扮演著重要角色。一方面，云通過(guò)吸收和發(fā)射長(zhǎng)波輻射及反射和散射短波輻射來(lái)調(diào)節(jié)地氣系統(tǒng)的能量收支平衡，另一方面，云通過(guò)降水參與大氣中的水循環(huán)，進(jìn)而調(diào)節(jié)大氣溫度、濕度。云的輻射作用不僅取決于其微物理特性(如有效粒子半徑、數(shù)濃度等)，還涉及云高、云量和云的輻射特性等多方面因素，存在很大的不確定性[1]。由于云對(duì)大氣的熱力和動(dòng)力影響，對(duì)其研究已成為當(dāng)今氣候變化研究的熱點(diǎn)，了解云的垂直結(jié)構(gòu)分布特征有助于更好地理解云是如何影響地氣系統(tǒng)的。由于氣溶膠的直接和間接輻射效應(yīng)，它已經(jīng)成為全球氣候變化研究的最大不確定因子[2]，而氣溶膠的垂直分布是造成氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫不確定性的主要原因之一[3]，并且近地面的氣溶膠對(duì)人類健康也有重要影響。而系統(tǒng)性的氣溶膠全球垂直分布廓線觀測(cè)的缺少，對(duì)氣溶膠長(zhǎng)波輻射效應(yīng)和有云條件下的短波輻射效應(yīng)的評(píng)估仍有相當(dāng)大的不確定性[4]，此外云和氣溶膠相互作用所產(chǎn)生的間接氣候效應(yīng)(對(duì)云的反照率和云的壽命的作用)也與氣溶膠濃度的垂直分布以及云的相對(duì)密度相關(guān)[2]，因此對(duì)大氣氣溶膠的研究已成為氣候變化研究的熱點(diǎn)。

激光雷達(dá)(Lidar)是一種光學(xué)主動(dòng)遙感儀器。自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。激光雷達(dá)在大氣遙感與環(huán)境監(jiān)測(cè)研究方面越來(lái)越受歡迎，已發(fā)展成為地基、車載[5]和星載多平臺(tái)形式。國(guó)外在利用激光雷達(dá)對(duì)云的光學(xué)特性、垂直結(jié)構(gòu)以及云和氣溶膠相互作用等方面研究較深入[6-15]，國(guó)內(nèi)利用激光雷達(dá)進(jìn)行了很多云和氣溶膠的探測(cè)試驗(yàn)及研究[16-30]。隨著星載激光雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，其在大氣遙感中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[31-35]。

實(shí)際觀測(cè)應(yīng)用中，不論是地基激光雷達(dá)還是星載激光雷達(dá)都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，地基激光雷達(dá)可以定點(diǎn)長(zhǎng)期觀測(cè)，具有很好的時(shí)間連續(xù)性，但空間分辨率較差；星載激光雷達(dá)采用衛(wèi)星作為平臺(tái)，運(yùn)行軌道高，探測(cè)視野廣，可以進(jìn)行全球范圍的觀測(cè)，剛好彌補(bǔ)了地基激光雷達(dá)在探測(cè)空間范圍的不足。因此，地基和星載激光雷達(dá)相結(jié)合的探測(cè)方式已經(jīng)成為大氣遙感研究的發(fā)展趨勢(shì)。

本文利用蘭州大學(xué)自行研制的地基偏振拉曼激光雷達(dá)的觀測(cè)資料與CALIPSO星載激光雷達(dá)觀測(cè)資料，對(duì)比研究地基激光雷達(dá)與星載激光雷達(dá)CALIPSO的探測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步評(píng)估星載激光雷達(dá)探測(cè)蘭州地區(qū)云和氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的精度。

1 儀器與數(shù)據(jù)

1.1 地基偏振拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)

