石玉立，楊豐愷，曹念文

(1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院 遙感系，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院 大氣探測(cè)系，南京 210044)

文章編號(hào)：1001-3806(2015)03-0372-05

MPL反演南京北郊?xì)馊苣z光學(xué)厚度準(zhǔn)確度的研究

石玉立1，楊豐愷1，曹念文2

(1.南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院 遙感系，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院 大氣探測(cè)系，南京 210044)

摘要：微脈沖激光雷達(dá)是探測(cè)氣溶膠的有效工具。為了驗(yàn)證探測(cè)的準(zhǔn)確度，對(duì)一臺(tái)微脈沖激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)采用Fernald算法進(jìn)行反演，得到了南京北郊上空的氣溶膠光學(xué)厚度，并將反演結(jié)果同太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)、喇曼-瑞利-米雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)和中分辨率成像光譜儀的標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠產(chǎn)品進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,它們之間具有一定相關(guān)性。微脈沖激光雷達(dá)是反演氣溶膠光學(xué)厚度的有效手段，可以用于其它觀測(cè)手段的地面驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：大氣光學(xué)；微脈沖激光雷達(dá)；氣溶膠光學(xué)厚度；南京北郊

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.98

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.03.020

Study on inversion accuracy of aerosol optical depth with

micropulse lidar in northern suburb of Nanjing

SHIYuli1,YANGFengkai1,CAONianwen2

(1.Department of Remote Sensing, School of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044, China; 2. Department of Atmospheric Sounding, School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

Abstract：Micropulse lidar (MPL) is an effective tool for aerosol detection. To verify the accuracy of detection, MPL was used to calculate the aerosol optical depth (AOD) in the northern suburb of Nanjing with the Fernald inversion method. The inversion results were compared with those obtained with a sun-photometer，a Raman-Rayleigh-Mie lidar and a standard aerosol detection instrument (a moderate-resolution imaging spectroradiometer). The results show good correlation among them. The MPL is useful for AOD inversion and can be used to verify other measurement data effectively.

Key words:atmospheric optics；micropulse lidar；aerosol optical depth；northern suburb of Nanjing

E-mail:ylshi.nuist@gmail.com

引言

南京地處長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，這一區(qū)域是我國(guó)的經(jīng)濟(jì)核心地帶，城市密集、人口眾多、工業(yè)發(fā)達(dá)。大量工業(yè)燃燒以及秸稈焚燒產(chǎn)生的黑碳、硫酸鹽等不同化學(xué)成分氣溶膠顆粒，大量排放的汽車(chē)尾氣，北方來(lái)襲的沙塵等使得該區(qū)域空氣污染非常嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2012年,南京有8個(gè)月霾日數(shù)過(guò)半，2013年南京霾日出現(xiàn)的天數(shù)更是高達(dá)242天。可以說(shuō)灰霾、霧的存在成為南京地區(qū)天氣的一大特點(diǎn)，極大影響了人們的交通出行和身體健康，因此，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行氣溶膠光學(xué)特性遙感具有重要的意義。

傳統(tǒng)地基遙感以及環(huán)境監(jiān)測(cè)手段往往難以連續(xù)、精確地獲取大氣成分垂直分布情況，衛(wèi)星遙感手段可方便獲得大范圍氣溶膠信息，但是精度受到很大限制。激光雷達(dá)作為一種具有高時(shí)空分辨率和高探測(cè)高度、能連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣變化的主動(dòng)遙感設(shè)備，可以有效探測(cè)氣溶膠光學(xué)特性垂直廓線。微脈沖激光雷達(dá)(micro-pulse lidar,MPL)由于體積小易攜帶、造價(jià)低廉、雷達(dá)輻射小對(duì)人眼來(lái)說(shuō)更安全、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷觀測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。美國(guó)國(guó)家航空航天局已經(jīng)布設(shè)了微脈沖激光雷達(dá)雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)(micropulse lidar network,MPLNET)，可全天候、長(zhǎng)時(shí)間地觀測(cè)氣溶膠和云，其結(jié)果可用來(lái)反演云高、云的厚度及垂直結(jié)構(gòu)、氣溶膠光學(xué)特性和垂直分布等，對(duì)氣候變化研究和衛(wèi)星資料驗(yàn)證提供重要幫助[2]。LIU等人利用微脈沖激光雷達(dá)在西藏那曲和北京郊區(qū)測(cè)量并分析了大氣氣溶膠的分布特性，給出了兩測(cè)量站點(diǎn)上空大氣對(duì)流層氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布，表明微脈沖激光雷達(dá)是大氣氣溶膠的一種高效的探測(cè)工具[3]。

