趙 明,孟淑賢,張 科*,王守亞,吳神兵,孟德碩

(淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院,安徽 淮南 232038)

0 引言

氣溶膠和水汽均為對(duì)流層大氣中活躍的微量成分,對(duì)氣象、氣候和大氣環(huán)境有著重要的影響.氣溶膠是指懸浮在大氣中的固體和液體微粒,它通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射,影響著地-氣系統(tǒng)的能量收支[1];同時(shí)與大氣中的氣體組分發(fā)生非均相反應(yīng),影響大氣化學(xué)進(jìn)程[2];另外,氣溶膠是主要的大氣污染物之一,影響著人們的身體健康[3].水汽在紅外波段有著豐富的吸收帶,能夠吸收一部分太陽(yáng)輻射和下墊面輻射,是重要的溫室氣體[4];另外,水汽在大氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、全球水文循環(huán)中扮演著重要的角色[5-7].氣溶膠和水汽還是成云和降水過(guò)程中的關(guān)鍵因素[8].氣溶膠和水汽的這些重要作用與其時(shí)空分布特征有著密切關(guān)系,因此,準(zhǔn)確、及時(shí)地測(cè)量氣溶膠和水汽的垂直分布,對(duì)大氣科學(xué)研究、氣象預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義.

目前,能夠同時(shí)探測(cè)氣溶膠和水汽垂直廓線的手段較少.借助探空氣球、系留飛艇、機(jī)載平臺(tái)等進(jìn)行原位探測(cè),可以獲得氣溶膠和水汽的垂直分布特征,但無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)[9-11].激光雷達(dá)[12,13]作為一種主動(dòng)光學(xué)遙感設(shè)備,具有時(shí)空分辨率高、精度高、可連續(xù)觀測(cè)等優(yōu)勢(shì),適用于大氣參數(shù)的垂直探測(cè).激光在傳輸過(guò)程中,與大氣分子發(fā)生多種散射作用,其中拉曼散射相對(duì)于入射激光發(fā)生頻移,并且頻移大小僅取決于散射分子的成分[14].因此,由拉曼散射回波信號(hào)強(qiáng)度,可反演出特定氣體成分的濃度.拉曼-米激光雷達(dá)[15,16]具備同時(shí)接收大氣分子和氣溶膠的瑞利-拉曼-米散射信號(hào)的能力,可同步觀測(cè)氣溶膠光學(xué)參數(shù)和水汽混合比的垂直廓線.

本文采用希臘Raymetrics公司生產(chǎn)的LR112-D400型拉曼-米激光雷達(dá),首先給出了激光雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù),然后介紹了探測(cè)氣溶膠和水汽的基本原理和數(shù)據(jù)反演方法,最后對(duì)該系統(tǒng)在南京地區(qū)的一次典型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和討論.

1 拉曼-米激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

LR112-D400型拉曼-米激光雷達(dá)的儀器外觀和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖1(a)和(b)所示.該儀器主要分為發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)探測(cè)和采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四個(gè)部分.發(fā)射系統(tǒng)采用355 nm脈沖激光器,激光脈沖經(jīng)3倍擴(kuò)束鏡后,發(fā)散角被壓縮至0.4 mrad以下,并垂直發(fā)射到大氣中.接收系統(tǒng)采用400 mm口徑的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡,用于收集大氣散射回波.大氣散射回波經(jīng)過(guò)分色、濾波,被分別導(dǎo)入355 nm、387 nm、408 nm三個(gè)探測(cè)通道.其中355 nm通道接收氣溶膠米散射信號(hào)和大氣分子瑞利散射信號(hào);387 nm通道接收氮?dú)夥肿拥睦⑸湫盘?hào);408 nm通道接收水汽分子的拉曼散射信號(hào).三個(gè)探測(cè)通道的光信號(hào)被光電倍增管(Photomultiplier tube,PMT)接收,轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并由瞬態(tài)記錄儀(TR40-160,德國(guó)Licel公司)采集.瞬態(tài)記錄儀的采樣頻率為40 MHz,根據(jù)光速計(jì)算,可得對(duì)應(yīng)的距離分辨率為3.75 m.由工控機(jī)控制整臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行,并儲(chǔ)存和顯示探測(cè)數(shù)據(jù).激光雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.拉曼-米激光雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè),一般設(shè)置為每15 min測(cè)量一組數(shù)據(jù),每次測(cè)量發(fā)射3 000發(fā)激光脈沖進(jìn)行累積,以提高信噪比.測(cè)量間隔時(shí)間和每組激光脈沖數(shù)均可設(shè)置.

