拉萨上空大气气溶胶光学特性的 激光雷达探测

叙述了大气气溶胶激光雷达探测方程的求解方法,以及1998年夏季在拉萨使用激光雷达观测的一些结果,并与日本名古屋市上空的探测资料进行了对比分析,得到了拉萨上空气溶胶光学性质的一般特征,并对其成因进行了讨论。     

多普勒激光雷达风场反演方法研究

采用三维变分同化反演(3DVAR)、 四维变分同化反演(4DVAR) 对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究, 利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据, 反演了海面10 m高度处的风场, 并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析, 结果表明: 3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演, 并能反映出风向的变化, 反演风场与浮标数据基本一致, 在风速较大的天气情况, 3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况; 4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场, 使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场; 反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系, 反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系, 反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明, 这两序列之间具有一定差别, 在风速较小的天气情况下使用时需要注意。     

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.     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

基于激光雷达资料的气溶胶辐射效应研究

利用新型激光雷达气溶胶探测资料及综合数值模式,以地形复杂的兰州市及周边地区冬季典型天气形势下的大气边界层为研究对象,通过理想试验模拟研究了城市气溶胶辐射效应与大气边界层的相互作用。结果表明:夜间,低空(50~600 m)气溶胶所在气层冷却效应明显,温度降低0.13~0.18℃,600 m高度以上,气溶胶浓度较低,其冷却效应较小,温度降低不足0.1℃;白天,受气溶胶短波辐射效应影响,边界层内增温明显,增温最大值位于低层脱地逆温层顶300 m高度附近,600 m以上由于气溶胶浓度减小,加热率亦降低,增温由0.2℃减至0.1℃。此外,气溶胶的存在使得所在层的风速降低。可见,激光雷达探测资料在边界层模式中有很好的应用价值,对于研究气溶胶辐射效应的大气边界层响应有重要意义。     

基于气溶胶激光雷达观测的人工消减雾霾作业效果分析

利用气溶胶激光雷达观测的消光系数数据,对2019年12月北疆沿天山的石河子市开展人工消减雾霾作业效果进行分析,主要采用了符号检验、成对秩和检验等非参数性检验法,以及参数性t检验法等人工影响天气的物理统计检验方法,得出了基于气溶胶激光雷达消光系数为依据的人工消减雾霾作业效果。结果为：符号检验法检验得出飞机人工消减雾霾作业后20 min,400 m以下不同高度消光系数平均值减小的可信度达到非常显著的99.5%,进一步按照95%的可信度阈值得出减小值为0.05,减小率为9.8%;成对秩和检验法得出的作业正效果可信度达到97.5%,很显著;但是参数性t检验得出作业正效果的可信度只有90%～80%,未达到99.5%的阈值,显著性一般。这与作业采用了不同类型的催化剂如只用吸湿性干粉催化剂,以及播撒作业高度偏高导致作为样本的消光系数变化效果不能满足检验效率相关。进一步分析表明,飞机人工消减雾霾作业后20 min,400 m以下不同高度消光系数的减小响应效果自上而下递减,这与人工影响作业播撒的催化剂作用的物理机制自上而下逐步响应的过程相一致。     

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料,结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料,对比验证了激光雷达资料的反演结果,并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度,两者具有较好的相关性,相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大,主要原因是3—5月是当地沙尘频发期,11—12月是居民集中采暖期,沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小,湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42,冬季0．36,秋季0．30,夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多,占总数的一半,且存在季节差异。兰州上空夏季干净,春季浑浊,冬季次浑浊。     

大气激光雷达气溶胶光学参数质量可信度评估算法

气溶胶激光雷达由于系统设计、观测场地气候条件、反演过程中参数选取等因素不同,每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量不一致,可信度难以评估,进而极大地影响了其在气象、环保等领域业务化应用。为了解决该难题,本文分析了影响激光雷达气溶胶光学参数质量的因素,开发了一套气溶胶光学参数质量可信度评估算法。采用科学、合理的评分和权重分配方案对激光雷达每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度进行评估。本文主要讨论对偏振、米散射激光雷达气溶胶光学参数的质量评估,以中国气象局气象探测中心的波长为532 nm的偏振、米散射激光雷达为例,对所提出的质量可信度评估算法进行验证和分析。结果表明:该算法能够有效地区分出不同激光雷达在不同观测场景下每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度,具备为气溶胶激光雷达业务化应用提供可靠性评估的能力。     

