大连理工大学光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024
针对宽谱连续波差分吸收激光雷达（DIAL）的特点，通过仿真不同大气条件下的激光雷达信号，计算分析宽谱DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的二氧化氮（NO2）质量浓度反演误差。研究结果表明：当大气气溶胶均匀分布时，NO2质量浓度反演误差主要取决于气溶胶消光效应，而后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差一般可忽略不计；当大气气溶胶非均匀分布时，气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差依赖于气溶胶非均匀分布程度，且与波长指数成反比。此外，适当增大分段拟合距离可有效降低气溶胶后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差。利用光谱近似得到宽谱NO2-DIAL气溶胶消光和后向散射效应引起的NO2质量浓度反演误差的近似模型，通过对比模拟计算的结果，验证了近似模型评估NO2质量浓度反演误差的可行性。
大气光学 宽谱差分吸收激光雷达 沙氏成像原理 二氧化氮 气溶胶光学特性
1 南京信息工程大学大气物理学院，中国气象局气溶胶与云降水重点实验室教育部气象灾害重点实验室，江苏 南京 210044
2 上海卫星工程研究所，上海 201109
气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量，2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达（ACDL）的机载缩比系统（Air-ACDL）在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达（HSRL）测量的气溶胶光学深度（AOD）分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析，其相关系数R均达到0.90以上，其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据，提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法，并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测（CALIPSO）气溶胶分类结果，以及Aura卫星臭氧监测仪（OMI）传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明：相比于传统激光雷达气溶胶分类方法，基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类；山海关地区地理位置特殊，观测期间，当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外，还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶，以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。
机载高光谱分辨率激光雷达 大气气溶胶 气溶胶光学特性 气溶胶分类 光学学报
2023, 43(24): 2428005
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
使用气溶胶自动观测网（AERONET）东沙站的长期观测资料，初步建立逐月的南海东沙海域气溶胶光学特性模型。长期观测数据表明，东沙海域气溶胶光学厚度（AOD）基本低于0.5，春秋两季达到峰值，夏季最低。气溶胶粒子的有效半径在春秋两季较小，其余月份在0.5 左右。使用三模态对数正态函数拟合区域气溶胶粒径谱，得到细模态半径为0.1 ，中间模态半径为0.28 ，粗模态半径为2.2 。基于多波段AOD观测数据，评估该模型计算所得AOD光谱和透过率误差，可见和近红外波段透过率的均方根误差（RMSE）为1%~2%，AOD的RMSE为0.01~0.03。结果表明，所建气溶胶模型可以准确描述东沙海域的气溶胶光学特性，满足工程计算的精度要求。
大气光学 气溶胶模式 海洋气溶胶 气溶胶光学特性 AERONET 光学学报
2023, 43(24): 2401002
Author Affiliations
Abstract
1 School of Mechanical and Precision Instrument Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China
2 Center for Atmospheric Research, University of Nova Gorica, SI-5000 Nova Gorica, Slovenia
The multilongitudinal mode (MLM) high-spectral-resolution lidar (HSRL) based on the Mach–Zehnder interferometer (MZI) is constructed in Xi’an for accurate measurements of aerosol optical properties. The critical requirement of the optimal match between the free spectral range of MZI and the longitudinal mode interval of the MLM laser is influenced by the laboratory temperature, pressure, and vibration. To realize the optimal separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals excited by the MLM laser, a self-tuning technique to dynamically adjust the optical path difference (OPD) of the MZI is proposed, which utilizes the maximum ratio between the received power of the Mie channel and Rayleigh channel as the criterion of the OPD displacement. The preliminary experiments show the feasibility of the MLM-HSRL with self-tuning MZI and the stable performance in the separation of aerosol Mie scattering signals and molecular Rayleigh scattering signals.