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

圖1 拉曼-米激光雷達(dá)的儀器外觀和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 探測(cè)原理

拉曼-米激光雷達(dá)可根據(jù)355 nm通道信號(hào)反演氣溶膠消光系數(shù)廓線,并由氣溶膠垂直分布特征得到大氣邊界層高度變化;根據(jù)408 nm信號(hào)和387 nm信號(hào)的比值,計(jì)算水汽混合比廓線.下面對(duì)各參數(shù)的探測(cè)原理和數(shù)據(jù)反演方法進(jìn)行介紹.

2.1 氣溶膠消光系數(shù)

激光在傳輸過(guò)程中,與大氣分子和氣溶膠分別發(fā)生瑞利散射和米散射.這兩種散射與發(fā)射激光的波長(zhǎng)一致,均為355 nm,因此統(tǒng)稱為彈性散射[14].激光雷達(dá)接收到的信號(hào)強(qiáng)度廓線,可以用激光雷達(dá)方程表示:

(1)

其中P(z)為高度z處的回波信號(hào)強(qiáng)度;K為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),包括激光能量、光學(xué)效率、探測(cè)器量子效率等;O(z)為系統(tǒng)收發(fā)重疊因子[17],對(duì)于本系統(tǒng),重疊因子在500 m以上高度為1;β和α分別表示大氣成分的后向散射系數(shù)和消光系數(shù),下標(biāo)m和a分別代表大氣分子和氣溶膠.方程中的βm(z)和αm(z)可由標(biāo)準(zhǔn)大氣模型中的溫度和壓強(qiáng)廓線計(jì)算得到[18],而氣溶膠光學(xué)參數(shù)βa(z)和αa(z)均為未知數(shù),為求解方程,需假設(shè)兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系.根據(jù)Fernald方法[19],假設(shè)氣溶膠消光系數(shù)與后向散射系數(shù)之間的比值,即激光雷達(dá)比[20]為常數(shù),即可求出氣溶膠的消光系數(shù):

(2)

其中X(z)=P(z)·z2,為距離平方修正信號(hào);Sm為大氣分子的激光雷達(dá)比,等于8π/3;Sa為氣溶膠的激光雷達(dá)比,這里假設(shè)為30 Sr;zc為標(biāo)定點(diǎn)高度,一般選在對(duì)流層頂附近的潔凈區(qū)域,并假定已知此處的氣溶膠消光系數(shù).

2.2 水汽混合比

激光在大氣中傳輸,除了與大氣發(fā)生彈性散射,還會(huì)與氮?dú)夥肿雍退肿影l(fā)生拉曼散射.對(duì)于355 nm的發(fā)射激光,氮?dú)夂退肿拥睦⑸洳ㄩL(zhǎng)分別為387 nm和408 nm.通過(guò)水汽拉曼信號(hào)和氮?dú)饫盘?hào)的比值,可以計(jì)算水汽混合比[21]:

(3)

其中,λR,N和λR,w分別是氮?dú)夥肿雍退肿拥睦⑸洳ㄩL(zhǎng);Cw是水汽混合比標(biāo)定常數(shù).它是由兩個(gè)拉曼通道的系統(tǒng)常數(shù)和一些物理常數(shù)決定的:

(4)

式中kN和Kw分別為氮?dú)饫ǖ篮退ǖ赖南到y(tǒng)常數(shù);nN和ndry分別是大氣中的氮?dú)夥肿訑?shù)密度和干空氣分子數(shù)密度;Mw和Mdry分別是水汽分子和干空氣分子的摩爾質(zhì)量;σN和σw分別是氮?dú)夥肿雍退肿釉诎l(fā)射激光波長(zhǎng)的拉曼散射截面.

T(λR,N,z0,z)和T(λR,w,z0,z)分別是激光雷達(dá)(高度為z0)到高度z之間的大氣在波長(zhǎng)λR,N和λR,w上的透過(guò)率:

(5)

它們的比值稱為大氣透過(guò)率校正項(xiàng).

實(shí)際工作中,Cw一般通過(guò)與無(wú)線探空儀的水汽數(shù)據(jù)對(duì)比獲得;大氣透過(guò)率校正項(xiàng)由激光雷達(dá)測(cè)得的氣溶膠光學(xué)參數(shù)計(jì)算得到;根據(jù)(3)式,即可反演水汽混合比.

