孫 偉，劉志紅，張 洋，張 娟，呂朝陽

1.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610072 2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

大氣氣溶膠是指直徑為0.001～100 μm的懸浮于大氣中的多項(xiàng)體系，其液態(tài)微粒呈球形，固態(tài)微粒呈不規(guī)則形態(tài)[1]，它作為地球大氣組成的重要成分之一，對(duì)環(huán)境污染、氣候變化、交通運(yùn)輸、人體健康、大氣對(duì)地球表面熱輻射平衡等諸多方面產(chǎn)生至關(guān)重要的影響[2]。衛(wèi)星觀測具有大空間尺度特點(diǎn)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠的觀測。1999年NASA發(fā)射的Terra衛(wèi)星上的MODIS中分辨率成像光譜儀以及2008年9月中國發(fā)射的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星等傳統(tǒng)多光譜平臺(tái)能夠觀測水平面上氣溶膠的分布，但這2種數(shù)據(jù)并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的觀測，因此，研究者開始利用激光雷達(dá)觀測氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)。使用激光雷達(dá)反演大氣氣溶膠特征參數(shù)實(shí)際就是將雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)帶入方程，對(duì)大氣散射方程求解的過程。此方法之所以有效，主要因?yàn)榧す庠诳諝庵袀鬏敃r(shí)可以同空氣中的分子、原子及顆粒物等相互作用，產(chǎn)生散射和吸收，且不同粒子與激光雷達(dá)的作用機(jī)制不同，產(chǎn)生的回波信號(hào)也不同。按照此原理可以從雷達(dá)后向散射信號(hào)的光強(qiáng)、頻率、相位等信息中分析氣溶膠粒子的物理光學(xué)特性。雷達(dá)接收到大氣后向散射回波光子數(shù)，將此回波光子數(shù)處理后帶入雷達(dá)方程就可以求出所需參量。采用激光雷達(dá)測量氣溶膠顆粒物的時(shí)空分布特征，帶有退偏通道的激光雷達(dá)用于有效區(qū)分云、霧和一般氣溶膠顆粒物，由于氣粒轉(zhuǎn)換后生成的氣溶膠顆粒物小粒子多是球形粒子，所以退偏振比的數(shù)值也是分析顆粒物轉(zhuǎn)換過程的重要工具。在現(xiàn)實(shí)觀測應(yīng)用中，無論是空基激光雷達(dá)還是地基激光雷達(dá)都存在各自的優(yōu)勢與劣勢，地基激光雷達(dá)可以從地向空方向上提供氣溶膠的全天不間斷觀測結(jié)果，時(shí)間上具有很好的連續(xù)性，但其探測范圍較窄[3]，僅憑獨(dú)立點(diǎn)位的觀測結(jié)果很難精確表示出氣溶膠的區(qū)域分布狀況[4]；空基激光雷達(dá)從空向地進(jìn)行探測，其視角范圍廣，但無法對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行長期不間斷的連續(xù)監(jiān)測[5]。2010年，王靜等[6]基于當(dāng)年3、4月份Cloud-Aerosol LIDAR with Orthogonal Polarization(CALIOP)激光雷達(dá)后向散射數(shù)據(jù)對(duì)北京地區(qū)春季沙塵天氣大氣分布狀況開展了相關(guān)研究。2012年劉瓊等[7]利用CALIOP氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)與地基觀測資料研究了上海地區(qū)干霾天氣的大氣垂直結(jié)構(gòu)，為研究上海地區(qū)干霾天氣的大氣垂直結(jié)構(gòu)信息提供了有利支持。2013年呂陽等[8]對(duì)北京地區(qū)的氣溶膠垂直分布特征進(jìn)行觀測研究，利用法國CE370-2激光雷達(dá)進(jìn)行測量，并對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行反演得出后向散射系數(shù)與消光系數(shù)，對(duì)不同高度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。2016年溫春等[9]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、22日的觀測資料與CALIOP星載激光雷達(dá)的觀測資料進(jìn)行對(duì)比研究。使用單一的地基雷達(dá)數(shù)據(jù)或空基雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，如果遇到氣溶膠層較厚或云層較厚的情況，激光雷達(dá)的回波信號(hào)會(huì)被較厚云層或氣溶膠層阻擋而變?nèi)?，不能完全將氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)表達(dá)出來[10-16]，為避免因此造成的觀測誤差，研究者選擇空基雷達(dá)結(jié)合地基雷達(dá)的方法，這種方法可對(duì)氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為全面、詳細(xì)和準(zhǔn)確的觀測，已經(jīng)成為大氣氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)研究的主要方式[17-24]。