如圖1所示，所使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)由激光發(fā)射﹑信號(hào)接收﹑數(shù)據(jù)采集3部分組成，其基本原理是：激光器產(chǎn)生的脈沖激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直處理后向大氣中發(fā)射，激光在大氣中傳輸時(shí)被大氣分子﹑云和氣溶膠所散射，然后用望遠(yuǎn)鏡接收這部分回波信號(hào)，接著對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列處理后，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸至電腦顯示與保存。

圖1 地基偏振拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 激光發(fā)射子系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)主要由激光器﹑擴(kuò)束器﹑反射鏡組成。該系統(tǒng)所用的激光器為Nd：YAG脈沖激光器(Continuum Surelite)，基波波段為1 064 nm，經(jīng)二倍頻和三倍頻后可輸出532 nm和355 nm的激光，單脈沖能量可達(dá)430 MJ，脈沖重復(fù)頻率為20 Hz，脈沖寬度為8.7 ns，表1為激光雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)。擴(kuò)束器的作用是使激光光斑變大且發(fā)散角變小。被擴(kuò)束、準(zhǔn)直后的激光經(jīng)由3個(gè)反射鏡，以同軸方式垂直發(fā)射到大氣中。

表1 地基偏振拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

1.1.2 信號(hào)接收子系統(tǒng)

信號(hào)的接收和處理系統(tǒng)主要由望遠(yuǎn)鏡、可變光闌、光纖、接收光學(xué)單元、探測(cè)器組成。

接收望遠(yuǎn)鏡用于接收大氣反射的回波信號(hào)，本文所用的是卡塞格林反射式接收望遠(yuǎn)鏡，是目前在激光雷達(dá)方面應(yīng)用最廣泛的接收望遠(yuǎn)鏡；可變光闌一般被置于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處，通過(guò)調(diào)節(jié)可變光闌來(lái)調(diào)節(jié)激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角，以此來(lái)減小背景噪聲和多次散射的影響；利用透鏡將望遠(yuǎn)鏡接收的信號(hào)光最大限度地輸入到光纖中去，光纖的另一端與成像光譜儀連接，將光信號(hào)輸入到光譜儀中；接收光學(xué)單元包括濾光片﹑分束鏡﹑準(zhǔn)直透鏡及偏振晶體；在激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)中，光電倍增管(PMT)和雪崩光電二極管(APD)是目前使用最廣泛的探測(cè)器，本文所采用的是光電倍增管(PMT),其作用是將望遠(yuǎn)鏡接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

1.1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是專門(mén)用于激光雷達(dá)信號(hào)探測(cè)的Licel瞬態(tài)記錄儀，可以同時(shí)以模數(shù)轉(zhuǎn)換方式(A/D)和光子計(jì)數(shù)方式(PC)對(duì)PMT的高速信號(hào)進(jìn)行采集，具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，且空間分辨率較高。它的主要部件包括可以實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)平均的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單光子探測(cè)的甄別器、多通道記錄儀以及前置放大器。

1.2 CALIPSO星載激光雷達(dá)

為了研究云和氣溶膠在調(diào)節(jié)地球氣候中的作用及兩者之間的相互作用，1998年美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)與法國(guó)國(guó)家航天中心(CNES)合作實(shí)施“云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)和紅外探測(cè)者衛(wèi)星觀測(cè)”(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations, CALIPSO)計(jì)劃，并于2008年4月28日成功發(fā)射了CALIPSO衛(wèi)星。CALIPSO衛(wèi)星主要載荷包括：正交偏振云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)(CALIOP)﹑寬視角相機(jī)(WFC)﹑紅外成像輻射計(jì)(IIR)。CALIOP采用了偏振檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，它是世界上首個(gè)應(yīng)用型的星載云和氣溶膠激光雷達(dá)，具有3個(gè)接收通道，一個(gè)用于接收波長(zhǎng)為1 064 nm的后向散射信號(hào)，另外2個(gè)分別接收波長(zhǎng)為532 nm的正交偏振后向散射信號(hào)。它的探測(cè)原理繼承了目前地基和空基激光雷達(dá)的探測(cè)原理，下面具體介紹CALIOP的發(fā)射和接收系統(tǒng)，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CALIOP系統(tǒng)主要參數(shù)

