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机载高光谱分辨率激光雷达探测大气气溶胶光学特性及污染研究

机载高光谱分辨率激光雷达探测大气气溶胶光学特性及污染研究

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0引言
气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、雨水和云的形成以及环境污染研究等方面起着重要作用。气溶胶的光化学特性也对空气污染物的形成和传输有着重要影响。研究对流层气溶胶的时空分布特征对掌握环境变化和气候变化非常重要。因此,利用有效的观测手段对气溶胶的光学特性和垂直分布特征进行研究具有重要意义。激光雷达作为应用较为广泛的气溶胶主动探测仪器,在气溶胶的垂直分布特征研究和污染物传输探测方面发挥着不可替代的作用。与常规的激光雷达相比,高光谱分辨率激光雷达(HSRL)可以准确探测 AEC和 ABC等光学参数,可有效避免假设激光雷达比(LR)对气溶胶光学参数的反演精度所带来的影响,为准确分析气溶胶的区域性和长期性污染特征演变及其带来的气候效应提供了很好的研究手段。

1机载实验、HSRL系统及数据

1.1 机载实验介绍

2019年3月,在秦皇岛地区开展了多次飞行观测实验,原因是秦皇岛市地处河北省东北部,临近渤海湾,具有多个地表类型,有利于测试不同下垫面类型下雷达系统探测气溶胶特性的能力。飞机主要围绕秦皇岛周边地区进行观测,路线途经渤海湾近海、城镇以及山地地区。利 用机载HSRL 系统对 短 时间内秦皇岛地区不同下垫面类型下的气溶胶分布和演变特征展开了大范围的实时观测。

1为2019年3月在秦皇岛地区进行的飞行实验的时间段及飞行高度参数表。图1为飞行过程中机载相机拍摄到的不同地表类型的图片,从左到右依次对应山地、城镇和海洋区域。

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1.2地面验证点和卫星数据

为了进行对比验证,在抚宁地面站和北戴河站分别安装了两台CE318太阳光度计,太阳光度计可测量 的 波 长 为340,380,440,500,675,870,940,1020nm,通过该仪器可实时监测飞行过程中的AOD值和大气中的水汽含量。将光度计测量到的500nm波长处的 AOD值 与HSRL系统的反演值进行对比。太阳光度计参数及反演方法可参照AERONET网站 。同 时,将卫星遥感器获得的AOD值与HSRL系统的反演值进行相关性分析。卫星遥感器主要包括Terra卫星和Aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪、臭 氧监 测 仪、可见光红外成像辐射仪。在 空间上,将卫星上搭载的卫星遥感器获得的AOD数据在经纬度格点上进行插值,插值间隔为0.1°,这样可实现不同日期飞行路径上对应经纬度范围内的卫星数据点与机载HSRL系统计算的数据点的匹配,便于对两组数据进行对比分析。在时间上,卫星过境时间相对较短,故主要选取卫星过境时间点对应的机载HSRL计算的AOD值与卫星遥感器测得的数据来进行对比分析。

1.3 HSRL系统参数、气溶胶通道接受系统和光学参数介绍

机载HSRL系统的主要参数如表2所示,气溶胶通道接收系统如图2所示。大气回波信号首先经过分色片,波长为1064nm的信号透射过滤光片之后,经聚焦透镜入射到探测器中。图2虚线框中是三个波长为532nm的接收探测器。大气分子的后向散射信号先经过一个波长为532nm的窄带滤光片,之后进入干涉仪中,背景噪声被滤除。滤光后再经过一个偏振分束器,其中一束光被反射进垂直通道并被探测器接收,另一束光经过一个波长为532nm的半波片和另一个偏振分束器。分束后得到的反射光和透射光强度的比值为0.71∶0.29,透射光信号经过聚焦镜后进入平行通道探测器,反射光信号经过碘分子滤波器后进入分子通道探测器。

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本文主要对HSRL系统反演的气溶胶光学参数进行分析,相关机载激光雷达回波信号的分析结果可参考文献。利用HSRL系统反演气溶胶参数的方法可参考文献。其中,大气(包括空气分子和气溶胶)总的DR系 数(ADR)是垂直通道信号B⊥与平行通道信号B‖ 的比值,它主要与被测物的非球形状态有关:

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气溶胶LR(ALR)的表达式为:

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式中:AAEC,532为532nm波长处的AECAABC,532为532nm 波长处的ABC。利用Fernald算法计算得到1064nm波长处的ABCAABC1064,选取相应的LR值为40sr,再结合HSRL反演计算得到的532nm 波长处的ABC,则可求得CR(ACR),其表达式为