川南城市群是成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分，也是四川盆地大氣污染最嚴(yán)重的地區(qū)之一，宜賓作為川南城市群中的主要城市，其大氣狀況不容樂觀。宜賓市氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，地形整體呈西南高、東北低態(tài)勢，市境內(nèi)最高海拔為2 008.7 m，最低海拔為236 m，全市地貌以中低山地和丘陵為主。根據(jù)宜賓市環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，宜賓市中心城區(qū)2016年冬季PM2.5超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)限值的天數(shù)占總監(jiān)測天數(shù)的比值(超標(biāo)率)為67.4%，超標(biāo)情況較為嚴(yán)重。

空基激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)可以有效探測大氣氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)，利用LGJ-01型號(hào)地基激光雷達(dá)對(duì)宜賓地區(qū)2016年冬季(2016年12月—2017年2月)無污染時(shí)期、少云輕度污染時(shí)期和多云重度污染時(shí)期的氣溶膠特性進(jìn)行探測，將CALIOP空基激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)與LGJ-01型號(hào)地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，能夠更加全面地得出宜賓地區(qū)氣溶膠的衰減后向散射系數(shù)和退偏振比光學(xué)參數(shù)的垂直分布。因宜賓地區(qū)的大氣污染比較嚴(yán)重，大氣氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的研究對(duì)該地區(qū)環(huán)境監(jiān)測有著重要的應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)意義。

圖1 研究區(qū)地形圖Fig.1 The topographic map of study area

1 資料與研究方法

1.1 地基激光雷達(dá)監(jiān)測

LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)安裝在宜賓市五糧液酒廠(地理坐標(biāo)為28°47′24″N,104°36′0″E)，監(jiān)測時(shí)間為2016年12月7日—2017年2月28日(圖1)。該地基激光雷達(dá)是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號(hào)來遙感大氣中的顆粒物信息，激光器同時(shí)發(fā)射出355、532、1 064 nm等波長的激光，接收望遠(yuǎn)鏡收集氣溶膠和沙塵粒子對(duì)激光的后向散射信號(hào)，再結(jié)合相關(guān)算法可解析出大氣中粒子的屬性，得到氣溶膠粒子的垂直廓線等相關(guān)信息，具體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)Table 1 LGJ-01 aerosol laser radar specifications

1.2 空基激光雷達(dá)監(jiān)測

空基激光雷達(dá)是指將激光雷達(dá)系統(tǒng)安置在地球軌道平臺(tái)上，用于探測大氣參數(shù)和地表特征的一種系統(tǒng)裝置，由于不受人為因素的影響和地面條件的限制，它能長期探測大范圍內(nèi)的大氣動(dòng)態(tài)。1998年，美國NASA與法國國家航天中心(CNES)合作實(shí)施了“云-氣溶膠激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)全球大氣氣溶膠探測計(jì)劃(CALIPSO)”，主要任務(wù)是提供覆蓋全球的云和氣溶膠的高度、覆蓋率及種類信息，用于研究其對(duì)全球氣候變化的影響[25-27]。CALIPSO加載的CALIOP激光雷達(dá)發(fā)射與接收系統(tǒng)位于 T 型光學(xué)平臺(tái)上，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)射波長為1 064、532 nm(倍頻產(chǎn)生)，532 nm波長具有高偏振性，用于偏振特性的測量，接收望遠(yuǎn)鏡直徑為1 m，采用鈹元素制造，最大化的降低熱效應(yīng)。望遠(yuǎn)鏡接收通道分為1 064 nm后向散射強(qiáng)度和 532 nm 后向散射信號(hào)正交極化部分，其他參數(shù)見表2和表3。

表2 CALIOP激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)Table 2 CALIOP lidar specifications

表3 CALIOP激光雷達(dá) Level 1B數(shù)據(jù)空間分辨率Table 3 CALIOP lidar level 1B data spatial resolution

注：“—”表示無相關(guān)描述。

該研究星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)主要選用2016年12月—2017年2月CALIPSO衛(wèi)星途經(jīng)宜賓地區(qū)(27°49′48″～29°16′12″N，103°36′0″～105°19′48″E)的Level 1B數(shù)據(jù)。CALIPSO衛(wèi)星途徑宜賓地區(qū)軌跡圖如圖2所示。具體觀測數(shù)據(jù)信息如表4所示。