CALIOP的發(fā)射系統(tǒng)有2套完全相同的Nd：YAG型激光器，單脈沖發(fā)射的最大能量為440 MJ，重復(fù)頻率為20.16 Hz。為了提高衛(wèi)星的可靠性和使用壽命，實(shí)際工作時(shí)單脈沖輸出的最大能量為220 MJ，再使用倍頻技術(shù)獲得波長(zhǎng)為532 nm的激光輸出脈沖，最終輸出單脈沖能量變?yōu)?10 MJ的532 nm和1 064 nm激光，激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器并通過(guò)光束準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)入大氣。激光器的散射角為100 μrad，而視場(chǎng)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可以對(duì)發(fā)射系統(tǒng)視場(chǎng)和接收系統(tǒng)視場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)，其調(diào)節(jié)范圍為±1°，分辨率為16 μrad。

CALIOP的接收系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡、接收光學(xué)單元、探測(cè)器、信號(hào)放大器。CALIOP接收系統(tǒng)采用直徑為1 m、視場(chǎng)角為130 μrad的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的散射激光雷達(dá)脈沖經(jīng)過(guò)聚焦后通過(guò)濾鏡，然后準(zhǔn)直入射到分光鏡上，532 nm的激光脈沖發(fā)射光，首先通過(guò)干涉濾光片和窄帶濾光片減小太陽(yáng)背景光的影響，然后由偏振分光鏡分為532 nm平行光和垂直光；1 064 nm的激光脈沖發(fā)射光，經(jīng)過(guò)干涉分光鏡后直接由探測(cè)器探測(cè)。用于檢測(cè)532 nm的脈沖信號(hào)的探測(cè)器為光電倍增管(PMT)。由于PMT在1 064 nm處的量子效率較低，所以系統(tǒng)采用雪崩光電二極管(APD)來(lái)檢測(cè)1 064 nm的激光脈沖回波信號(hào)。

1.3 數(shù) 據(jù)

用于與CALIPSO星載激光雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè)對(duì)比的地基激光雷達(dá)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱LZU- lidar)位于蘭州大學(xué)校園內(nèi)(36.05°N，103.85°E)，此激光雷達(dá)系統(tǒng)可同時(shí)探測(cè)355 nm、532 nm垂直和平行通道的后向散射信號(hào)，觀測(cè)時(shí)間為2014年3月6日和22日。

星載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)為CALIPSO提供的激光雷達(dá)Level 1B數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是校準(zhǔn)后的半軌道(白天或者夜間)激光雷達(dá)單射(兩單射點(diǎn)間距333 m)剖面數(shù)據(jù)，包括532 nm和1 064 nm通道衰減后向散射數(shù)據(jù)和532 nm通道的退偏比數(shù)據(jù)等。使用的數(shù)據(jù)參數(shù)為：衰減后向散射剖面數(shù)據(jù)(包括532 nm總衰減后向散射系數(shù)、532 nm垂直通道衰減后向散射系數(shù)和1 064 nm衰減后向散射系數(shù))、方位及高度信息(包括經(jīng)緯度、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)高度)。CALIPSO星載激光雷達(dá)的軌道周期為16 d，本文選取以LZU-lidar為中心，半徑為100 km范圍內(nèi)的CALIPSO星載激光雷達(dá)level 1數(shù)據(jù)，其中2014年3月6日CALIPSO衛(wèi)星地面軌道上距LZU lidar最近點(diǎn)的距離為34.7107 km，該點(diǎn)緯度為36.1350°N；22日CALIPSO衛(wèi)星地面軌道上距LZU lidar最近點(diǎn)的距離為38.3531 km，該點(diǎn)的緯度為36.1431°N。這2條衛(wèi)星軌道過(guò)境時(shí)間均為03:23(北京時(shí)，下同)，3月6日為多云天氣，22日為晴空有沙塵天氣。進(jìn)行對(duì)比之前，先將LZU-lidar觀測(cè)數(shù)據(jù)在CALIPSO衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間點(diǎn)前后各10 min的廓線進(jìn)行平均，與之對(duì)應(yīng)，將CALIPSO星載激光雷達(dá)以最近點(diǎn)為中心前后各100條廓線進(jìn)行平均。