1微脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)

本文中使用的微脈沖激光雷達(dá)位于南京信息工程大學(xué)綜合觀測(cè)基地(118.7°E, 32.2°N)，型號(hào)為Sigma MPL-4B，置于恒溫條件下工作。雷達(dá)主要由激光器、信號(hào)接收裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要系統(tǒng)參量見(jiàn)表1。

Fig.1　MPL system structure

instrumentconfigurationvaluelaseremissionwavelength527nmoptimallaseroutputrange(6~8)μJlaserrepetitionrate2500Hztelescopediameter200mmfieldofview(90~100)μradrangeresolution15m,30m,75m

MPL開(kāi)始工作后，分成同偏振和交叉偏振兩個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)采樣時(shí)間和采樣分辨率來(lái)提高雷達(dá)數(shù)據(jù)的信噪比，望遠(yuǎn)鏡接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后由光子計(jì)數(shù)卡采集后存儲(chǔ)在連接的計(jì)算機(jī)中。

MPL發(fā)射接收系統(tǒng)為一體結(jié)構(gòu)，采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)延時(shí)校正、寄生脈沖校正、幾何重疊因子校正和去背景噪聲處理。探測(cè)器延時(shí)的產(chǎn)生是因?yàn)橛?jì)數(shù)速率很快，部分有限寬度的單光子會(huì)發(fā)生雪崩事件導(dǎo)致探測(cè)器飽，設(shè)延時(shí)校正函數(shù)值約為1。寄生脈沖是激光

在雷達(dá)內(nèi)部光學(xué)器件如光纖、望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備中傳輸時(shí)產(chǎn)生的噪聲造成的，雖然在近地表，駐留脈沖噪聲比正常雷達(dá)回波能量小幾個(gè)量級(jí)，但在高空位置上它的影響不容忽視，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得寄生脈沖函數(shù)。背景噪聲區(qū)選擇在30km以上的高層大氣，認(rèn)為此時(shí)分子和氣溶膠散射信號(hào)幾乎不存在。以上校正均可在微脈沖雷達(dá)系統(tǒng)軟件中設(shè)置進(jìn)行。

2氣溶膠光學(xué)厚度反演

米激光雷達(dá)有效探測(cè)范圍一般在6km以下，在這一范圍內(nèi)分子相比于氣溶膠，對(duì)消光的影響很小可忽略。MPL的有效探測(cè)高度一般可達(dá)到12km，此時(shí)進(jìn)行消光系數(shù)反演需要考慮到高層大氣中分子對(duì)消光的影響，反演采用Fernald方法[4]，反演消光系數(shù)時(shí)分開(kāi)考慮分子和氣溶膠的貢獻(xiàn)，此時(shí)激光雷達(dá)方程為:

(1)

(2)

式中,X(r)為距離平方校正信號(hào)，氣溶膠消光后向散射比一般在20~70之間，具體到南京北郊,實(shí)際計(jì)算時(shí)取50[5]。使用2011-01-15T13:00的1組觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到消光系數(shù)如圖2所示，可以看到2km處有氣溶膠存在。

將微脈沖激光雷達(dá)反演得到的消光系數(shù)σ(z)進(jìn)行積分得到氣溶膠光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD)τ，公式如下：