圖2 2016年12月—2017年2月CALIPSO衛(wèi)星 途徑宜賓地區(qū)軌跡圖Fig.2 CALIPSO trajectory map of Yibin area, from December 2016 to February 2017

表4 2016年12月—2017年2月途徑宜賓地區(qū)的CALIPSO觀測數(shù)據(jù)信息Table 4 CALIPSO observation data of Yibin area,from December 2016 to February 2017

注：表中數(shù)據(jù)名所示的意義分別為CALIPSO-激光雷達(dá)-數(shù)據(jù)級(jí)別-數(shù)據(jù)版本-年-月-日過境時(shí)間，過境時(shí)間為世界時(shí)(UTC)，表中已將過境時(shí)間統(tǒng)一換算為北京時(shí)間。

1.3 分析方法

米散射激光雷達(dá)有3種反演大氣氣溶膠的方法(Klett方法、Fernald方法和Collis斜率法)，但都需要對(duì)激光雷達(dá)比 Sa進(jìn)行假設(shè)[28]，這里使用CALIOP空基激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)和LGJ-01型號(hào)地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的對(duì)比，避免了假設(shè)所帶來的誤差，從而提高地基米散射激光雷達(dá)反演大氣氣溶膠的精度，該方法的使用前提是地基激光雷達(dá)與空基激光雷達(dá)工作波長相同，且在同一探測區(qū)域。該研究使用的星載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)的波長都為532 nm，且探測區(qū)域均為宜賓地區(qū)。

532 nm總后向散射消光系數(shù)是532 nm垂直衰減后向散射系數(shù)與平行衰減后向散射系數(shù)之和，總后向散射系數(shù)值越大則表明大氣中顆粒物的散射能力越強(qiáng)，反之越弱，其中云層和氣溶膠顆粒散射能力強(qiáng)，呈現(xiàn)高紅狀態(tài)[29-30]。

β′532,total(γ)=β′532,par(γ)+β′532,per(γ)

(1)

式中：β′532,total(γ)表示不同高度范圍的總后向散射系數(shù)，β′532,par(γ)和β′532,per(γ)分別表示532 nm垂直衰減后向散射系數(shù)與平行衰減后向散射系數(shù)。

退偏振比是532 nm垂直衰減后向散射系數(shù)和平行衰減后向散射系數(shù)之比，它反映氣溶膠表面粗糙程度，退偏振比的值大小與其被測顆粒物的形態(tài)與濃度有關(guān)，同時(shí)還受到被測顆粒物尺寸的影響。退偏振比值越大，顆粒物越不規(guī)則，退偏振比值越小，顆粒物越規(guī)則。通常非球形顆粒物退偏振比的值比較大，而球形顆粒物的退偏振比的值則比較小，退偏振比可提供有關(guān)氣溶膠和云的信息，據(jù)此可從側(cè)面分析大氣中氣溶膠的垂直分布[31-33]。其退偏振比公式為

VDR(γ)=β′532,per(γ)/β′532,par(γ)

(2)

式中：VDR(γ)表示不同高度范圍的退偏振比。利用532 nm總后向散射系數(shù)和退偏振比可知探測區(qū)域大氣中顆粒物的散射能力強(qiáng)弱和被測顆粒的不規(guī)則程度，將消光系數(shù)與退偏振比結(jié)合起來可以有效識(shí)別污染物和云層干擾。

研究利用2016年12月—2017年2月CALIOP星載激光雷達(dá)Level 1B數(shù)據(jù)的總衰減后向散射系數(shù)和退偏振比與LGJ-01型號(hào)氣溶膠地基激光雷達(dá)觀測得到的532 nm消光系數(shù)數(shù)據(jù)和532 nm退偏振比數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(CALIOP星載激光雷達(dá)Level 1B除海拔為-0.5～8.3 km高度的數(shù)據(jù)垂直分辨率為30 m外，其余海拔高度的數(shù)據(jù)垂直分辨率均大于30 m，而LGJ-01型號(hào)氣溶膠地基激光雷達(dá)在該研究中探測范圍為0～5 km，距離分辨率為3.75 m，為提高2個(gè)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)比分析時(shí)的準(zhǔn)確性，筆者僅提取CALIOP星載激光雷達(dá)Level 1B垂直分辨率為30 m的海拔0～8 km高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，數(shù)據(jù)容積號(hào)范圍為288～560)，得到宜賓地區(qū)無污染時(shí)期、少云輕度污染時(shí)期和多云重度污染時(shí)期氣溶膠的衰減后向散射系數(shù)和退偏振比光學(xué)參數(shù)的垂直分布特征，相應(yīng)的天氣情況見表5。