2 方法介紹

2.1 地基激光雷達(dá)幾何重疊因子的確定

激光雷達(dá)系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角理論上應(yīng)略大于發(fā)射視場(chǎng)角，這樣回波信號(hào)才可能完全進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡。然而，由于發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)不同軸的影響，導(dǎo)致回波信號(hào)在某段距離上有所損失，望遠(yuǎn)鏡只能接收到部分信號(hào)，在近地距離尤為明顯，由此給觀測(cè)帶來(lái)誤差，必須對(duì)其進(jìn)行訂正，而這一訂正因子就是幾何重疊因子。在激光雷達(dá)的實(shí)際操作中，即使調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生較小的誤差，也會(huì)給氣溶膠消光系數(shù)帶來(lái)很大誤差[36]，因此幾何重疊因子的確定很重要。目前普遍用于幾何重疊因子的確定方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)量、幾何推導(dǎo)[37]以及其它新方法[38-39]。

然而，對(duì)于本文所使用的激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采取實(shí)驗(yàn)法求解幾何重疊因子比較困難，原因是該系統(tǒng)固定垂直發(fā)射，無(wú)法進(jìn)行水平探測(cè)，以及該系統(tǒng)的幾何光學(xué)參數(shù)未知。

對(duì)地基激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)方程為：

式中：P0為t0時(shí)刻發(fā)射的能量，C為雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，β為r范圍內(nèi)的后向散射系數(shù)，σ為高度r處的消光系數(shù)，r為激光雷達(dá)到測(cè)量點(diǎn)的距離，r′是積分距離。

對(duì)CALIPSO星載激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)方程為：

式中：r為激光雷達(dá)到測(cè)量點(diǎn)的距離，P為接收到的測(cè)量信號(hào)，ξ為激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，E0為單束或多束平均激光能量，β為r范圍內(nèi)的后向散射系數(shù)，σ為高度r處的消光系數(shù)，r′是積分距離。

將地基激光雷達(dá)和CALIPSO星載激光雷達(dá)的資料進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算地基激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子。由于CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar觀測(cè)方向的區(qū)別，在近地面，CALIPSO星載激光雷達(dá)對(duì)信號(hào)基本100%接收，而地基激光雷達(dá)在遠(yuǎn)地面對(duì)信號(hào)基本100%接收，根據(jù)這一特征，將地基激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)的雷達(dá)方程相比較，使用CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的對(duì)比觀測(cè)資料，計(jì)算LZU-lidar的幾何重疊因子，計(jì)算方法如下：

2.2 退偏比、色比的計(jì)算

偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射平行于激光電場(chǎng)強(qiáng)度振動(dòng)方向的平行分量和垂直于該方向的垂直分量，根據(jù)米散射理論，對(duì)于球形粒子而言，其散射光仍然保持入射光的偏振態(tài)。對(duì)于非球形粒子，其散射光的振動(dòng)方向相比于入射光發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，即產(chǎn)生了退偏振。例如，對(duì)于硫酸鹽氣溶膠和水云等球形粒子的偏振垂直分量為0，而對(duì)于沙塵氣溶膠和冰云等非球形粒子的偏振垂直分量信號(hào)較強(qiáng)，因此退偏比定義為：

