1 引言

大气气溶胶在地球上的含量并不多,大部分在与人类活动密切相关的对流层内,其在地球-大气辐射收支过程中扮演了重要的角色,已成为影响全球气候变化的最敏感的强迫因子^[1-3]。大气气溶胶的光学和微物理特性在气象气候和大气环境科学等领域越来越受到人们的关注。

激光雷达作为一种主动遥感探测工具已有几十年的历史,凭借其高时空分辨率和测量精度已经广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应以及大气环境等领域^[4]。激光的高单色性和激光波长的可调谐能力,使激光雷达能够探测各种大气组分。特别是激光波长很短的特点,使激光束可以直接与大气中的微小粒子乃至分子相互作用,可以探测大气的各种物质成分^[5-6]。通过Mie散射理论计算可以得到气溶胶消光系数、后向散射系数等光学特性参数^[7-8]。因此,激光雷达成为大气遥感探测的重要工具和途径。

双波长激光雷达具有探测范围广和微粒种类多等优势,利用双波长激光雷达技术研究气溶胶的微物理和光学特性,可以获得气溶胶的许多微物理特性参数,如气溶胶Angstrom指数等。双波长激光雷达已经日趋成为当前大气遥感探测的热点和前沿,国内外在这一方面的工作已有很多^[9-12]。2005年,王向川等^[13]研制了一台双波长Mie散射激光雷达,用于532 nm和1064 nm两个波长信号对气溶胶的探测,得到两个波长上的激光雷达比。2008年,迟如利等^[14]研制了用于白天观测的双波长Mie散射激光雷达,用于532 nm和1064 nm两个波长信号对对流层气溶胶的探测,并且采用窄带滤光片,借助小孔光栅,有效压制背景光。2009年,迟如利等^[15]研制了基于532 nm和1064 nm的双波长Mie散射激光雷达,采用4通道接收回波信号,缩短了获取大气信息的时间,提高了系统的白天探测能力。2012年,伯广宇等^[16]研制了机载双波长偏振激光雷达,实现了大空间尺度上探测气溶胶的时空分布。

以往的双波长激光雷达主要以可见光、近红外光为主,关于紫外和日盲波段的报道较少。本文研发了一台紫外双波长的后向散射式激光雷达,建立了一种能够同步准确观测对流层内大气气溶胶光学特性、微物理特性等参数的测量方法和技术手段,并实现了晴天和雾霾天气的探测。探测结果的分析结果可以为西安地区气溶胶变化趋势以及大气环境监测提供有效的数据。

2 系统组成及工作原理

给出了紫外双波长激光雷达系统的组成原理,如图1所示。选用Nd∶YAG脉冲激光器,发射三倍频波长355 nm和四倍频波长266 nm脉冲激光,经全反镜M1以非同轴方式发射到大气中。发射到大气中的激光束与大气气溶胶粒子相互作用产生Mie散射后向散射信号,经卡塞格林望远镜接收后,经透镜准直,由全反镜M2反射到分色片BS1,由分色片分出266 nm波长和355 nm波长的信号,经聚焦镜lens 1和lens 2聚焦后,266 nm波长和355 nm波长的信号分别由光电倍增管(PMT1和PMT2)接收。通过两个数据采集卡分别采集两个波长的后向散射信号,最后由计算机进行处理和显示。紫外双波长激光雷达系统参数如表1所示。

图 1. 双波长激光雷达组成原理图

Fig. 1. Schematic diagram of the dual-wavelength lidar

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3 激光雷达数据反演

3.1 信噪比反演

紫外双波长激光雷达在用于大气遥感探测时,因要受到各种各样噪声的影响,双波长激光雷达系统的探测性能会受到一定的影响,所以信噪比是双波长激光雷达系统性能的重要参数之一,信噪比即大气气溶胶的Mie散射信号与激光雷达系统接收的所有信号的比值。激光雷达的系统信噪比(SNR, R_SN)表达式为