表5 宜賓地區(qū)無污染時(shí)期、少云輕度污染時(shí)期和多云重度污染時(shí)期天氣情況Table 5 Yibin situation in the period of non-polluting, partly cloudy slight pollution and cloudy heavy

2 空基與地基激光雷達(dá)氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

2.1 無污染條件下對(duì)比分析

2017年2月28日02:48(北京時(shí)間)CALIPSO衛(wèi)星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達(dá)記錄下此時(shí)大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖3)。

圖3 2017年2月28日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.3 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on February 28,2017

圖3中，3.0～4.0 km的中高層呈現(xiàn)明顯的紅色后向散射系數(shù)高值區(qū)，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)，同期退振偏比(圖4)的峰值平均值約為0.8，根據(jù)周天等[34]的研究，退偏振比大于0.25即可認(rèn)為是冰云，因此可以判定該海拔高度范圍內(nèi)存在冰云云層。在0～0.4 km的近地面，則存在后向散射值在0.01～0.02/(km·sr)范圍內(nèi)的氣溶膠層，其退偏振比峰值約為0.5。根據(jù)黃忠偉[5]的研究，氣溶膠的退偏振比隨粒子半徑增大而增大，而一般人為氣溶膠的退偏振比多在0.1以下[35]，因此可判斷當(dāng)日區(qū)域內(nèi)的氣溶膠粒子大部分為自然來源。

圖4 2017年2月28日LGJ-01波長532 nm消光系數(shù)時(shí)空分布圖Fig.4 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on February 28,2017

2017年2月28日，LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測所得的宜賓地區(qū)大氣消光系數(shù)垂直分布時(shí)空演化情況繪于圖5，其中紅色箭頭所指的時(shí)刻為圖3中對(duì)應(yīng)的CALIPSO衛(wèi)星過境時(shí)刻。通過圖5可以觀察到，2月28日00:00—15:00宜賓地區(qū)低空大氣中存在厚度約為0.1～1.1 km的連續(xù)綠色區(qū)域，15:00—24:00中高空大氣中存在厚度約為3.0～5.0 km的連續(xù)紅綠相間區(qū)域，結(jié)合退偏振比(圖6)判斷，0.1～1.1 km處綠色區(qū)域是近地面氣溶膠層，其消光系數(shù)值范圍為0.3～1.0/km；3.0～5.0 km連續(xù)紅綠相間的區(qū)域是冰云，其消光系數(shù)值范圍為1.0～2.0/km。在地基激光雷達(dá)的結(jié)果中，對(duì)應(yīng)近地面區(qū)域的退偏振比值較低，說明點(diǎn)位處的氣溶膠粒子為人為來源。而衛(wèi)星觀測的區(qū)域內(nèi)氣溶膠粒子以自然來源為主，同時(shí)注意到衛(wèi)星觀測區(qū)域內(nèi)并沒有與地基點(diǎn)位嚴(yán)格重合的觀測點(diǎn)，因此兩者的觀測結(jié)果并不矛盾，并在一定程度上表明當(dāng)日宜賓區(qū)域內(nèi)氣溶膠粒子來源的空間差異較大。

該次無污染時(shí)期監(jiān)測案例表明，CALIOP數(shù)據(jù)和LGJ-01數(shù)據(jù)在無污染情況下都可以監(jiān)測到近地面氣溶膠層和云層，但監(jiān)測結(jié)果顯示出一定的空間差異性(表6)。

圖5 2017年2月28日LGJ-01波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.5 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on February 28,2017

圖6 2017年2月28日CALIOP波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.6 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on February 28, 2017

表6 宜賓地區(qū)無污染時(shí)期空基與地基雷達(dá)監(jiān)測對(duì)比Table 6 Comparison monitoring of space-based and ground-based radar in non-pollution period in Yibin area