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2 实验结果

2.1不同日期下的AOD相关性分析及分布

为了验证机载HSRL系统反演AOD值的可靠性,选取不同日期下HSRL系统反演得到的AOD值与卫星遥感器测得的AOD值进行对比,如图3所示,AOD主要 是低层气溶胶的贡献,因此选 取AEC的积分高度的范围为0~3km。图3(a1)~(a6)为不同日期下HSRL系统反演得到的AOD值和卫星遥感器测得的AOD值的相关性结果,其中N为数据点数,可以看出,3月4日、11日、14日、16日两者的相关系数(R)都 在0.93以 上,18和19日两者的R较 小,分别为0.85703 和0.90478。图3(b1)~(b6)是不同日期下HSRL系统反演得到的AOD值与卫星遥感器测得的AOD值的相对偏差,相对偏差的范围为-20%~20%,18日和19日的相对偏差偏向于负值,其原因是这两天的飞行高度为3km 左右,且大气污染较严重,对应气溶胶层分布较高,因此HSRL系统反演得到的AOD值较小。

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在图3中所选的6天时间内,HSRL系统反演得到的AOD值与CE318和卫星遥感器测得的AOD值的相关性与绝对偏差如图4所示。HSRL系统反演得到的AOD值与太阳光度计CE318测得的 AOD值的相关性如图4(a)所示。可以发现,两者相关系数超过0.99,相关性良好。HSRL系统反演得到的AOD值与卫星遥感器测得的AOD值的相关性如图4(b)所示。可以发现,两者相关系数超过0.99。在图4(c)中,纵坐标为HSRL系统反演得到的AOD值与太阳光度计CE318测得的 AOD值的绝对偏差,横坐标为两者AOD值的平均值。可以发现,两者AOD值的绝对偏差随着两者AOD平均值的变化,分布相对均匀,主要分布的范围为-0.02~0.02,这表明两者的偏差较为稳定且较小。在图4(d)中,纵坐标为HSRL系统反演得到的AOD值与卫星遥感器测得的AOD值的绝对偏差,横坐标为两者AOD值的平均值。可以发现,随着两者AOD平均值的增大,绝对偏差增大。出现该现象的原因是,当AOD值较高时,存在卫星对AOD值高估的现象。

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接着,对不同日期下飞行路径上HSRL反演得到的AOD值分布进行了研究,这有利于进一步分析污染物的分布情况和成因。3月4日,AOD高值区主要是近海地区和东部地区,此处AOD值的范围为0.80~0.95。3月11日,AOD高值区主要是西部地区,城镇以及近海地区的AOD值较大,AOD值在0.3左右。3月14日和16日,天气条件良好,气溶胶浓度相对较小。海洋和山地地区的AOD值差别不大;沿海城镇地区的AOD值略大。3月18日沿海城镇地区的AOD值较大,AOD值的范围为1.2~1.3。东部城镇地区的AOD值比西部大;北部及西部山地地区的AOD值较小,AOD值约为0.8。3月19日,东部沿海地区和山地地区的AOD值 较小,西部山地地区和沿海城镇地区的AOD值较接近,AOD值约为0.7。

2.2不同日期下AOD值的变化及污染源分析

图5是不同日期下HSRL系统反演的AOD值的变化图。清洁天3月11日、14日、16日的AOD值 较小,其范围为0.1~0.3;污染天3月4日、18日、19日的AOD值的范围为0.6~1.1。3月4日是污染较重的一天,AOD值的平均值约为0.8。结合表3所示的不同日期下秦皇岛的天气状况可知,4日的空气质量指数(AQI)为174,西南风为3~4级。3月11日、14日、16日 大气较干净,西北风驱散了秦皇岛当地的污染物,AOD值降低。3月18日和19日,AOD值的平均值分别为1.0和0.6,风向转为西南风,风向的转变会导致京津冀、山东半岛、华北等地区排放的污染物传输至秦皇岛地区,导致地区性污染。可以看出,秦皇岛地区的污染情况与风 向的变化紧密相关,气象条件在污染物防治和传输过程扮演着重要的角色。

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2.3污染天和清洁天的气溶胶参数分布特性分析

2.3.1 气溶胶污染个例分析

图6为2019年3月4日的气溶胶分布图。如图6(a)所 示,在近海海岸大气低层高度h≤1km处,气溶胶粒子的ABC值较大,存在明显的气溶胶层。由表3可知,3月4日秦皇岛地区 以西南风为主,风将中部工业地区排放的烟尘和污染型颗粒物吹向秦皇岛海岸。由于海洋上空水汽含量较多,因此污染物粒子间会发生碰并增长作用,这容易造成污染物在海面上累积,形成稳定的气溶胶悬浮层。在图6(b)中,当近海地区h≤0.3km 时,DR值较小,其范围为0.08~0.10;h=1km处的气溶胶粒子对应的DR值的范围为0.10~0.15,该区为烟雾等粗粒子的混合区。图6很好地反映出污染天秦皇岛地区的气溶胶层分布、粒子特性和污染物特征。