式中，P⊥為偏振垂直分量，P‖為偏振平行分量。

退偏比的大小不僅與顆粒物的形狀有關(guān)，還與顆粒物的大小和濃度有關(guān)。此外，星載激光雷達(dá)系統(tǒng)可同時(shí)發(fā)射1 064 nm和532 nm波段的脈沖，接收這2個(gè)波段的回波信號(hào)可得到另一個(gè)觀測(cè)量，即色比，其定義為2個(gè)波段(1 064 nm和532 nm)的回波信號(hào)之比，用來(lái)表征顆粒物的大小，色比越大顆粒物越大。綜上所述，退偏比和色比可以提供更多有關(guān)氣溶膠和云的信息。

3 結(jié)果分析

3.1 晴天條件下觀測(cè)個(gè)例的廓線對(duì)比

圖2是2014年3月22日CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的廓線對(duì)比。從532 nm總后向散射衰減廓線(圖2a)看出，1.5 km以上，兩條廓線具有很好的一致性，1.5 km以下兩者的差異是受幾何重疊因子的影響。LZU-lidar和CALIPSO星載激光雷達(dá)在2 km內(nèi)均探測(cè)到沙塵層，但兩者觀測(cè)的沙塵層高度和強(qiáng)度有一定差異，2 km以下的差異可能是由于沙塵天氣時(shí)氣溶膠水平分布非均一和沙塵天氣的雙重影響。從退偏比(圖2b)廓線看，即使在晴天條件下，CALIPSO星載激光雷達(dá)也能探測(cè)到大氣背景氣溶膠的變化，而LZU-lidar則不能；對(duì)于2 km以下的沙塵氣溶膠，兩者的退偏比都要大于背景氣溶膠的退偏比，相比而言，CALIPSO得到的沙塵的退偏比更為合理。從色比廓線(圖2c)看，晴天條件下，LZU-lidar對(duì)于大氣背景氣溶膠顆粒的大小反映沒(méi)有CALIPSO星載激光雷達(dá)明顯，對(duì)于2 km以下的沙塵，CALIPSO有比較明顯的反映，雖然LZU-lidar也有反映，相比而言，CALIPSO對(duì)于沙塵的探測(cè)效果更為顯著。

圖3給出CALIPSO星載激光雷達(dá)總后向散射衰減(532 nm)、退偏比(532 nm)和色比在不同經(jīng)緯度上的剖面，圖4是LZU-lidar總后向散射衰減(532 nm)、退偏比(532 nm)和色比的時(shí)間—高度剖面。對(duì)比圖3a和圖4a可以看出，即使晴天，CALIPSO星載激光雷達(dá)的532 nm總后向散射衰減在7 km以下有較明顯的變化，對(duì)應(yīng)于圖2a的差異是合理的，特別是對(duì)2 km以下的沙塵，兩者都能探測(cè)到，但CALIPSO觀測(cè)到的強(qiáng)度明顯強(qiáng)于LZU-lidar，因此CALIPSO對(duì)于沙塵的觀測(cè)效果更好；7 km以上，由于大氣趨于干凈，兩者都無(wú)明顯變化，因此圖2a中7 km以上2條廓線具有很好的一致性。其次，對(duì)比圖3b和圖4b，CALIPSO的退偏比在晴天條件下對(duì)于大氣背景氣溶膠也有明顯反映，而LZU-lidar則基本無(wú)明顯變化，對(duì)于2 km以下的沙塵氣溶膠，CALIPSO的退偏比對(duì)沙塵的反映更為合理，因此，圖2b的廓線也是合理的。對(duì)比圖3c和圖4c，CALIPSO對(duì)2 km以下的沙塵反映比較明顯，對(duì)于2 km以上區(qū)域則變化不大，LZU-lidar也是如此，這與圖2c中的廓線基本一致。

圖2 2014年3月22日CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的廓線對(duì)比(a)532 nm總后向散射衰減，(b)532 nm退偏比，(c)色比

圖4 2014年3月22日LZU-lidar 532 nm總后向散射衰減(a，單位：km-1·sr-1)、532 nm退偏比(b)和色比(c)的時(shí)間—高度剖面