高光谱分辨率激光雷达同时测量大气风和气溶胶光学性质的模拟研究

提出一套高光谱分辨率激光雷达(HSRL)系统,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质.该HSRL系统中使用碘分子滤波器分离分子和气溶胶后向散射,同时利用双边缘检测技术测量大气风场引起的多普勒频移.文中选用合理的HSRL参数和大气模型数据,模拟和分析了HSRL的测量性能.系统夜晚运行时,可测量20 km以下的大气风速和气溶胶,风速误差小于2 m s-1,气溶胶的后向散射系数相对误差小于30%.在白天工作时,相同误差下的可探测高度为10 km.模拟分析结果表明,该HSRL雷达有较大的应用前景,对天气和气象研究等有重要意义.     

激光雷达反演参数k值的研究

采用532 nm激光雷达2006年在兰州市不同天气状况下的观测数据,结合能见度因子、CE318太阳光度计观测数据,对利用Klett法求解时,k在不同天气状况下的取值进行了初步研究,结果表明:只有当0.7≤k≤1.0时,气溶胶消光系数的大小与能见度估算出的值相接近。但在k=0.7时,计算出的气溶胶消光系数正、负参半;k=1.0时,消光系数廓线在晴天无云的天气状况下同实际情况不符。通过进一步分析研究激光雷达和光度计的同期观测资料发现:k=0.8时,较合理的数据所占比例为100%,k=0.9为84%,k=1.0仅为12%。对兰州市区而言,利用激光雷达分析气溶胶光学特性时,取k=0.8或k=0.9较为合理。     

基于激光雷达资料的小波变换法反演边界层高度的方法

利用小波变换法反演边界层高度时,不同小波母函数的选取可能得到不同的边界层高度。因此,对构造的白天及夜间激光雷达后向散射信号理想廓线进行Haar小波协方差变换,并对后向散射信号梯度廓线进行Morlet与Mexican Hat小波变换反演边界层高度。结果表明,宜采用Haar函数与Mexican Hat函数作为小波母函数,其中Haar函数准确性优于Mexican Hat函数,而Mexican Hat函数更易稳定。同时为了进一步检验3种小波变换法的反演结果对小波振幅的敏感性,通过改变小波母函数的小波振幅,发现无论是理想廓线还是叠加扰动的廓线,较大的小波振幅易得到比较稳定准确的白天边界层高度与夜间混合层高度。     

Observations of Streamers in the Troposphere and Stratosphere Using Ozone Lidar

We describe here a DIAL lidar system for atmospheric ozone measurements atAberystwyth, Wales, together witha method for deriving a stratospheric ozone profile from a single laserwavelength. Lidar measurements are used todepict the passage of three mesoscale ozone disturbances in the troposphereand stratosphere. In the troposphere, twosmall fold-like structures are shown beneath and at the edge of streamers ofhigh potential vorticity in ECMWFanalyses. MST radar measurements at the same time show that one of these foldswas actively turbulent, causingmixing of stratospheric and tropospheric air. In the stratosphere, a streamerof low-latitude air drawn into a filamentby a breaking Rossby wave event was observed crossing the lidar site.     