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图7是2019年3月4日10:30~14:00时间段内气溶胶参数的分布图,包括532nm波长处 的ABC、AEC、DR、LR、CR 和 1064nm波长处的ABC。ABC以及AEC的分布结果可以用来表征不同地区的气溶胶浓度。LR、DR和CR数据可以用来分辨粒子的大小和形状以及气溶胶类型。沙尘粒子对应的DR值比较大,城镇以及工业地区粒子的DR值较小;LR值和CR值也会随着气溶胶粒子的大小、形状和成分的变化而变化。对于粗模式颗粒,对流层气溶胶在532nm波长处的LR值通常为20~50sr,而对于细模式或高吸收型模态,气溶胶颗粒则具有较高的LR值。如图7所示,在10:30~11:00、12:30~13:00飞行时段内,对应观测区域的气溶胶浓度较大,几百米高度处的DR值在0.1左右;LR值和CR值较大,LR值的范围为40~60sr,CR值的范围为2.1~2.5,这与城镇及工业污染型气溶胶类型特征一致。在10:30~11:30飞行时段内,h=1km处,存在LR低值区,LR值的范围为20~30sr,相应时间段内的DR值约为0.15,该高度层中的粒子尺寸较大。在11:00~11:30飞 行时段内,山地地区1.0km<h≤2.0km处的LR值较小,其范围为16~30sr;DR值较大,其值约为0.18,该高度层中主要存在的是沙尘等混合型粗粒子。在其他飞行时段内,近地面几百米高度内CR值的范围为2.1~2.5,细粒子占比较大。由以上分析可知,2019年3月4日污染天秦皇岛地区近地面几百米高度的污染主要由细粒子引起;在1.0km<h≤1.5km 处,细粒子减少,该高度区域主要为沙尘与工业排放污染物的混合污染区。

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2.3.2 不同日期不同下垫面类型下的气溶胶光学参数的垂直分布特征

2019年3月4日、18日、19日 污染天 和11日清洁天城镇、山地、海洋地区不同高度对应的气溶胶分布以及参数变化特征进行分析。 图8为532nm波 长处 的 气 溶 胶 参 数(ABC、AEC、DR、LR和 CR)的垂直廓线;阴影区代表各个高度上的标准差,用来衡量不同高度上气溶胶参数的变化。3月4日,城镇和海洋地区大气边界层高度约为0.5km,大气低层处的气溶胶浓度较大,海洋大气低层处的AEC值为0.7km-1,LR 值的范围为30~35sr,CR值较大,该区域主要存在的是污染型海洋气溶胶;城镇大气低层处的 AEC 的最大值为1.75km-1,在城镇地区h=0.3km处,DR 值较小,但 LR 值 和 CR值较大,该区域中主要存在的是工业和生物质燃烧的混合污染型气溶胶。山地大气低层处的 ABC 值和 AEC值比城镇地区大气低层处的小,比海洋地区大气低层处的大。在山地地区0.3km≤h≤0.5km 处,DR值比城镇和海洋相应范围内的DR值大,其值约为0.15,LR 值 约为40sr,CR 值较小,该区域中主要存在的是沙尘和城镇污染物粒子的混合类型气溶胶。3月11日,在大气边界层高度约为0.5km 处,城镇、山地、海洋地区的 ABC值和 AEC值均较小且数值接近,大气低层中存在少量气溶胶粒子。山地地区大气低层中的 DR值明显比城镇和海洋地区大气低层中的大,但LR值和CR值小,这表明山地地区大气低层中主要存在的是沙尘等混合型粗粒子。海洋地区大气低层中的DR值小于0.1,且LR值较小,其范围为15~25sr,该区域主要存在的是海洋气溶胶。城镇地区大气低层中LR值的范围为25~30sr,风向由西南风转变为西北风,将少量的沙尘粒子传输至城镇地区,沙尘和生物质燃烧产生的细颗 粒混合,因 此LR值 比3月4日 小。3月18日,地区间的污染物传输过程导致污染物增多,秦皇岛地区大气低层中的 AOD 值增大,并且垂直分布上出现两个明显的气溶胶层,即在h=0.5km处存在一个稳定的气溶胶层,在0.5km<h≤1km处存在浓度较小的气溶胶层。在h=0.5km处,城镇地区的DR值范围为0.05~0.10,且LR值存在一个从大到小的变化过程,这表明城镇地区近地面主要存在的是工业和生物质燃烧的混合污染型气溶胶。在0.5km<h≤1.0km处,DR值随高度逐渐减小,LR值约为30sr,该气溶胶层可能是海洋型气溶胶与城镇气溶胶的混合类型。 山地地区h≤1.5km处的CR值明显比城镇和海洋地区小,DR值的范围为0.10~0.15,这表明该地区主要存在的是以沙尘为主的污染型气溶胶。3月19日,在大气边界层高度为0.5km处,低层气溶胶浓度较大。城镇和海洋地区大气低层处的 DR 值的范围为0.05~0.10,LR值约为30sr,这表明城镇及海洋地区大气低层中主要存在的是混合型气溶胶。山地地区大气低层中主要存在的是沙尘粒子占主导的混合型气溶胶。