注：“*”表示該數(shù)據(jù)單位為1/km。

2.2 污染條件下對(duì)比分析

2.2.1 少云輕度污染時(shí)期監(jiān)測對(duì)比分析

2016年12月22日13:47(北京時(shí)間)CALIPSO衛(wèi)星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達(dá)記錄下此時(shí)大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖7)。如圖7所示，在海拔為2～2.5 km處，圖左邊有高紅區(qū)域，結(jié)合退偏振比(圖8)可知該范圍內(nèi)水云和冰云同時(shí)存在；0.2～3.5 km為較明顯的紅綠黃相間后向散射系數(shù)高值區(qū)，后向散射值范圍大于0.01/(km·sr)，且2 km以上空中基本少云無干擾，結(jié)合同期退偏振比(圖8)和當(dāng)天空氣質(zhì)量(輕度污染)得出0.2～3.5 km含有氣溶膠顆粒；0.2～1.0 km存在明顯的紅黃相間后向散射系數(shù)高值區(qū)，結(jié)合同期退偏振比(圖8)和當(dāng)天空氣質(zhì)量(輕度污染)得出在該高度區(qū)間內(nèi)人為氣溶膠顆粒集中分布，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)。

2016年12月22日，LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測所得的宜賓地區(qū)大氣消光系數(shù)垂直分布時(shí)空演化情況繪于圖9，其中紅色箭頭所指的時(shí)刻為圖7中對(duì)應(yīng)的CALIPSO衛(wèi)星過境時(shí)刻。通過圖9可以觀察到，12月22日00:00—24:00宜賓地區(qū)低空大氣中普遍存在厚度約為0.2 km的高紅區(qū)域，結(jié)合退偏振比(圖10)和當(dāng)天空氣質(zhì)量(輕度污染)得出該區(qū)域范圍為近地面人為氣溶膠層，其消光系數(shù)約為2/km；同時(shí)在1.6～3.8 km處出現(xiàn)高紅區(qū)域，結(jié)合退偏振比(圖10)識(shí)別為中高層云層。

圖7 2016年12月22日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.7 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on December 22,2016

圖8 2016年12月22日LGJ-01波長532 nm消光系數(shù)時(shí)空分布圖Fig.8 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on December 22,2016

圖9 2016年12月22日LGJ-01波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.9 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on December 22,2016

圖10 2016年12月22日CALIOP波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.10 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on December 22,2016

該次輕度污染時(shí)期監(jiān)測案例表明，CALIOP數(shù)據(jù)在空中少云無干擾情況下和LGJ-01數(shù)據(jù)都監(jiān)測到近地面氣溶膠層和云層，且監(jiān)測結(jié)果基本一致(表7)。

表7 宜賓地區(qū)少云輕度污染時(shí)期空基與 地基雷達(dá)監(jiān)測對(duì)比Table 7 Comparison monitoring of space-based and ground-based radar in Yibin area with partly cloudy slight pollution

注：同表6注。

2.2.2 多云重度污染時(shí)期監(jiān)測對(duì)比分析

2017年1月7日13:47(北京時(shí)間)CALIPSO衛(wèi)星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達(dá)記錄下此時(shí)大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖11)。如圖11所示，2.5～3.0 km為較明顯的紅綠黃相間后向散射系數(shù)高值區(qū)，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)，結(jié)合同期退偏振比(圖12)可知大部分區(qū)域存在水云和冰云；從經(jīng)緯度來看，28°00′00″～29°36′00″N范圍內(nèi)2.5～3.0 km高空中云層較厚，所以較厚云層下方信號(hào)弱，對(duì)該經(jīng)緯度范圍內(nèi)2.5 km以下的氣溶膠監(jiān)測效果不明顯；29°36′00″～30°00′00″N范圍內(nèi)2.5～3.0 km高空云層較薄，在該經(jīng)緯度范圍內(nèi)0.3 km高度處監(jiān)測到紅色后向散射系數(shù)高值區(qū)，后向散射值大于0.02/(km·sr)。

圖11 2017年1月7日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.11 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on January 07,2017

圖12 2017年1月7日LGJ-01波長532 nm消光系數(shù)時(shí)空分布圖Fig.12 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on January 07,2017

