1 中国气象局气象探测中心，北京 100081
2 中国气象局气象探测工程技术研究中心，北京 100081
3 北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048
4 深圳市国家气候观象台，广东 深圳 518040
5 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
大气气溶胶是重要的大气污染物之一，气溶胶质量浓度的垂直分布及其与气象要素的相互影响，对理解大气污染传输具有重要意义。激光雷达因具有高时空分辨率的探测优势而成为研究气溶胶颗粒物立体分布的有力工具。本文利用深圳米散射激光雷达、微波辐射计和近地面气溶胶质量浓度监测仪，根据均方差选取最优参数，建立基于消光系数的温湿融合PM2.5质量浓度反演模型，并以深圳气象梯度观测塔4个高度的PM2.5质量浓度小时均值为基准，对模拟结果进行了验证分析。结果显示：模拟值与观测值两者的变化趋势一致性较好，相关系数受模拟高度、相对湿度影响，并进行了晴天、多云天气下的比对，深圳气象梯度观测塔上4个高度的模拟值和实测值相关系数均大于0.68，平均绝对误差和均方根误差最大值分别为6.88 μg/m3和18.56 μg/m3。比较4个季节的模拟效果发现，冬季的模拟结果准确性要低于其他三个季节。最后通过个例分析，结合地面温度、相对湿度、风场和气压场，分析了深圳夏季颗粒物质量浓度的时空分布特征。
激光雷达 PM2.5质量浓度 消光系数
中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
环境的变化不但影响着现在和未来的世界,而且一直是国际科学前沿关注的热点。环境问题的解决离不开先进的监测技术和手段。环境光谱学监测技术利用光学中的吸收、发射、散射以及大气辐射传输等方法,通过建立特征因子指纹光谱数据库和定量解析算法,获取污染物的特性,可用于空气质量、固定和流动污染源的自动监测,具有实时快速、高灵敏、监测范围广等优势,是当今国际环境监测的发展方向和主导技术。目前形成了以激光雷达技术、差分光学吸收光谱学技术、可调谐二极管激光光谱学技术、傅里叶变换红外光谱学技术等为主体的一系列环境监测技术及体系。基于这些技术和体系对监测信息的获取、传输和共享,为全社会提供了基础环境信息,同时也推动了基于监测数据的环境质量评价体系的发展,为我国的环境管理提供了科学依据。
光谱学 环境光学 实时立体监测
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用地基激光雷达和CALIPSO卫星数据,选取廊坊地区清洁天、霾天和多云3种天气个例,对廊坊市气溶胶垂直分布特性进行对比分析,并判断污染物的可能来源。结果表明不同天气类型下两个激光雷达反演的消光系数廓线整体一致,相关系数高。清洁天气2 km以下有少量沙尘气溶胶,消光系数均小于0.2 km -1,退偏比集中在0.10~0.30,色比值集中在0.5~1.0,粒子非球形度高且粒径大;霾天在低空500 m以下聚集着球形度高的细粒子污染物,消光系数最高超过2 km -1,退偏比和色比值都较小,污染大陆型气溶胶和污染沙尘同时存在;多云天气下,垂直高度上只在出现云层的位置消光系数很大,廓线有尖峰,退偏比大部分小于0.02,色比集中在0.10左右,受到上升气流的影响,高空7 km以下都分布着少量沙尘气溶胶。
大气光学 大气气溶胶 CALIPSO 消光系数 垂直分布 中国激光
2019, 46(12): 1201003
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230036
与目前广泛应用的532 nm波段的发射波长相比, 采用355 nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高, 分光光谱仪的线色散率要达到0.1 nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪, 通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计, 模拟分析结果显示：间隔0.1 nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1 mm, 满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1 nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比, 验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。
光谱学 测温激光雷达 纯转动拉曼光谱 双光栅光谱仪 线色散率
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
大气边界层高度对大气颗粒物污染具有重要的影响。为研究京津冀区域的大气边界层高度变化特征, 利用该地区多个站点的激光雷达数据, 进行了统计研究, 并将激光雷达观测值与美国国家气象局国家环境预报中心全球资料同化系统模式模拟结果进行了对比。观测数据表明, 京津冀地区的大气边界层具有明显的日变化特征和季节变化特征: 白天的大气边界层高度高于夜晚, 且边界层高值出现在14:00左右; 夏、冬季的大气边界层高度高于春、冬季; 冬季大气边界层高度有降低趋势。此外, 2014年11月多个站点由激光雷达测得的边界层高度的统计分析表明, 京津冀地区大气边界层高度在300~900 m之间, 且东南方向较高。
大气光学 大气边界层高度 激光雷达 气溶胶消光系数 激光与光电子学进展
2017, 54(1): 010101
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 Tianjin Key Laboratory of Air Pollution Prevention and Control, Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191, China
