利用Nd∶YAG激光器产生的10 Hz中心波长为355 nm和266 nm的激光束作为光源,研制了用于对流层大气气溶胶探测的紫外双波长激光雷达,实现了气溶胶Mie散射信号在紫外波段的精细分离和提取。利用266 nm信号探测气溶胶光学特性时不受太阳背景光的影响。对双波长Mie散射信号日间和夜间探测信噪比的数值仿真结果和实际探测信噪比作对比分析,得出日间探测时355 nm信号的信噪比较低,夜间探测时266 nm信号的信噪比较低,这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为10时的数据,得到该系统日间探测时266 nm信号的探测高度可达2 km,夜间探测时355 nm信号的探测高度可达5 km。利用该激光雷达对西安地区的晴天和雾霾天气进行初步探测,研究分析了晴天和雾霾天气的气溶胶光学特性、臭氧浓度和消光系数。分析了臭氧浓度对反演消光系数和Angstrom指数的影响。结果表明,臭氧浓度越大,消光系数的反演误差越大。雾霾天气气溶胶的消光系数大于晴天气溶胶的消光系数。

前向小角度的散射辐射分布与散射介质的粒子大小和光学厚度有关。基于一种新型变视场光度计,测量不同天气条件下的前向小角度散射比值、大气光学厚度τ和气溶胶粒子的Angstrom指数α,并与DISORT方法模拟结果进行对比分析。研究结果表明:散射比值随光学厚度的增大而增大;但当光学厚度τ <1时,散射比值取决于粒子有效尺度,粒子尺度越大,散射比值越小。卷云冰晶尺度较大时 (D_e>10 μm),其散射比值小于气溶胶粒子和水云,这为区别薄卷云与气溶胶提供了一种新方法。给出一种提取卷云光学厚度的简单方法,证明了卷云的消光系数在短波段与波长无关。以上研究为地基探测大气特性提供了一定参考价值。

为了研究测污激光雷达对水平能见度和垂直气溶胶消光系数变化趋势的探测, 采用污染气体探测激光雷达, 以斜率法和Fernald方法, 反演了301.5nm和446.6nm在水平及垂直方向的消光系数, 以及波长的Angstrom指数。结果表明, 水平方向上, 301.5nm和446.6nm的消光系数和能见度随时间变化均保持一致性; 垂直方向上, 301.5nm和446.6nm气溶胶消光系数随时空变化趋势相同, Angstrom指数随着时间的推移有所变化, 但空间变化趋势相同。该结果对分析差分吸收激光雷达修正气溶胶的影响是有所帮助的。

积聚模态比例(AMF)是细模态气溶胶光学厚度占总光学厚度的比例, 是估算直接辐射强迫和评估细颗粒物污染的重要参数。 利用2011年北京地区AERONET网站提供的气溶胶光学厚度(AOD)和粒子体积谱分布等微观参数, 计算极值修正后的细模态Angstrom指数(αf)并进行气溶胶光学厚度光谱退卷积计算, 改进AMF估算精度。 AMF估算误差主要是由于αf的误差估计偏小造成的。 通过统计模拟的αf极大值与极小值范围获取约束条件, 建立极值修正方法。 通过敏感性试验可知, 极值修正可将αf约束在合理范围内, 且αf和AMF对气溶胶归一化体积谱分布敏感, 不同谱分布可使αf从0.662变化到2.849, AMF从0.08变化到0.84。 经过极值修正后, AMF的平均误差从0.072减小到0.044, 减小了38.89%, 尤其在冬夏两季, 误差减小明显。 AMF精度的提高可直接提高细模态及人为气溶胶光学厚度的估算精度, 对人为气溶胶的直接辐射强迫估算、 气候变化评估和环境质量评价有着重要意义。