RSN=NS·m0NS+2(NB+ND)1/2,(1)

式中:N_S为探测器接收的光子数;m₀为采样的平均脉冲数;N_B为背景噪声光子数;N_D为暗电流光子数。266 nm波长的太阳背景噪声光子数为零,只需考虑266 nm波段臭氧吸收的影响。

3.2 气溶胶消光系数反演

激光雷达接收到的高度为R处的大气后向散射回波信号的能量P(R)由激光雷达方程决定,即^[17]

P(R)=P0CY(R)R-2(βm+βa)×exp-2∫0Rα(R')+δdR',(2)

式中:P₀是激光的发射功率;C是系统常数;Y(R)为几何重叠因子;δ为臭氧吸收系数;R为探测距离;β_a和β_m为距离R处大气气溶胶散射系数和分子散射系数;α(R)为发射距离到R处的消光系数。随着激光雷达测量技术的进步,多种反演气溶胶消光系数的算法应运而生。目前常用的方法有Collis的斜率法、Klett的分析反演算法和Fernald方法^[17-20]。本文采用Fernald方法对消光系数进行反演,令 η=WMWrar(RL),ξ=R2P(R)Y(R),ζ=exp2WMWr-1∫RRLar(R')dR',则大气气溶胶的消光系数可表示为

aM(R)=-η+ξζξ/aM(RL)+η+2∫RRLR'2P(R')ζdR',(3)

其中:α_r(R)为大气分子的消光系数,由大气标准模型确定;α_M(R_L)为参考高度R_L处大气气溶胶的消光系数;W_r为大气分子的雷达比;W_m为激光雷达比。根据参考资料^[18],进行几何重叠因子的校正,中国大气气溶胶雷达比在40~55之间变化,当激光波长很接近时, 可认为雷达比相等,故本研究中雷达比直接选用经验值50^[20],大气分子的雷达比为8π/3。基于266 nm波长激光束反演的消光系数包含了臭氧的吸收系数,实际的消光系数需剔除臭氧的吸收系数。

3.3 臭氧浓度

臭氧浓度的垂直分布可以由激光雷达接收的大气分子和气溶胶后向散射信号反演求得,在ΔR内的臭氧浓度为^[21]

C(R)=12ε·ΔR{lnP(R)P(R+ΔR)·lnβ(R)/R2β(R+ΔR)/(R+ΔR)2-2φM(R,ΔR)+φr(R,ΔR)},(4)

式中:ε为臭氧对激光波长的吸收截面;β(R)为总的后向散射系数;φ_M(R,ΔR)和φ_r(R,ΔR)为大气气溶胶的光学厚度和大气分子的光学厚度。大气分子的后向散射系数由大气标准模型确定,气溶胶的消光系数、后向散射系数由355 nm波长信号的探测结果加以修正。P(R)为激光雷达266 nm 回波信号的距离平方校正信号,由此可以获得臭氧浓度的垂直分布。

3.4 Angstrom指数

Angstrom指数与气溶胶粒子粒径大小有关,因此可以利用双波长激光雷达的二个通道,得到Angstrom指数随高度的变化曲线。粗粒子越多,Angstrom指数越小,故可用Angstrom指数反映大气中粗细粒子数目的占比^[22-24]。Angstrom可以采用不同波长的消光系数表示,即

A(R)=ln[α(λ1)/α(λ2)]ln(λ2/λ1)。(5)

Angstrom指数与气溶胶粒子大小呈比例关系,当光散射受到粗粒子和细粒子共同作用时,使用两个波段的Angstrom指数来分析气溶胶微物理特性,可以对粒子粒径的大小进行更深入的研究。Angstrom波长指数与大气气溶胶粒子的平均半径有很好的相关性:如果Angstrom波长指数远小于 1, 那么粒径大于入射波长的粒子很多;如果Angstrom波长指数大于 2, 那么粒径小于入射波长粒子的粒子数目所占的比重较大^[21]。