A mobile vehicle lidar system has been developed and applied to detect urban air quality. On September 21 and 22, 2015, particulate matter observation with mobile vehicle lidar was carried out in the Binhai New Area of Tianjin. Combined with the latitude and longitude information acquired by a GPS, the three-dimensional distribution of the aerosol extinction coefficient was presented in the experimental area. Furthermore, the source, distribution, and the transportation path of the aerosols in the area were investigated based on lidar data, local meteorological data, and backward trajectory analysis. The results show that mobile vehicle lidar can detect the atmospheric aerosols and reflect the stereoscopic distribution properties of aerosols. The potential of this vehicle lidar system provides a new scientific basis for the study of the source, distribution, and transportation of atmospheric particles.
010.0010 Atmospheric and oceanic optics 140.0140 Lasers and laser optics 280.0280 Remote sensing and sensors 290.0290 Scattering Chinese Optics Letters
2016, 14(6): 060101
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响.微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容.为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析.误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件.虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性.且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演.
激光雷达 水平消光系数 斜率法 Fernald算法 Lidar Horizontal extinction coefficient Slope Fernald 光谱学与光谱分析
2015, 35(7): 1774
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科技大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
近年来,日新月异的激光技术促进了光谱技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种在线监测技 术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在环境监测领域中发挥着不可替代的作用。 着重介绍了在线监测技术在环境污染和环境安全方面的应用新进展, 并提出了我国进一步深入开展环境光 学应用科学技术研究的建议。
在线监测 环境光学 大气污染 环境安全 on-line monitoring environmental optics air pollution environmental safety
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
差分吸收激光雷达是测量对流层臭氧时空分布的有力工具，利用差分吸收激光雷达在灰霾条件下开展观测研究，分析了臭氧浓度时空分布特征。结果表明：在夏季副热带高压大气天气条件下，受偏南风气团输送的影响，6月中旬形成一次高浓度的臭氧污染过程。6月14日夜间至6月15日中午离地面1.5~2 km高度的臭氧气团浓度(即体积分数)高达1.2×10-7以上，下午臭氧气团出现下沉，从而引起当日下午近地面臭氧浓度的升高。在灰霾天气过程中，细颗粒物与臭氧分布在不同高度上具有不同的关联特征，地面颗粒物充分参与了光化学反应过程，而高空高浓度的颗粒物和臭氧气体则与输送有关。晴朗天气下的臭氧浓度在整个空间尺度上都有不同程度的下降，并且没有出现明显的外部输入气团。
大气光学 差分吸收激光雷达 灰霾 臭氧浓度 副热带高压 中国激光
2014, 41(10): 1014003
中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
重点设计了微脉冲激光雷达(MPL)系统的后继光学单元，是一种新型的设计。使用收发一体Y型光纤束改变传统的激光雷达后继光学结构，实现系统的收发同轴设计。分析了新型微脉冲激光雷达在合肥地区实验观测结果，利用分段斜率法反演气溶胶水平消光系数，获得了大气能见度及变化特征，具有明显的日变化特征，并与HW-N1型前向散射式能见度仪测量结果进行了对比，二者相关系数达到0.81。此外，理论误差分析结果也表明当能见度在10 km以下时MPL的测量误差小于20%。说明了该MPL系统能够实现对大气水平能见度的有效测量。
测量 激光雷达 水平能见度 光纤 消光系数