由圖2a可知，CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar對(duì)2 km以下的氣溶膠觀測(cè)差異較大，而造成LZU-lidar探測(cè)差異較大的原因，一方面由于高度越低，對(duì)應(yīng)的幾何重疊因子越??；另一方面是由于近地面光信號(hào)和電子學(xué)系統(tǒng)干擾對(duì)最初幾個(gè)脈沖帶來(lái)較大的噪聲引起的[40]?？梢?jiàn)幾何重疊因子對(duì)于氣溶膠觀測(cè)的影響還是很大的，特別是對(duì)于氣溶膠消光系數(shù)反演的影響。

圖5是計(jì)算得到的LZU-lidar的幾何重疊因子，可以看出100～700 m之間<0.1，即說(shuō)明在此探測(cè)范圍不到10%的回波信號(hào)被儀器所接收，從700 m開(kāi)始幾何重疊因子快速增大，一直到1.38 km變?yōu)?，即激光雷達(dá)的發(fā)射場(chǎng)和接收?qǐng)瞿軌蚝芎玫刂丿B。此外通過(guò)計(jì)算還得到LZU-lidar的盲區(qū)高度為120 m。

圖5 計(jì)算得到的LZU-lidar幾何重疊因子Fig.5 The calculated geometric overlap factor of LZU-lidar

3.2 有云條件下觀測(cè)個(gè)例的廓線對(duì)比

圖6是2014年3月6日有云條件下CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的廓線對(duì)比。從532 nm總后向散射衰減廓線(圖6a)看，兩者都可以探測(cè)到9 km左右的云，CALIPSO只顯示為一層云，而LZU-lidar卻探測(cè)到兩層云；5 km上下的云兩者都有反映，LZU-lidar顯示為多層云，而CALIPSO星載激光雷達(dá)對(duì)此反映卻不明顯；LZU-lidar探測(cè)到3 km處的云，而CALIPSO并未觀測(cè)到；在2 km內(nèi)的氣溶膠層，CALIPSO反映得更為明顯，而LZU-lidar在近地面由于受到幾何重疊因子的影響，對(duì)氣溶膠觀測(cè)效果不顯著。

從CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的退偏比(圖6b)看，2 km以上各對(duì)應(yīng)位置，CALIPSO星載激光雷達(dá)的退偏比基本都大于LZU-lidar。在9 km高度有多層冰云的位置，LZU-lidar的退偏比在0.2左右，而CALIPSO在0.4左右；5 km以下有水云的位置，LZU-lidar的退偏比基本都在0.1左右，而CALIPSO在0.3左右。一般來(lái)說(shuō)水云屬于球形粒子，而實(shí)際觀測(cè)結(jié)果是水云的退偏比較大，這是由于激光在云中的多次散射效應(yīng)所致。CALIPSO星載激光雷達(dá)探測(cè)的水云和冰云的退偏比都很大，而LZU-lidar探測(cè)得到的兩者退偏比都比較小，因此星載和地基激光雷達(dá)在區(qū)分云相上有一定困難[41]。對(duì)于1～2 km的氣溶膠層，LZU-lidar探測(cè)的退偏比也要大于CALIPSO探測(cè)的值，但氣溶膠的退偏比要小于云的退偏比，由此可見(jiàn)退偏比的大小不僅與顆粒物的形狀有關(guān)，還與顆粒物的大小和濃度有關(guān)。圖6c是CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的色比對(duì)比，可以看出6 km以下，LZU-lidar的色比對(duì)于顆粒物大小的變化反映顯著，最大值可達(dá)2；而CALIPSO探測(cè)的6 km以下和9 km左右云的色比相差不大，說(shuō)明僅根據(jù)云粒徑的大小區(qū)分云相也是有困難的。對(duì)于2 km以下區(qū)域的氣溶膠層，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一套激光雷達(dá)系統(tǒng)，云的色比要大于氣溶膠的，因?yàn)樵屏酱笮∵h(yuǎn)大于氣溶膠粒徑，而圖6c的反映是合理的。