4 双波长激光雷达系统信噪比分析

根据美国标准大气模型^[16]和系统参数,可得两个波长激光雷达回波信号随高度变化的仿真廓线,如图2所示。

从图2可见,在5 km以下,266 nm和355 nm信号日间的探测距离分别为3.1 km和1.2 km(R_SN=10),夜间的探测距离分别为4.2 km和6.4 km(R_SN=10)。日间355 nm信号的探测距离比266 nm信号的探测距离小1.9 km,夜间355 nm信号的探测距离比266 nm信号的探测距离大2.2 km。日间天空背景光影响355 nm信号的有效探测距离,臭氧浓度影响266 nm信号的有效探测距离。

图 2. 信噪比的仿真模拟

Fig. 2. Simulation of signal-to-noise ratio

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紫外双波长激光雷达实际探测信噪比如图3所示。图3(a)的探测时间为2018年1月31日12:36,由图可知,266 nm日盲信号的信噪比较高,有效探测距离可以达到1.66 km。这是由于日间太阳背景光噪声对355 nm信号的影响较大,有效探测距离为0.75 km。图3(b) 的探测时间为2018年1月31日17:25,由图可知,355 nm信号的信噪比较高,有效探测距离可以达到5.2 km。这是由于夜间太阳背景光噪声为零,对355 nm信号无影响,激光能量较大。日间266 nm信号的有效探测距离小于夜间信号的有效探测距离,说明日间臭氧浓度高于夜间。

图 3. 实际探测信噪比。(a)日间探测;(b)夜间探测

Fig. 3. SNR of the actual detection. (a) During daytime detection; (b) during nighttime detection

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5 双波长激光雷达初步实验结果与分析

用该双波长激光雷达对西安地区晴天、雾霾天的大气气溶胶进行了初步探测。图4所示为利用该激光雷达晴天白天探测得到的西安城区气溶胶总的消光系数廓线。高度1 km以下266 nm波长信号的消光系数大于355 nm信号的消光系数。高度2 km以下266 nm信号的消光系数为0.04~1.10 km^-1,高度1 km以下355 nm信号的消光系数为0.04~0.21 km^-1。

图 4. 晴天探测气溶胶消光系数廓线

Fig. 4. Detection extinction coefficient profile of aerosol on a fine day

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利用该激光雷达晴天白天探测得到的西安城区臭氧浓度廓线如图5所示。高度1 km以下266 nm波长气溶胶的后向散射系数由355 nm波长信号修正,266 nm波长大气分子的后向散射系数由大气标准模型确定。从图5可以看出,随着探测高度的增加,臭氧浓度逐渐减小。高度0.3 km时臭氧浓度最大为23.68 μg/m³,与气象局在西安理工大学附近观测点测得的地面臭氧浓度25.85 μg/m³相比,相对误差为8.4%,这是因为人类生产生活活动导致的臭氧在边界层内聚集。

图 5. 晴天探测臭氧浓度廓线

Fig. 5. Detection ozone concentration profile on a fine day

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剔除臭氧吸收系数的266 nm波长气溶胶消光系数廓线如图6(a)所示。剔除臭氧吸收系数的266 nm波长气溶胶消光系数明显减小,尤其是高度为1 km时,消光系数为0.06 km^-1,这说明在这个高度气溶胶颗粒物较少,空气较为纯净。因为晴天时大气边界层高度一般在0.5 km左右,大气气溶胶一般聚集于此。而在高度为0.3 km时,消光系数为1.05 km^-1,这是因为底层大气气溶胶较多,受人类生产生活的影响较大。图6(b)为反演获得的Angstrom指数廓线。A_355/266指数的变换趋势在剔除臭氧的影响前后相似,都是先增大再减小。剔除臭氧的影响后,在高度为1 km时,A_355/266指数比较接近于1。图6(c)和 (d)分别为266 nm消光系数的绝对误差和Angstrom指数的绝对误差。从图中可以看出,266 nm消光系数的绝对误差廓线的变化趋势基本与臭氧浓度廓线变化趋势一致。而Angstrom指数的绝对误差随着距离的增加而增大,与臭氧浓度和消光系数变化趋势不一致,这是因为由(5)式可知,Angstrom指数与266 nm/355 nm两个波长的消光系数密切相关,均受到两个波长消光系数的影响。

