北京奥运会期间气溶胶光学特性垂直分布特征

利用激光雷达观测资料,分析了奥运会期间气溶胶消光系数的垂直廓线,并结合后向轨迹方法对北京地区污染来源以及污染控制措施效果进行了初步分析。观测数据表明:1)2008年消光系数较之2007年在不同高度层的降幅并不相同,600m以下的年际降幅最为显著,1200～4000m高度范围次之。2)各类型消光系数垂直廓线出现频次的统计显示,2008年影响北京的主要廓线类型为边界层上部最高型,而非近地面最高型,说明2008年近地层消光系数有明显的降低。另外,利用后向轨迹法对近地层消光系数降低的原因进行了分析,结果表明,当近地层气团中污染物主要来自于北京周边地区时,400m以下气溶胶消光系数的年际降幅可达18.1%,这说明北京周边区域大气污染控制措施对改善北京近地面层气溶胶污染起到了重要作用。     

成都夏季气溶胶消光特性研究

本文利用成都2017年6~8月的米散射微脉冲激光雷达观测数据,对成都夏季气溶胶消光系数、边界层高度以及气溶胶光学厚度进行了反演,并结合太阳光度计观测资料、地面颗粒物浓度以及大气能见度数据研究了气溶胶消光系数日变化与月变化规律,气溶胶消光系数的垂直分布特征及影响因素。结果表明:气溶胶消光系数的日变化受人类活动以及边界层日变化影响显著,表现出凌晨与傍晚最大,早晨次之,午后最小的特征。消光高值出现在200m以下和300~700m的高度区间,夜间观察到的消光高值可能与颗粒物在夜间近地面浓度较高以及本地夜间降水频发有关。激光雷达反演的消光系数与光度计反演的气溶胶光学厚度在夏季各月的表现一致,夏季各月消光极值均出现在100~150m的近地面层。近地面消光系数与地面颗粒物浓度之间具有较好的正相关,并且粒子粒径更小时相关性更好。气溶胶光学厚度主要来自低层大气的贡献,0.1~0.2μm的细粒子气溶胶占比对于大气消光有主要影响,但气溶胶对大气的消光影响除了与粒子浓度有关,还与粒子的理化性质有关。      

成都一次重污染过程的气溶胶光学特性垂直分布

利用微脉冲激光雷达观测数据、PM_(2.5)浓度数据、地面气象观测资料和探空数据对成都2017年1月1—6日连续出现的重污染过程进行分析研究。结果表明:激光雷达反演的消光系数演变与PM_(2.5)浓度值变化对应一致,PM_(2.5)浓度升高,近地面消光系数增大;反之,则近地面消光系数减小。对于此次过程,在无冷空气影响时,混合层高度和相对湿度的日变化对消光系数廓线有明显影响,混合层高度降低,大气环境容量减小,相对湿度增加,气溶胶吸湿增长,消光系数增大,地面污染加重。天空状况对气溶胶垂直分布影响显著,晴天或多云天气,早晨强逆温使得水汽和大量气溶胶集中在逆温层顶以下区域,地面污染严重;中午混合层发展,使得混合层内的气溶胶均匀混合,气溶胶层变厚,近地面消光系数显著减小,地面污染减轻。在前一日为晴天或多云天气,当天为阴天时,早上气溶胶明显分为两层,一层在近地面,另一层在残留层顶附近;中午由于垂直湍流增强,一部分残留层气溶胶向下混合至混合层内,使得混合层内的气溶胶粒子增多,地面污染加重,消光系数明显增加。近地面强逆温层、混合层高度降低、残留层气溶胶向下混合、相对湿度增加均是导致地面污染加重的原因。     

大连一次沙尘天气的遥感研究

利用中韩合作沙尘暴监测项目的微脉冲激光雷达（micro pulse lidar,MPL）观测了2005年11月6日影响大连的一次沙尘天气过程。MPL观测发现,影响大连的沙尘气溶胶层位于1～2km高度,厚度达1km,层内最大消光系数高达1．08km^-1,占整层气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）的47％,接触到地面后可使地面消光系数达到0．23km^-1。沙尘气溶胶层与气象要素的垂直分布密切相关,整层的相对湿度很低。沙尘气团影响时地面空气动力学直径小于10μm的粒子质量浓度（PM10）达到峰值1678．9μg·m^-3,PM10的时间变化与MPL反演的近地面消光系数相当一致．两者之间的转换系数在1．94到6．50mg·m^-3·km^-1之间.     