圖7給出CALIPSO星載激光雷達(dá)探測(cè)的532 nm后向散射衰減、退偏比和色比在不同經(jīng)緯度上的剖面，圖8是LZU-lidar探測(cè)的532 nm后向散射衰減、退偏比和色比的時(shí)間—高度剖面。CALIPSO的觀測(cè)是在當(dāng)?shù)睾０胃叨纫陨?，因此?duì)比時(shí)要減去當(dāng)?shù)睾０胃叨取?/p>

從圖7a看出，大約9 km高度有一層水平尺度達(dá)400 km的高云，云層厚度近2 km；5 km上下存在水平尺度約100 km的云。云頂高度以及云層厚度隨著CALIPSO衛(wèi)星地面軌道的改變而快速變化，并且LZU-lidar距離CALIPSO地面軌道最近也有36 km，所以圖6a中云層高度的差異也是合理的，衛(wèi)星過(guò)境時(shí)LZU-lidar觀測(cè)到多層云也是合理的，對(duì)應(yīng)于圖8a也可看出上述結(jié)果。至于兩者觀測(cè)到云層厚度的差異，可能是由于地基和星載激光雷達(dá)探測(cè)方向的不同，地基激光雷達(dá)是垂直于地面向上進(jìn)行觀測(cè)，而星載激光雷達(dá)是從高空向地面向下進(jìn)行觀測(cè)，地基激光雷達(dá)在低空激光能量衰減小，因此接收到的信號(hào)要強(qiáng)，而CALIPSO星載激光雷達(dá)所發(fā)射的激光到達(dá)低空時(shí)已衰減很厲害，而且后向散射從低空到高空，要穿過(guò)多層云，能量進(jìn)一步衰減，所以CALIPSO接收到的信號(hào)就比較弱。對(duì)比圖7b和圖8b，可以看出，LZU-lidar和CALIPSO星載激光雷達(dá)探測(cè)的退偏比在9 km和5 km以下有云區(qū)域差異不大，因此圖6b也是合理的，由此可見(jiàn)，只是根據(jù)顆粒物的退偏比很難區(qū)分云的相態(tài)，還應(yīng)結(jié)合顆粒物的大小及濃度來(lái)加以區(qū)分。

對(duì)比圖7c和圖8c，可以看出，5 km以下云和氣溶膠的色比有明顯差異，對(duì)應(yīng)于圖6c中LZU-lidar探測(cè)的色比在5 km以下的明顯變化。而在9 km以上，由于衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，LZU-lidar觀測(cè)到的云快速變化，使得此處色比較小，對(duì)應(yīng)于圖6c中高云的色比較??；從圖7c中可以看出色比在上述兩區(qū)域無(wú)明顯差異，圖6c也反映了CALIPSO在這兩區(qū)域探測(cè)的色比差異不大。

圖6 2014年3月6日CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的廓線對(duì)比(a)532 nm總后向散射衰減，(b)532 nm退偏比，(c)色比

圖7 2014年3月6日CALIPSO星載激光雷達(dá)532 nm總后向散射衰減(a，單位：km-1·sr-1)，532 nm退偏比(b)及色比(c)

圖8 2014年3月6日LZU-lidar 的總后向散射衰減(532 nm)(a，單位：km-1·sr-1)、退偏比(532 nm)(b)和色比(c)的時(shí)間—高度分布

4 結(jié)論與討論

(1)晴天條件下，CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar的反演結(jié)果有較好的一致性，說(shuō)明LZU-lidar的探測(cè)能力比較好，反演結(jié)果具有較高的可信度，而1.5 km以下兩者的差異主要是因?yàn)長(zhǎng)ZU-lidar受到幾何重疊因子的影響。

(2)有云條件下，CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar在中高層的反演結(jié)果具有較好的一致性，而在低層，由于兩者觀測(cè)方向不同結(jié)果存在較大差異，說(shuō)明在多云條件下，LZU-lidar的反演結(jié)果更為可信，CALIPSO星載激光雷達(dá)和LZU-lidar對(duì)于云相態(tài)的區(qū)分都有一定困難。