图 6. 晴天探测结果。(a)剔除臭氧影响后气溶胶消光系数廓线;(b) Angstrom指数;(c) 266 nm消光系数的绝对误差;(d) Angstrom指数的绝对误差

Fig. 6. Detection results on a fine day. (a) Extinction profiles of aerosols without ozone; (b) Angstrom index; (c) absolute error of extinction coefficient at 266 nm; (d) absolute error of Angstrom index

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利用该激光雷达雾霾天气探测得到的西安城区气溶胶总的消光系数廓线如图7所示。高度3 km以下266 nm总消光系数大于355 nm消光系数。高度2 km以下266 nm消光系数为0.39~2.10 km^-1,高度3 km以下355 nm消光系数为0.24~1.20 km^-1。与晴天相比,雾霾天气266 nm与355 nm波长的消光系数较大。

图 7. 雾霾天探测气溶胶消光系数廓线

Fig. 7. Detection extinction profiles of aerosols on a haze day

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利用该激光雷达雾霾天探测得到的西安城区臭氧浓度廓线如图8所示。高度2 km以下266 nm波长气溶胶的后向散射系数由355 nm波长信号修正,266 nm波长大气分子的后向散射系数由大气标准模型确定。从图8可以看出,随着探测高度的增加,臭氧浓度先逐渐减小再增大。高度0.3 km时臭氧浓度最大为49.22 μg/m³,与气象局在西安理工大学附近观测点测得的地面臭氧浓度54.35 μg/m³相比,相对误差为9.4%。这是因为雾霾天气不利于臭氧的扩散,随着雾霾颗粒聚集在底层。

图 8. 雾霾天探测臭氧浓度廓线

Fig. 8. Detection ozone concentration profile on a haze day

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剔除臭氧吸收系数的266 nm波长气溶胶消光系数廓线如图9(a)所示。剔除臭氧吸收系数的266 nm波长气溶胶消光系数明显减小,尤其是高度为0.45~0.80 km时,消光系数已经小于355 nm波长的消光系数。图9(b)为反演获得的Angstrom指数廓线。A_355/266指数的变换趋势在剔除臭氧的影响前后已经不同。剔除臭氧前,A_355/266指数在2附近震荡,变化不大,故无法精准地反映大气的状态。而剔除臭氧后,A_355/266指数变化较大。在0.30~0.74 km之间,A_355/266随着距离的增加而减小,在-0.92~0.78之间变化。在这个高度存在雾霾层,气溶胶中大颗粒物占比较多。在0.74~1.40 km之间,A_355/266随着距离的增加而增加,在-0.92~2.40之间变化。在0.74~0.83 km之间,A_355/266指数在-0.92~0之间变化,远小于1,粒径大于入射波长的粒子很多。在1.28~1.40 km之间,A_355/266指数大于2,那么粒径小于入射波长粒子的粒子数目所占的比重较大。图9(c)和 (d)分别为雾霾天266 nm消光系数的绝对误差和Angstrom指数的绝对误差。从图中可以看出与晴天一样,266 nm消光系数的绝对误差廓线的变化趋势基本与臭氧浓度廓线变化趋势一致。在高度为0.30~0.70 km之间,Angstrom指数的绝对误差随着距离的增加而增大;高度为0.70~1.40 km之间,Angstrom指数的绝对误差随着距离的增加而减小;高度为1.40~2.00 km之间,Angstrom指数的绝对误差随着距离的增加而增加。在高度为0.3~0.7 km之间,Angstrom指数绝对误差的变化趋势与臭氧浓度和消光系数的变化趋势不一致。