high-spectral-resolution lidar aerosol optical properties multilongitudinal mode laser self-tuning Mach–Zehnder interferometer Chinese Optics Letters
2023, 21(3): 030101
1 南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心, 中国气象局气溶胶与云降水重点实验室, 教育部气象灾害重点实验室, 江苏 南京 210044
2 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
3 上海卫星工程研究所, 上海 201109
高光谱分辨率激光雷达能够在无需假设激光雷达比的情况下,实现气溶胶光学参数的高精度定量观测。研制了一台用于气溶胶光学特性观测的机载高光谱分辨率激光雷达,并将其用于机载观测试验。针对气溶胶光学参数反演算法进行相应改进,选取不同飞行区域和不同飞行架次的试验数据进行反演,结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型HYSPLIT和卫星数据等对气溶胶特性进行分析。分析结果表明,不同区域的气溶胶光学参数有明显差异:在城镇、工厂等人类活动频繁的区域,气溶胶的消光系数最高超过1.2 km -1,激光雷达比随高度变化较大,最大可达60 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.7~1;山区和海洋区域气溶胶的消光系数集中在0.2~0.8 km -1,激光雷达比随高度变化较小,数值集中在5~30 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.3~0.7。气溶胶的分布受风、天气、污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。
遥感 机载高光谱分辨率激光雷达 碘分子滤波器 大气气溶胶 气溶胶光学特性
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
针对环境领域中最常用的米氏散射激光雷达, 通过讨论气溶胶光学特性反演方法的流程, 分析了影响反演结果准确度的各种不确定性因素。分析结果表明, 为获取高稳定性和高可靠性的探测结果, 需要采用合理的信号去噪方法, 设置合理的累加次数、气溶胶消光后向散射比、标定高度和标定值等。此外, 还需要对反演算法进行定期标定, 主要包括几何重叠因子标定、球载消光仪标定、瑞利散射标定、能见度仪标定、太阳光度计标定、湿度标定、颗粒物浓度标定等。通过这一系列配置和标定后, 多台激光雷达数据可以达到高度的一致性和准确性。
遥感 激光雷达 气溶胶光学特性 消光系数 不确定性 标定 激光与光电子学进展
2018, 55(9): 092801
1 淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230031
3 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
利用2011～2014年北京太阳光度计数据对北京地区的气溶胶光学特性进行了研究。北京地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD) 全年较高,四年440 nm波长的AOD年均值分别是0.67±0.70, 0.69±0.71, 0.73±0.66, 0.75±0.66。AOD月均值表现出 一定的季节变化,最大值和最小值一般出现在春季和秋季。通过气溶胶类型分类可知,除了春季受沙尘大颗粒气溶胶影响外,北京地区高气溶胶主要 由城市细粒子气溶胶引起,且四季小粒子增长现象明显,其中夏秋季主要为吸湿性增长,其他季节主要为静稳天气下的增长。 对比沙尘和霾天气下气溶胶性质,结果表明:霾天气下AOD一般高于沙尘天气, Hysplit风场后向轨迹模型 结果表明,沙尘天气下气团为穿过蒙古草原和沙漠的西北风场。在灰霾天气下风场风速较小且主要以东南和西南风场为主,高气溶胶状 态为本地积累和外来输送共同作用产生。
气溶胶光学特性 气溶胶分类 太阳光度计 aerosol optical properties aerosol classification sun-photometer
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 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230031
利用2012年9月~2014年8月年合肥市西北郊的CE318型太阳光度计观测资料，分析了合肥地区气溶胶光学厚度(AOD)和Angstrom波长指数(α)的时间变化特征。结果表明，合肥地区AOD全年较高，2012年9月~2013年8月和2013年9月~2014年8月两个时段的年平均值分别为0.60±0.15和0.73±0.23。春季受沙尘天气影响气溶胶波长指数最小，秋季受西北高空气团影响AOD最低。研究了AOD和大气水汽含量之间的关系，结果表明AOD和大气水汽含量呈正相关关系。利用Hysplit风场轨迹模型对各个季节的风场进行了研究，合肥春季主要受西北气流(约42%)影响，夏季风场主要受偏南风场(约50%)影响，秋季受北风风场(约39%)影响较大，冬季受西北高空气团影响较大。CE318和MODIS对比结果表明，两者具有较好的一致性，相关系数在0.7以上。
气溶胶光学特性 aerosol optical properties MODIS MODIS CE318 CE318 红外与激光工程
2016, 45(2): 0211003
1 深圳市气象局深圳市国家气候观象台, 广东 深圳 518040
2 国家气象信息中心, 北京 100081
气溶胶是城市污染的主要成分，也是气候评估中最大的不确定因子。利用2011年1月至2012年12月气溶胶观测资料，分析了新型超级城市深圳地区的气溶胶光学特性。深圳地区气溶胶表现出强吸收特征，散射、吸收系数的平均值（标准偏差）分别为(175.4±127.8)×10-6 m-1、(30.5±24.5)×10-6 m-1，单次散射反照率平均值为0.83，较北京、广州等国内城市观测值大，但小于国外城市的观测值。气溶胶光学特征呈明显的季节变化，散射、吸收系数和单次散射反照率均在冬季最大，夏季最小。气溶胶特征日变化不仅受边界层日变化影响，还与当地风向、污染源变化、光化学反应及夜间复杂的化学反应有关。利用轨迹模式聚类分析不同来源气溶胶的光学特征，结果表明当气溶胶来源于污染地区和城市人口密集区时，气溶胶的光学特征值都较高，尤其冬季。来自污染地区的气溶胶单次散射反照率不仅大于来自干净地区的气溶胶单次散射反照率值，且大于污染源地区的值。
大气光学 气溶胶光学特征 单次散射反照率 散射系数 光学学报
2013, 33(12): 1201003