2.3 邊界層高度

氣溶膠主要集中在邊界層內(nèi),由于湍流作用,邊界層內(nèi)的氣溶膠混合較為均勻,但在邊界層頂附近,氣溶膠含量急劇減少,因此,激光雷達(dá)回波信號(hào)也會(huì)在邊界層頂急劇減小.根據(jù)氣溶膠分布的這一特征,本臺(tái)激光雷達(dá)采用梯度法,以355 nm距離平方信號(hào)X(z)的梯度絕對(duì)值最大處,即信號(hào)減小最快處,作為邊界層高度[22].

3 觀測(cè)結(jié)果

圖2所示為2019年10月19日0時(shí)至21日0時(shí),在南京大學(xué)仙林校區(qū)所測(cè)得的數(shù)據(jù).圖2(a)所示為氣溶膠消光系數(shù)在0.4～5 km高度范圍隨時(shí)間的變化,圖中的白色點(diǎn)跡標(biāo)示出了邊界層高度.由圖可見(jiàn),早上7:00左右邊界層高度最低,受下墊面溫度升高影響,湍流增強(qiáng),邊界層高度上午和中午逐漸升高,至15:00前后達(dá)到最大高度,隨后開(kāi)始下降.10月19日邊界層高度的最大值和最小值分別為1.65 km和0.98 km;10月20日邊界層高度的最大值和最小值分別為1.39 km和0.56 km.氣溶膠主要聚集在邊界層內(nèi),邊界層頂以上的氣溶膠含量稀少.在本次觀測(cè)期間,邊界層內(nèi)的氣溶膠消光系數(shù)在0.19～0.62 km-1之間變化.圖2(b)所示為水汽混合比的時(shí)空分布,由于水汽拉曼信號(hào)很微弱,白天受天空背景光影響,信噪比很差,因此,圖中只給出了夜間的觀測(cè)結(jié)果.由圖2(b)可見(jiàn),邊界層內(nèi)水汽較為豐富,水汽混合比在3.3～7.7 g/kg之間.邊界層之上存在著較稀薄的水汽層,這一水汽層的高度上限可延伸至2.5～4.5 km,水汽混合比約為1.0～2.6 g/kg.

圖2 氣溶膠消光系數(shù)、水汽混合比、邊界層高度的時(shí)序變化圖

邊界層高度降低通常會(huì)導(dǎo)致氣溶膠和水汽向低空聚集,以10月19日夜間到20日凌晨的大氣垂直廓線變化情況為例,說(shuō)明這一現(xiàn)象.圖3(a)和(b)所示分別為0.15～4.5 km的氣溶膠消光系數(shù)和水汽混合比廓線,其中綠色實(shí)線為10月19日夜間19:26的大氣參數(shù)廓線,紅色實(shí)線為10月20日凌晨03:32的大氣參數(shù)廓線,綠色虛線和紅色虛線分別對(duì)應(yīng)這兩個(gè)時(shí)刻的邊界層高度.在此期間,邊界層高度由1.34 km降低至0.97 km,氣溶膠層和水汽層均隨之下沉,造成近地面的氣溶膠消光系數(shù)和水汽混合比均增大.在距離地面200 m處,氣溶膠消光系數(shù)由0.40 km-1增大至0.56 km-1,水汽混合比由5.3 g/kg增大至7.2 g/kg.

圖3 不同時(shí)刻的氣溶膠消光系數(shù)、水汽混合比,以及邊界層高度

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了LR112-D400型拉曼-米激光雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、工作原理和數(shù)據(jù)處理方法,并利用該系統(tǒng)對(duì)南京地區(qū)的氣溶膠和水汽進(jìn)行連續(xù)觀測(cè).觀測(cè)過(guò)程為期兩天,期間天氣晴好.觀測(cè)結(jié)果顯示,邊界層高度在早上7:00左右最低,下午15∶00左右最高,呈現(xiàn)出了典型的日變化特征.氣溶膠主要集中在邊界層內(nèi),消光系數(shù)在0.19～0.62 km-1之間變化.受白天背景光影響,水汽僅在夜間觀測(cè).邊界層內(nèi)水汽含量較為豐富,水汽混合比在3.3～7.7 g/kg之間;在邊界層以上的自由對(duì)流層中部,存在較為稀薄的水汽層,水汽混合比為1.0～2.6 g/kg.隨著邊界層高度降低,氣溶膠和水汽下沉,造成近地面氣溶膠消光系數(shù)和水汽混合比均增大.觀測(cè)結(jié)果表明,拉曼-米激光雷達(dá)具備連續(xù)觀測(cè)對(duì)流層氣溶膠和水汽垂直分布的能力,在大氣科學(xué)研究、氣象預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?