Fig.2　Extinction coefficients by MPL inversion on 2011-01-15T13:00

考慮到在4km的高度以上，氣溶膠對(duì)消光的貢獻(xiàn)極其微弱，可以忽略不計(jì)，故對(duì)激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)做0km~4km范圍內(nèi)的積分。將MPL反演得到的2011-01-15T13:00到16:33的消光系數(shù)進(jìn)行積分得到AOD，將結(jié)果與約1km外的一臺(tái)CE-318太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)到的1.5級(jí)500nmAOD進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示，任意一點(diǎn)的x坐標(biāo)為某時(shí)刻MPL反演的AOD結(jié)果，y坐標(biāo)為同一時(shí)刻CE-318反演得到的AOD結(jié)果。從趨勢(shì)線可以看出，同一時(shí)刻太陽(yáng)光度計(jì)反演得到的AOD比微脈沖激光雷達(dá)反演結(jié)果偏大，相關(guān)系數(shù)R=0.71。

Fig.3　Comparison of AOD(MPL) and AOD(CE-318)

由于微脈沖激光雷達(dá)可以連續(xù)不間斷工作，畫(huà)出整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)所有觀測(cè)結(jié)果的值可以看出AOD的變化趨勢(shì)，如圖4所示，微脈沖激光雷達(dá)的觀測(cè)頻率大于太陽(yáng)光度計(jì)，兩臺(tái)儀器的觀測(cè)結(jié)果量級(jí)相同，雖然部分時(shí)刻的值差距較大，但它們隨時(shí)間變化的總體趨勢(shì)大致相同，都是在15:00之前逐漸減少，而在15:00之后開(kāi)始顯著增大，可能是因?yàn)榇藭r(shí)存在一次擴(kuò)散過(guò)程。

Fig.4　AOD observations of MPL and CE-318 from 13:00 to 16:33

表2為2011-01-15的地面觀測(cè)記錄?？梢钥闯?，17時(shí)能見(jiàn)度小于14時(shí)，13:00~17:00這段時(shí)間內(nèi)，風(fēng)向始終為北風(fēng)，14:00~15:00時(shí)風(fēng)速增大，加速了氣溶膠的擴(kuò)散，此后風(fēng)速開(kāi)始減低，氣溶膠又逐漸累積起來(lái)。綜上所述可以認(rèn)為觀測(cè)結(jié)果符合實(shí)際大氣中氣溶膠的變化情況。

Table 2　Observed record in Nanjing on 2011-01-15

從圖4中可以看出,同一時(shí)刻的CE-318觀測(cè)值總是大于微脈沖激光雷達(dá)反演結(jié)果，其原因可能是:(1)CE-318觀測(cè)到的是500nm AOD,微脈沖激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)為527nm，根據(jù)波長(zhǎng)消光比可以知道，500nm的結(jié)果應(yīng)該大于527nm的結(jié)果;(2)微脈沖激光雷達(dá)反演消光系數(shù)結(jié)果的積分區(qū)域是0km~4km，而太陽(yáng)光度計(jì)觀測(cè)的是整層大氣的消光系數(shù)總值，此時(shí)微脈沖激光雷達(dá)的反演結(jié)果小于太陽(yáng)光度計(jì)是合理的;(3)兩臺(tái)儀器相距約1km，儀器上空大氣氣溶膠分布情況會(huì)有差異。

綜上所述，微脈沖激光雷達(dá)的反演結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的，其與太陽(yáng)光度計(jì)相比優(yōu)勢(shì)在于可以獲取消光系數(shù)的垂直分布，可連續(xù)不間斷觀測(cè)且頻率很高，可以更有效地反映氣溶膠分布的時(shí)空變化。