兰州地区高云和气溶胶光学特性及其辐射效应

利用激光雷达探测分析了兰州上空的高云与气溶胶的光学参数,并用LOWTRAN7定量模拟出高云对气溶胶辐射特性的影响。结果表明,消光系数廓线与相对湿度廓线随高度的变化一致性较好,气溶胶层主要在2km以下,低层气溶胶和高云的消光系数和相对湿度较大。白天,高云的存在使云下气溶胶短波加热率减小。有云和无云时气溶胶加热率的差别在地表处最为明显,中午前后差别较大,最大为11:00的0.096K.h-1。夜间,高云的存在使云下气溶胶长波冷却率减小,在1000m以下有云和无云时气溶胶冷却率的差别小,在1000m以上差别大,最大差别出现在1500m处(02:00～04:00),为0.033K.h-1。     

基于机载观测资料订正雷达比及其垂直分布特征

雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备,综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM_2.5浓度低于40 μg m?3;污染严重时期的PM_2.5均高于150 μg m?3且能见度低于5 km,污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比,利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测,精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大,主要分布在19～76 sr之间,清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）;污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr;边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系,混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势;当相对湿度高于40%,边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。     

基于Himawari-8卫星AOD产品的河南省能见度反演研究

利用2018年12月—2019年2月Himawari-8卫星气溶胶光学厚度数据产品与河南省119个国家地面观测站能见度观测资料,建立线性混合效应模型,并基于卫星观测AOD数据反演了河南省地面能见度。结果表明：Himawari-8卫星的AOD产品与Aqua的AOD产品一致性较好。线性混合效应模型反演的地面能见度与台站观测的能见度相关性可以达到082（P<005）,反演的能见度均值与观测能见度均值仅相差05 km。通过2018年12月16日14时个例分析,能见度的分布与地面观测基本保持一致,反演的地面能见度空间分辨率达到2 km。     

乌鲁木齐冬末一次伴随焚风的重污染天气过程探测研究

基于激光雷达探测设备、风廓线雷达、探空以及常规地面探测设备,研究了乌鲁木齐2017年3月5—12日一次重污染过程气溶胶光学特性的垂直分布特征及重污染成因。结果表明:此次重污染过程中7—10日PM2.5日平均值分别为176、215.5、215.9μg/m3和176.3μg/m3,最高时刻达到364μg/m3;激光雷达探测结果表明污染物主要集中在600 m以下,且午后—傍晚阶段的消光系数是夜间的7倍左右;污染物的退偏振很小,结合探空湿度廓线得到混合层内相对湿度基本80%,说明气溶胶颗粒主要为水凝物的球形粒子。由风廓线雷达结果得到乌鲁木齐站附近500 m高度以下水平风速普遍低于2 m/s;从北到南地面5个加密气象站的小风频率依次为99%、100%、81%、48%和67%。在市中心高新区附近受城市建筑物的阻挡,整个污染过程中平均风速仅为0.66 m/s;靠近峡口的乌拉泊风速最大,平均风速达到2.3 m/s,重污染阶段7—9日的平均边界层高度为433 m,低的边界层高度和低风速是造成此次污染的主要原因。     

基于微脉冲激光雷达观测资料的半干旱区沙尘天气消光效应分析

利用兰州大学半干旱区气候与环境观测站（SOCAL）的微脉冲激光雷达（MPL）2008年4月30日至5月2日观测资料,对晴朗天气、浮沉天气及扬沙天气过程中气溶胶垂直分布的连续变化、物理机制进行了对比分析与探讨。结果表明MPL很好地反映出不同天气过程中大气气溶胶廓线的日变化特征：受人类活动影响,天气晴朗时,早晨9时开始在0—2km范围出现气溶胶聚集区,持续至15时,气溶胶平均消光系数〈0．20km-1;受沙尘输送影响,浮尘天气时,气溶胶聚集区高度范围为1—2km,高层气溶胶富集区高度范围为5—7km,气溶胶平均消光系数0．38km-1;扬沙天气时,气溶胶聚集区高度范围为0—1km,浓度远大于浮尘天气,但高层气溶胶浓度较小且分布较均匀,气溶胶平均消光系数〉0．50km-1。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