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可以发现,污染天秦皇岛城镇地区近地面层中主要存在的是工业排放的污染物以及生物质燃烧产生的细颗粒,大气低层中的ABC值和AEC值随着高度的升高而急剧减小,DR值在0.1以下,LR值的范围为35~45sr,CR值的范围为2.1~2.5;海洋地区大气低层中主要以污染型海洋气溶胶为主;山地区域大气低层中主要存在的是沙尘等粗粒子,部分地区大气低层中 存在的是污染型沙尘气溶胶,DR值的范围为0.10~0.18。该污染主要由重工业地区排放的工业污染物和本地生物质燃烧产生的气溶胶粒子造成的。

为了进一步分析不同日期不同高度区域内的气溶胶粒子分布特征,对4个高度层(0<h≤0.6km,0.6km<h≤1.5km,1.5km<h≤2.4km,2.4km<h≤3km)内的 DR值、LR值、CR值进行分析,其结果如图9所示。3月4日,在h≤2.4km 处 ,DR平均值范围变化不大,其范围为0.13~0.14,此时粒子分布较为均匀。LR值和 CR值随着高度的增 加先减小后增大,在较大LR值和较大CR值处,大气低层中主要存在的是细颗粒气溶胶。在2.4km<h≤3km 处,随着高度的增加DR值减小较快,LR值和CR值增大,相应的气溶胶粒子形状的不规则性逐渐减小,气溶胶粒子浓度减小,无明显的气溶胶层。3月11日,在h≤2.4km 处,DR值变化范围较小;在0<h≤0.6km 处,LR值和 CR值较大,在h>0.6km处,LR值和 CR值的变化不明显。这表明清洁天不同地区的大气低层中气溶胶粒子类型差别大,对应的不同高度上的气溶胶分布较为一致。3月18日和19日,DR值在不同高度区间内随着高度的增加先增大后减小,表明气溶胶粒子在整个高度区间内存在明显的分层现象,大气低层中主要是城镇工业污染和生物质燃烧产生的气溶胶;随着高度的增加 LR值先减小后增大,在0.6km<h≤2.4km 处18日LR值的减小比19日 多,该区域中主要是沙尘为主的污染型气溶胶粒子;3月18日、19日大气低层中CR值都较大,且随高度增加逐渐减小,表明大气低层的散射较强,这与大气边界层内气溶胶粒子浓度较大的特征一致。由以上结果可知,气溶胶粒子的光学特性变化可表征不同气溶胶层的分布特征,且两者的变化紧密相关。

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3  论

利用机载HSRL系统反演得到的气溶胶数据对秦皇岛地区的大气气溶胶的垂直分布和污染特征进行 分 析。对不同日期下秦皇岛东西部地区的AOD值分布进行探测,将机载HSRL系统反 演得到的AOD结果与地基太阳光度计和卫星遥感器测得的结果进行对比,发现三者相关性优于0.95。利用气象数据和机载气溶胶观测数据对不同日期下不同地表类型下的边界层变化和气溶胶光学参数的垂直分布进行分析。通过分析可知,城镇地区大气低层中的气溶胶类型为混合型气溶胶,海洋地区大气低层中的气溶胶类型为污染型海洋气溶胶。虽然不同地表类型下的气溶胶类型不同,但是污染主要是由大气低层中的工业和生物质燃烧产生的混合型气溶胶造成的。随后,结合不同日期不同高度层内的三个表征气溶胶粒子类型的参数(DR、LR、CR)对气溶胶层的垂直分布特征进行了详细分析。分析结果展现了HSR系 统探测气溶胶垂直分布和气溶胶粒子类型的优势。研究结果在促进HSRL系统发展和应用的同时,也为以后利用 HSRL系统开展区域气溶胶污染研究提供了参考。

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