2017年1月7日，LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測所得的宜賓地區(qū)大氣消光系數(shù)垂直分布時(shí)空演化情況繪于圖13，其中紅色箭頭所指的時(shí)刻為圖11中對(duì)應(yīng)的CALIPSO衛(wèi)星過境時(shí)刻。通過圖13可以觀察到，1月7日00:00—24:00宜賓地區(qū)低空大氣中普遍存在厚度約為0.3 km的高紅區(qū)域，結(jié)合退偏振比(圖14)和當(dāng)天空氣質(zhì)量(重度污染)表明該區(qū)域范圍為近地面較厚的氣溶膠，消光系數(shù)約為2/km；同時(shí)在0.6～1.6 km處出現(xiàn)黃綠色區(qū)域，消光系數(shù)范圍為1.0～1.5/km。按照區(qū)域高度，結(jié)合退偏振比(圖14)，因其沒有在大氣消光系數(shù)垂直分布中表現(xiàn)出高紅狀態(tài)，所以并不能識(shí)別其為中低層云層，此處可能為外來輸送的污染物或者二次揚(yáng)塵產(chǎn)生的顆粒物；19:00處于淺綠狀態(tài)，而在20:00—22:00又變成高紅狀態(tài)，這種變化可能是受風(fēng)速影響，根據(jù)氣象資料得知，16:00開始風(fēng)速加大，20:00—22:00處于靜風(fēng)狀態(tài)，污染物被吹散后遇到靜風(fēng)狀態(tài)時(shí)，又開始匯聚。

該次重度污染時(shí)期監(jiān)測案例表明，地基激光雷達(dá)能夠較好地探測近地面氣溶膠層，但由于近地面氣溶膠層較厚，其強(qiáng)消光作用導(dǎo)致激光束能量衰減，從而無法探測到高空云層；而星載激光雷達(dá)能夠較好地探測到高空云層，在云層較薄時(shí)亦能檢測到近地面的氣溶膠粒子，但當(dāng)云層較厚時(shí)，很難探測到近地面氣溶膠。

圖13 2017年1月07日LGJ-01波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.13 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on January 07,2017

圖14 2017年1月07日CALIOP波長532 nm退偏振比時(shí)空分布圖Fig.14 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on January 07, 2017

3 結(jié)論

結(jié)合CALIOP星載激光雷達(dá)和LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)分析了2016年12月—2017年2月宜賓地區(qū)無污染時(shí)期、少云輕度污染時(shí)期和多云重度污染時(shí)期的氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)，得到以下結(jié)論：

1)CALIOP星載激光雷達(dá)和LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)在無污染情況下都可以監(jiān)測到中高空云層，其中CALIOP監(jiān)測的云層海拔高度為3.0～4.0 km，后向散射系數(shù)值范圍大于0.02/(km·sr)，LGJ-01監(jiān)測的云層海拔高度為3.0～5.0 km，其消光系數(shù)值范圍為1.0～2.0/km，2個(gè)激光雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果基本一致。

2)在空中少云無干擾和輕度污染情況下CALIOP星載激光雷達(dá)和LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)都監(jiān)測到近地面氣溶膠層，其中CALIOP星載激光雷達(dá)監(jiān)測到海拔高度為0.2～1.0 km范圍內(nèi)氣溶膠顆粒集中分布，后向散射值范圍大于0.01/(km·sr)，LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)監(jiān)測到厚度約為0.2 km的近地面氣溶膠層，其消光系數(shù)約為2/km，2個(gè)激光雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果基本一致。

3)在重度污染時(shí)期，地基激光雷達(dá)能夠較好地探測近地面氣溶膠層，但由于近地面氣溶膠層較厚，其強(qiáng)消光作用導(dǎo)致激光束能量衰減，從而無法探測到高空云層；而星載激光雷達(dá)能夠較好地探測到高空云層，在云層較薄時(shí)亦能檢測到近地面的氣溶膠粒子，但當(dāng)云層較厚時(shí)，很難探測到近地面氣溶膠，但若將兩者結(jié)合，則能實(shí)現(xiàn)不同天氣狀況下的綜合探測，以得到更多的氣溶膠觀測數(shù)據(jù)。

4)CALIOP星載激光雷達(dá)和LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)在探測大氣氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)方面各有特色。CALIOP星載激光雷達(dá)的特點(diǎn)是衛(wèi)星掃描，只能針對(duì)某一特定時(shí)段、特定地點(diǎn)進(jìn)行分析，無法全天時(shí)監(jiān)測；而LGJ-01型號(hào)氣溶膠激光雷達(dá)能夠很好地實(shí)現(xiàn)全天時(shí)探測某一單點(diǎn)近地面的氣溶膠垂直分布時(shí)間演變規(guī)律?？栈走_(dá)的觀測角度是從空到地，地基雷達(dá)則是從地到空，兩者在不同天氣污染狀況下具有不同的探測優(yōu)勢，將2個(gè)激光雷達(dá)的優(yōu)勢結(jié)合起來，可以較全面客觀地為研究氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)提供觀測及科研數(shù)據(jù)。