天津夏季大气消光性质的研究

利用2010年夏季天津城市边界层观测站颗粒物、黑碳气溶胶、氮氧化物(NOX)浓度、地面能见度和气象梯度观测资料,分析了天津夏季大气消光特性及低能见度事件产生的原因。结果表明,天津夏季主要污染物为PM10和PM2.5,大气气溶胶消光系数为529.06M.m-1,其中,吸收系数为50.17M.m-1,散射系数为478.89M.m-1,气体吸收系数为7.74M.m-1,气溶胶单次散射反射率为0.87。天津夏季边界层大气状态有近一半的时间为中性或偏稳定层结,当出现中性或偏稳定层结大气时则有接近一半的情况出现低能见度事件(能见度<5km),影响人们的日常生活。     

Comparison of Two Air Pollution Episodes over Northeast China in Winter 2016/17 Using Ground-Based Lidar

This study analyzes and compares aerosol properties and meteorological conditions during two air pollution episodes in 19–22 (E1) and 25–26 (E2) December 2016 in Northeast China. The visibility, particulate matter (PM) mass concentration, and surface meteorological observations were examined, together with the planetary boundary layer (PBL) properties and vertical profiles of aerosol extinction coefficient and volume depolarization ratio that were measured by a ground-based lidar in Shenyang of Liaoning Province, China during December 2016–January 2017. Results suggest that the low PBL height led to poor pollution dilution in E1, while the high PBL accompanied by low visibility in E2 might have been due to cross-regional and vertical air transmission. The PM mass concentration decreased as the PBL height increased in E1 while these two variables were positively correlated in E2. The enhanced winds in E2 diffused the pollutants and contributed largely to the aerosol transport. Strong temperature inversion in E1 resulted in increased PM_2.5 and PM₁₀ concentrations, and the winds in E2 favoured the southwesterly transport of aerosols from the North China Plain into the region surrounding Shenyang. The large extinction coefficient was partially attributed to the local pollution under the low PBL with high ground-surface PM mass concentrations in E1, whereas the cross-regional transport of aerosols within a high PBL and the low PM mass concentration near the ground in E2 were associated with severe aerosol extinction at high altitudes. These results may facilitate better understanding of the vertical distribution of aerosol properties during winter pollution events in Northeast China.     

干旱区一次春季沙尘过程的大气气溶胶垂直分布结构及其特征

采用微脉冲激光雷达(Micro-Pulse Lidar,MPL)对干旱荒漠代表站张掖站上空一次春季沙尘暴过程的边界层和自由大气的气溶胶分布和大气环境进行了观测。结果表明,气溶胶的垂直廓线可分为高、中、低3层,高层气溶胶出现在5～9km,主要是通过上风方向的高海拔区域或低层气溶胶通过对流等过程突破边界层顶进入自由大气输送而来,其分布高度在一天中随着时间的推移逐渐降低;中层气溶胶位于2.5～4.5km,其消光特性随高度的增加没有明显的变化,具有垂直混合现象;低层气溶胶在2.5km以下,其消光特性随着高度增加反而降低;中、低层气溶胶主要来源于外部源区或当地沙尘源区和沙壤土起沙。气溶胶垂直分布表现出3种形式:在大气稳定条件下,气溶胶随高度增加呈单峰型减小趋势;不稳定条件下随高度增加指数型降低;混合层中随高度增加而保持稳定。由于受边界层日变化的影响,气溶胶分布的上界出现单峰型日变化特征,具体表现为下午较高,早晨较低。     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

北京地区对流层中上部云和气溶胶的激光雷达探测

介绍了近年来研制的一台多波长激光雷达及其探测对流层高云和气溶胶的实验,并依据探测结果重点分析了北京2000年1月至4月对流层上部云和气溶胶在532 nm波长的消光系数分布特征.结果表明:从6 km至11 km的气溶胶光学厚度值在0.0152至0.0284之间变化,均值为0.0192.从6 km至11 km的云光学厚度值在0.014至0.23之间变化.观测到的单层高云的厚度最大为6 km.4月6日,近年来最强的一次沙尘暴袭击北京.4月7日北京地区无可见云,激光雷达探测结果表明,从4 km至10 km高度范围内,存在一层厚度约为6 km的气溶胶粒子层,消光系数峰值处于8 km附近,比晴天无云时的消光系数值约大一个数量级.估计这是一层沙尘气溶胶,系由远距离输送至北京形成的.     

