謝銀海，曹念文，楊思鵬，何星庭

(1.四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；3.南京信息工程大學(xué)，大氣物理學(xué)院，南京 210044)

0 引言

四川氣象觀測(cè)站目前仍存在探測(cè)種類(lèi)少、垂直探測(cè)能力不足的問(wèn)題。差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)是探測(cè)臭氧濃度廓線十分有效的手段，因其具有高分辨力、高精度和實(shí)時(shí)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[1，2]。為了加強(qiáng)激光雷達(dá)的觀測(cè)站網(wǎng)布局，提高氣象綜合觀測(cè)能力，文章對(duì)DIAL(差分吸收激光雷達(dá))和Dual-DIAL(雙重差分吸收激光雷達(dá))兩種方法探測(cè)臭氧的誤差進(jìn)行了討論。常規(guī)的差分吸收激光雷達(dá)方法由于忽略了大氣消光與后向散射的影響，在氣溶膠含量較高的環(huán)境中將產(chǎn)生較大誤差，探測(cè)精度會(huì)受到很大的影響[3-6]。為了減小探測(cè)誤差，一些學(xué)者提出了Raman方法測(cè)量臭氧[7，8]，但是其信噪比太小不利于計(jì)算，對(duì)去噪要求很高。隨后又有學(xué)者提出了四波長(zhǎng)雙重差分測(cè)量大氣臭氧的方法[9]，發(fā)展了三波長(zhǎng)雙差分法(Dual-DIAL)[10，11]，這種方法能有效克服大氣氣溶膠對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

1 探測(cè)原理

1.1 氣溶膠激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)

Dual-DIAL測(cè)量臭氧的技術(shù)己經(jīng)較為成熟，其中比較關(guān)鍵的是消除氣溶膠對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響，而不同地區(qū)的氣溶膠分布與特性有差異，文章通過(guò)激光雷達(dá)實(shí)測(cè)的氣溶膠數(shù)據(jù)計(jì)算其對(duì)臭氧探測(cè)的影響。氣溶膠探測(cè)使用的激光雷達(dá)是三通道激光雷達(dá)(圖1)。

圖1 Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

將雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射單元(激光發(fā)射器等)和接收單元(接收望遠(yuǎn)鏡等)置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的水平工作平臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持恒溫。試驗(yàn)采用激光雷達(dá)的發(fā)射單元是SureliteII型激光器，其發(fā)射的激光波長(zhǎng)為532 nm，激光通過(guò)發(fā)射單元的擴(kuò)束器擴(kuò)束并調(diào)試光路，經(jīng)過(guò)全反射鏡的反射后，垂直向上進(jìn)入大氣。在大氣傳輸過(guò)程中，激光光束會(huì)與大氣分子和氣溶膠粒子發(fā)生相互作用，其中一部分返回地面的后向散射回波信號(hào)由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡過(guò)濾后進(jìn)入信號(hào)采集通道。其中氮?dú)夥肿拥腞aman散射信號(hào)(607 nm)經(jīng)過(guò)分色鏡后進(jìn)入Raman光子計(jì)數(shù)采集通道；高空532 nm散射信號(hào)經(jīng)過(guò)半反半透鏡后進(jìn)入Rayleigh光子計(jì)數(shù)采集通道；低空532 nm散射信號(hào)經(jīng)過(guò)全反鏡后進(jìn)入Mie散射光子計(jì)數(shù)采集通道，該通道接收低層Mie散射信號(hào)。3種信號(hào)通過(guò)以上處理后，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到電信號(hào)，最終由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲(chǔ)在主控計(jì)算機(jī)中。

1.2 數(shù)據(jù)分析原理

根據(jù)DIAL方法和Dual-DIAL方法探測(cè)臭氧時(shí)的臭氧計(jì)算表達(dá)式，可知激光雷達(dá)差分吸收方法的探測(cè)結(jié)果受大氣(大氣分子和氣溶膠)的后向散射和消光影響，而由于大氣氣溶膠分布的不確定性，計(jì)算時(shí)往往忽略這2項(xiàng)的影響從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。因此差分吸收激光雷達(dá)測(cè)量臭氧的系統(tǒng)誤差可以分為兩部分，即后向散射項(xiàng)造成的誤差與消光項(xiàng)造成的誤差，可以分別表示為：

式中，Δz是距離分辨力，取Δz=30 m；εSB和εSE是大氣總的(大氣分子和氣溶膠)后向散射和消光造成的誤差；N(z)是距離z處的臭氧濃度，假設(shè)為1×1012cm-3；Δδ為臭氧在λon與λoff波長(zhǎng)處的吸收截面之差，Δδ=2.7×10-18；βλ(z)與αλ(z)是距離z處的后向散射系數(shù)與消光系數(shù)；C是為了消除氣溶膠影響而引入的常數(shù)項(xiàng)。使用Dual-DIAL方法探測(cè)臭氧時(shí)選取合適的C值可以有效削減誤差，而令C=0時(shí)計(jì)算得到的誤差即為DIAL方法的探測(cè)誤差。Dual-DIAL方法使用波長(zhǎng)對(duì)266 nm，289 nm，308 nm計(jì)算對(duì)流層臭氧探測(cè)的誤差，相對(duì)的DIAL方法所用的波長(zhǎng)對(duì)為266 nm，289 nm；式中，大氣分子采用1976年美國(guó)大氣模式，氣溶膠的激光雷達(dá)比設(shè)為55。在Dual-DIAL方法中C值的選擇上，文章沒(méi)有使用傳統(tǒng)的計(jì)算方法C=(λ1off-λ1on)/(λ2off/λ2on)得到的C=23/19，而是通過(guò)對(duì)南京當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣溶膠分布進(jìn)行模擬得到更加適合當(dāng)?shù)貧馊苣z分布情況的C值1.7。