Retrieval of Boundary Layer Height and Its Influence on PM 2.5 Concentration Based on Lidar Observation over Guangzhou

Wavelet analysis was applied to lidar observations to retrieve the planetary boundary layer height(PBLH)over Guangzhou from September 2013 to November 2014 over Guangzhou. Impact of the boundary effect and the wavelet scale factor on the accuracy of the retrieved PBLH has been explored thoroughly. In addition, the PBLH diurnal variations and the relationship between PM_(2.5) concentration and PBLH during polluted and clean episodes were studied. Results indicate that the most steady retrieved PBLH can be obtained when scale factor is chosen between 300-390 m. The retrieved maximum and minimum PBLH in the annual mean diurnal cycle were ～1100 m and ～650 m, respectively. The PBLH was significantly lower in the dry season than in the wet season, with the average highest PBLH in the dry season and the wet season being ～1050 m and ～1200 m respectively. Compared to the wet season, the development of PBLH in the dry season was delayed by at least one hour due to the seasonal cycle of solar radiation. Episode analysis indicated that the PBLH was ～50% higher during clean episodes than during haze episodes. The average highest PBLH in the haze episodes and clean episodes were ～800 m and ～1300 m,respectively. A significant negative correlation between PBLH and PM_(2.5) concentration(r =-0.55**) is discovered.According to China"Ambient Air Quality Standard", the PBLH values in good and slightly polluted conditions were 1/6-1/3 lower than that in excellent conditions, while the corresponding PM_(2.5) concentration were ～2-2.5 times higher.     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

大气中水汽混合比的Raman激光雷达探测

介绍了作者自行研制的L625Raman激光雷达系统的结构和主要技术参数,叙述了Raman激光雷达探测水汽混合比的基本原理和数据处理方法。使用这台激光雷达在合肥地区进行了水汽混合比垂直分布的探测,对获得的水汽混合比垂直廓线进行了初步的分析和研究。最后就L625Raman激光雷达探测水汽混合比的误差进行了分析和讨论。     

基于斐索干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达

提出结合多光束斐索(Fizeau)干涉仪和CCD探测器的条纹图像技术,测量地球边界层下的三维风场的直接探测多普勒激光雷达技术.在分析Fizeau干涉仪的物理特性和光谱特性以及影响测量多普勒频移的因数和改进方法的基础上,提出一套切合实际的直接探测多普勒激光雷达系统参数.并利用该参数进行性能评估分析,模拟不同干涉仪参数对风速精度的影响,得出一个优化的干涉仪物理参数.模拟结果显示,系统可以获得小于1 m s-1的水平风速精度.这些分析,为建立实际的激光雷达系统提供设计依据.     

利用激光雷达资料分析兰州远郊气溶胶光学特性

利用2007年1～4月兰州大学半干旱气候与环境观测站激光雷达资料,反演了晴空无云典型日和沙尘过程大气气溶胶消光系数和光学厚度。结果表明,兰州远郊榆中地区,1km以下大气气溶胶消光系数较大,为0.01～0.1km-1;平均气溶胶光学厚度〈0.5,光学厚度日变化呈双峰型,峰值分别出现在12：00和20：00。采暖期与非采暖...     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

Robust Solution for Boundary Layer Height Detections with Coherent Doppler Wind Lidar

Although coherent Doppler wind lidar (CDWL) is promising in detecting boundary layer height (BLH), differences between BLH results are observed when different CDWL measurements are used as tracers. Here, a robust solution for BLH detections with CDWL is proposed and demonstrated: mixed layer height (MLH) is retrieved best from turbulent kinetic energy dissipation rate (TKEDR), while stable boundary layer height (SBLH) and residual layer height (RLH) can be retrieved from carrier-to-noise ratio (CNR). To study the cause of the BLH differences, an intercomparison experiment is designed with two identical CDWLs, where only one is equipped with a stability control subsystem. During the experiment, it is found that the CNR could be distorted by instrument instability because the coupling efficiency from free-space to the polarization-maintaining fiber of the telescope is sensitive to the surrounding environment. In the ML, a bias up to 2.13 km of the MLH from CNR is found, which is caused by the CNR deviation. In contrast, the MLH from TKEDR is robust as long as the accuracy of wind is guaranteed. In the SBL (RL), the CNR is found capable to retrieve SBLH and RLH simultaneously and robustly. This solution is tested during an observation period over one month. Statistical analysis shows that the root-mean-square errors (RMSE) in the MLH, SBLH, and RLH are 0.28 km, 0.23 km, and 0.24 km, respectively.     

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。