An Empirical Method for Estimating Background Stratospheric Aerosol Extinction Profiles over China

The current paper introduces an empirical method for estimating the vertical distribution of background stratospheric aerosol extinction profiles covering the latitude bands of 50±5°N,40±5°N,30±5°N,and 20±5°N and the longitude range of 75 135°E based on Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) II aerosol extinction measurements at wavelengths of 1020 nm,525 nm,452 nm,and 386 nm for the volcanically calm years between 1998 2004.With this method,the vertical distribution of stratospheric aerosol extinction coefficients can be estimated according to latitude and wavelength.Comparisons of the empirically calculated aerosol extinction profiles and the SAGE II aerosol measurements show that the empirically calculated aerosol extinction coefficients are consistent with SAGE II values,with relative differences within 10% from 2 km above the tropopause to 33 km,and within 22% from 33 km to 35 km.The empirically calculated aerosol stratospheric optical depths (vertically integrated aerosol extinction coefficient) at the four wavelengths are also consistent with the corresponding SAGE II optical depth measurements,with differences within 2.2% in the altitude range from 2 km above the tropopause to 35 km.     

利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测，分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变，认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染，而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系，结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。     

An Aerosol Model of the Marine and Coastal Atmospheric Surface Layer

We present a microphysical model for the surface layer marine and coastal atmospheric aerosols that is based on long-term observations of size distributions for 0.01–100 µm particles. The fundamental feature of the model is a parameterization of amplitudes and widths for aerosol modes of the aerosol size distribution function (ASDF) as functions of fetch and wind speed. The shape of ASDF and its dependence on meteorological parameters, height above sea level (H), fetch (X), wind speed (U) and relative humidity (RH), are investigated. At present, the model covers the ranges H = 0–25 m, U?=?3–18 km s^?1, X?≤?120 km and RH?=?40–98%.

The latest version of the Marine Aerosol Extinction Profiles model (MaexPro) is described and applied to the computation and analysis of the spectral profiles of aerosol extinction coefficients α(λ) in the wavelength band λ?=?0.2–12 µm. MaexPro is based on the aforementioned aerosol model assuming spherically shaped aerosol particles and the well-known Mie theory.

The spectral profiles of α(λ) calculated by MaexPro are in good agreement with observational data and the numerical results obtained from the Navy Aerosol Model (NAM) and the Advanced Navy Aerosol Model (ANAM). Moreover, MaexPro was found to be an accurate and reliable tool for investigating the optical properties of atmospheric aerosols.     

Detection of Sahara dust intrusions during mixed advection patterns over south-east Italy: A case study

Measurements from July 4 to July 8, 2005 by a high resolution visible radiometer, a Raman lidar, a ground particulate matter sampler, and ground meteorological sensors have been combined in synergy to infer the intrusion over south-east Italy, of air masses from north-west Sahara, the Atlantic Ocean, and the continental Europe. It is shown that backscatter coefficient, depolarization-ratio, and lidar ratio vertical profiles represent the best tools to detect the intrusion of long range transported air masses and to monitor their effects on the vertical distribution of aerosol optical and microphysical properties. High resolution radiometers are instead important tools to monitor changes on columnar aerosol properties and size distributions.Backscatter coefficient, depolarization-ratio, and lidar ratio vertical profiles have revealed that aerosol optical and microphysical properties significantly changed with time and space during African dust outbreaks: the intrusion of dust particles that at first occurred above 2 km of altitude extending up to 6 km, affected the all aerosol load down to ground within few hours. Aerosol size distributions showed during dust events a clear bimodality with an accumulation mode maximum at 0.24 µm and a coarse mode maximum at 0.94 μm. Conversely, we have found that during the advection of air masses from the Atlantic and continental Europe, aerosol particles were mainly located below 2 km, their optical and microphysical properties were affected by smaller changes in time and space, and were characterized by depolarization ratios rather close to those due to a pure molecular atmosphere. In this case bimodal size distributions with an accumulation mode showing two sub-modes at 0.16 μm and 0.24 μm, respectively and a coarse mode centred at 0.94 μm have also been observed.