文章使用了激光雷達(dá)實(shí)測(cè)的4種氣溶膠分布來(lái)計(jì)算大氣氣溶膠對(duì)臭氧探測(cè)誤差的影響，4種氣溶膠的分布如圖2所示。

4次實(shí)驗(yàn)的探測(cè)環(huán)境如表1所示，氣溶膠分布1，2均為晴天探測(cè)結(jié)果；氣溶膠分布3探測(cè)于多云環(huán)境，從圖2中可見(jiàn)2～4 km處有云的存在；氣溶膠分布4探測(cè)于雷陣雨后，圖2中8 km處有卷云的存在，是由鬃積雨云頂脫離母體而成的偽卷云。對(duì)流層中高層氣溶膠主要受云的影響，因此所用數(shù)據(jù)分別代表了對(duì)流層不同高度氣溶膠對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

圖2 氣溶膠消光系數(shù)分布

表1 探測(cè)時(shí)間及環(huán)境

2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

2.1 DIAL與Dual-DIAL誤差對(duì)比

文章分別計(jì)算了不同氣溶膠分布下DIAL與Dual-DIAL臭氧探測(cè)方法的總誤差(后向散射項(xiàng)造成的誤差與消光項(xiàng)造成的誤差之和)，并進(jìn)行了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，DIAL方法的探測(cè)誤差普遍大于Dual-DIAL方法，一般大于10%，在氣溶膠分布4的8 km附近DIAL方法誤差甚至達(dá)到了190%；兩種方法的誤差均隨著高度變化而頻繁波動(dòng)，但Dual-DIAL方法的誤差波動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于DIAL方法。當(dāng)氣溶膠濃度較為穩(wěn)定且氣溶膠均勻分布時(shí)，DIAL方法的誤差呈現(xiàn)隨著高度增加而減小的趨勢(shì)，Dual-DIAL方法的探測(cè)誤差穩(wěn)定且接近于0。在氣溶膠空間變化率較大處誤差增加迅速，如氣溶膠分布1的8 km以上區(qū)域，氣溶膠分布3的4 km以下區(qū)域和氣溶膠分布4的8～9 km處，兩種探測(cè)方法的誤差都有較大的增幅，即使Dual-DIAL方法有效減少了誤差，誤差極值也達(dá)到了40%。對(duì)比大氣氣溶膠的消光系數(shù)廓線和臭氧探測(cè)的誤差廓線，發(fā)現(xiàn)DIAL方法的誤差受氣溶膠含量及空間分布的影響都很大，當(dāng)氣溶膠含量高或是氣溶膠空間變化率較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，而Dual-DIAL方法的誤差與氣溶膠含量的聯(lián)系較小，主要受氣溶膠空間分布的影響，只有當(dāng)氣溶膠空間變化率極大時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，否則誤差一般小于10%。

圖3 總誤差(后向散射項(xiàng)造成的誤差與消光項(xiàng)造成的誤差之和)廓線(a)氣溶膠分布1；(b)氣溶膠分布2；(c)氣溶膠分布3；(d)氣溶膠分布4

2.2 C值削減誤差效果討論

C值對(duì)Dual-DIAL方法探測(cè)臭氧的精度至關(guān)重要，合適的C值能夠有效減小探測(cè)誤差。文章選取的C值為1.7，為了探究C值的誤差削減效果及其對(duì)消光誤差和后向散射誤差的作用，文章計(jì)算了其誤差分布情況。由圖4(a)可知，DIAL方法的探測(cè)誤差中消光誤差占88%，即其探測(cè)誤差主要由消光項(xiàng)引起，而后向散射項(xiàng)的貢獻(xiàn)只有12%；而圖4(b)顯示Dual-DIAL方法進(jìn)行臭氧探測(cè)的誤差中消光誤差的貢獻(xiàn)較小，只有34%，后向散射項(xiàng)的貢獻(xiàn)卻達(dá)到64%。

圖4(c)中DIAL方法的消光誤差占總誤差的比例主要在85%～95%，而比例低于80%的都是離散度較大的異常值，與之相對(duì)后向散射誤差占總誤差的比例主要在5%～15%，比例高于20%的也是離散程度較大的異常值，這些異常值位于大氣氣溶膠空間變化率較大的區(qū)域，此時(shí)的后向散射誤差可能遠(yuǎn)大于消光誤差，但是這些點(diǎn)的數(shù)量不及所有數(shù)據(jù)的1/4。圖4(d)是Dual-DIAL方法兩種誤差比例的盒須圖，與DIAL方法相比其消光誤差與后向散射誤差之間的差異較小，消光誤差所占的比例主要在10%～65%，而后向散射誤差的比例主要在40%～90%，總體高于消光誤差。文章所選取的C值有效削減了DIAL方法的探測(cè)誤差中占主導(dǎo)地位的消光誤差，對(duì)后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)比研究得出，Dual-DIAL方法能夠有效削減大氣氣溶膠對(duì)臭氧探測(cè)的影響，Dual-DIAL方法探測(cè)誤差遠(yuǎn)小于DIAL方法。Dual-DIAL方法有效削減了DIAL方法中占主要地位的消光誤差，對(duì)后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。其中消光誤差主要與氣溶膠含量有關(guān)，而后向散射誤差受氣溶膠的空間分布影響。此項(xiàng)研究為激光雷達(dá)在氣象綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。