(3)1.38 km以上，LZU-lidar系統(tǒng)的發(fā)射場(chǎng)和接收?qǐng)瞿軌蚝芎玫刂丿B，LZU-lidar盲區(qū)高度為120 m。對(duì)于不能采用水平探測(cè)確定幾何重疊因子的激光雷達(dá)系統(tǒng)，本文所使用的計(jì)算方法簡(jiǎn)便實(shí)用、行之有效。

為了更進(jìn)一步評(píng)估CALIPSO星載激光雷達(dá)對(duì)蘭州地區(qū)云和氣溶膠的觀測(cè)效果和利用星載激光雷達(dá)來(lái)訂正地基激光雷達(dá)對(duì)氣溶膠的觀測(cè)，還應(yīng)結(jié)合SACOL觀測(cè)站現(xiàn)有的可靠?jī)x器來(lái)進(jìn)行對(duì)比，此外為了更好地利用CALIPSO的觀測(cè)資料，應(yīng)當(dāng)對(duì)不同區(qū)域的觀測(cè)資料與可靠的地面儀器進(jìn)行比較，并給出具有區(qū)域特色的激光雷達(dá)比。

致謝：感謝蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站(SACOL)提供地基激光雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)及美國(guó)國(guó)家航空航天局CALIPSO科學(xué)組提供CALIPSO激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)

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Contrast Observation of Spaceborne CALIPSO Lidar and a Ground-based Polarized Raman Lidar

WEN Chun1,2, HUANG Zhongwei1, ZHOU Tian1,ZHANG Jinchao1,3, XIN Yanan1,4

(1.CollegeofAtmosphericScience,LanzhouUniversity,Lanzhou730000China；2.LuntaiMeteorologicalBureauofXinjiang,Luntai841600,China；3.SanmenMeteorologicalStationofZhejiangProvince,Sanmen317100,China；4.JinchangMeteorologicalBureauofGansuProvince,Jinchang737100,China)

Clouds and aerosols have significant impact on globe climate change, and due to lack of information about clouds and aerosols vertical structure, there is large uncertainty to quantify their climatic effects. Lidar has been well known as a unique remote sensing for measuring the vertical structure of clouds and aerosols with high spatio-temporal resolution. To validate observations of spaceborne lidar, measurements from a developed ground-based polarized Raman lidar in Lanzhou on March 6 and March 22, 2014 were conducted. The results show that observations from CALIPSO lidar and ground-based lidar had a good consistency for clear day except for signals near ground surface because of overlap effect of ground-based lidar. So the geometric overlap factor of ground-based lidar could be calculated from the comparison. For cloudy condition, CALIPSO lidar observations had a good agreement with those of ground-based lidar for high cloud layer, but due to different direction of observation for ground-based and spaceborne lidar or inhomogeneous of cloud in the lower atmosphere, they were different.

polarized raman lidar; CALIPSO lidar; vertical structure of clouds and aerosols; comparative observations

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0779

2016-03-01；改回日期：2016-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41375031、41305027、41575017)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(lzujbky-2015-k01)共同資助

溫春(1990-)，男，新疆庫(kù)爾勒市人，助理工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作. E-mail：wenchun622@163.com

黃忠偉，博士，主要從事激光雷達(dá)大氣遙感與環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究. E-mail：huangzhongwei@lzu.edu.cn

1006-7639(2016)-05-0779-10 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0779

P407.5

A

溫 春，黃忠偉，周 天，等.地基偏振拉曼激光雷達(dá)與CALIPS0星載激光雷達(dá)的對(duì)比觀測(cè)研究[J].干旱氣象，2016，34(5)：779-788, [WEN Chun, HUANG Zhongwei, ZHOU Tian, et al. Contrast Observation of Spaceborne CALIPSO Lidar and a Ground-based Polarized Raman Lidar[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):779-788],