图 9. 雾霾天探测结果。(a)剔除臭氧影响后气溶胶消光系数廓线;(b) Angstrom指数;(c) 266 nm消光系数的绝对误差;(d) Angstrom指数的绝对误差

Fig. 9. Detection results on a haze day. (a) Extinction profiles of aerosols without ozone; (b) Angstrom index; (c) absolute error of extinction coefficient at 266 nm; (d) absolute error of Angstrom index

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利用激光雷达系统探测的近地面臭氧浓度和气象站观测的臭氧浓度如图10所示。通过连续8 h的观测,可以看出激光雷达系统探测的近地面臭氧浓度和气象站观测的臭氧浓度的变化趋势一致,相对误差均在10%以内。臭氧浓度最大值出现在20:00,最小值出现在凌晨3点。这是因为随着夜间人类生产生活活动的减少,近地面臭氧浓度也逐渐降低。利用激光雷达系统探测的气溶胶消光系数THI(Time-height-index)如图11所示,图11(a)为同一时刻剔除臭氧吸收系数的266 nm波长气溶胶消光系数,图11(b)为355 nm波长的消光系数。由图11中可以清楚地看出8 h内266 nm与355 nm信号探测到的大气边界层高度的变化趋势基本一致,夜晚 20:00 CST(China Standard Time)近地面高度气溶胶浓度较高,大气边界层高度较高。从夜晚 20:00 CST至凌晨3点,大气气溶胶浓度和大气边界层高度都逐渐降低,这是因为夜晚中,太阳辐射为0,地表的温度降低,随着人类生产生活活动的减少,气溶胶浓度和边界层高度逐渐降低。

图 10. 激光雷达测量臭氧浓度数据与气象站监测臭氧数据对照

Fig. 10. Concentrations of ozone obtained by the Mie lidar compared with weather station

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图 11. 夜晚20:00至凌晨03:00 CST连续探测气溶胶消光系数THI图。(a)剔除臭氧吸收系数的266 nm波长消光系数;(b)剔除臭氧吸收系数的355 nm波长消光系数

Fig. 11. THI of aerosol extinction coefficient from 20:00 CST to 03:00 CST. (a) Aerosol extinction coefficient at 266 nm without ozone absorption coefficient; (b) aerosol extinction coefficient at 355 nm without ozone absorption coefficient

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6 结论

设计和构建了探测对流层内大气气溶胶的紫外双波长激光雷达,通过分析日间和夜间实际探测信噪比,以及晴天和雾霾天气情况下实际探测消光系数、臭氧浓度和Angstrom指数,验证了紫外双波长激光雷达系统设计的性能,表明了该紫外双波长激光雷达具有较高的实用性。描述了双波长激光雷达信号数据处理和反演算法。利用该双波长激光雷达系统对西安市上空大气进行了探测。研究了雾霾天和晴天条件下, 西安上空气溶胶消光特性、臭氧浓度和Angstrom指数的变化。分析了臭氧浓度对气溶胶消光特性Angstrom指数反演的影响。研究表明:雾霾天气下的消光系数明显高于晴天;雾霾天气下的Angstrom指数小于晴天。这说明在雾霾天气中,大气中有较多的粗粒子存在,而晴天时细粒子占主要地位。利用激光雷达系统连续观测的近地面臭氧浓度变化趋势与气象站观测资料一致,相对误差小于10%。剔除臭氧吸收系数的266 nm消光系数变化趋势与355 nm消光系数变化趋势一致。运用双波长激光雷达信号可以研究对流层内气溶胶粒子的光学特性的时空变化规律,为西安地区气溶胶观测和研究提供技术手段和基础硬件。