3兩臺(tái)激光雷達(dá)反演結(jié)果的比較

南京信息工程大學(xué)綜合觀測(cè)基地內(nèi)還有一臺(tái)喇曼-瑞利-米三通道激光雷達(dá)(Raman-Rayleigh-Mie lidar,RRML)，從2009年開(kāi)始積累了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)對(duì)南京北郊上空的氣溶膠進(jìn)行了一系列卓有成效的研究工作[6-8]。兩臺(tái)激光雷達(dá)相距約20m，選擇2010-05-19T21:00時(shí)刻兩臺(tái)雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。消光系數(shù)隨高度變化的走勢(shì)大致相近，認(rèn)為它們反映了低層大氣氣溶膠分布情況。

Fig.5　Extinction coefficient of MPL and RRML on 2010-05-19T21：00

表3是21:00~21:06兩臺(tái)激光雷達(dá)反演的AOD結(jié)果，量級(jí)相同，數(shù)值有一定差異。從表3中可以看出，喇曼-瑞利-米激光雷達(dá)反演結(jié)果略大于微脈沖激光雷達(dá)，這可能是因?yàn)樵谶M(jìn)行反演時(shí)，微脈沖激光雷達(dá)的盲區(qū)為250m以下，而喇曼-瑞利-米激光雷達(dá)米通道數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)重疊因子校正后，盲區(qū)為120m以下，這樣在進(jìn)行AOD積分計(jì)算時(shí)，兩臺(tái)雷達(dá)的積分區(qū)域不同，在120m~250m這一近地面區(qū)域氣溶膠含量往往很大，對(duì)消光系數(shù)有重要影響，另外，喇曼-瑞利-米激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)為532nm，微脈沖激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)為527nm，因此微脈沖激光雷達(dá)的反演結(jié)果會(huì)相對(duì)較小。在設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，為了消除誤差，兩臺(tái)激光雷達(dá)的觀測(cè)時(shí)間和頻率要盡可能同步。

Table 3　AOD inversion of MPL and RRML from 21:00 to 21:06

4MOD04產(chǎn)品與激光雷達(dá)反演結(jié)果的比較

MOD04是中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)監(jiān)測(cè)全球海洋和絕大部分陸地上空大氣氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其每日產(chǎn)品為L(zhǎng)2級(jí)，光學(xué)厚度反演采用暗像元法，空間分辨率10km[9]，計(jì)算時(shí)假定2.12μm的表觀反射率為地表反射率，這也是該產(chǎn)品誤差的主要來(lái)源。研究表明,MOD04產(chǎn)品精度基本處于期望內(nèi)，但在AOD較小時(shí)存在高估，在AOD較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)高估[10]。

將微脈沖激光雷達(dá)反演AOD結(jié)果同2010年上半年Terra-MODIS的MOD04產(chǎn)品進(jìn)行比較，由于觀測(cè)資料較少，建立了14組比較，見(jiàn)表4。數(shù)據(jù)匹配時(shí)，MOD04產(chǎn)品選取南京北郊(118.7°E,32.2°N)為中心、半徑為10km的平均值，微脈沖激光雷達(dá)反演AOD結(jié)果取衛(wèi)星成像時(shí)刻±0.5h內(nèi)的平均值，結(jié)果表明二者相關(guān)系數(shù)R=0.6。

可以看出，大多數(shù)激光雷達(dá)反演結(jié)果小于衛(wèi)星反演產(chǎn)品，這是因?yàn)榧す饫走_(dá)在計(jì)算AOD時(shí)只對(duì)0km~4km高度范圍內(nèi)的消光系數(shù)進(jìn)行積分，而衛(wèi)星得到的是整層大氣的光學(xué)厚度。兩種反演結(jié)果之間的差異一是波段范圍不同，衛(wèi)星反演得到550nm 結(jié)果，激光雷達(dá)發(fā)射波長(zhǎng)527nm，二是AOD的主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感機(jī)理不同。

Table 4　A comparison between AOD(MPL) and MOD04

在2010-05-11~2010-06-07這一時(shí)段內(nèi)，匹配到的數(shù)據(jù)較多，畫(huà)出激光雷達(dá)和衛(wèi)星各自反演結(jié)果的時(shí)間序列如圖6所示。可以看出，在這段時(shí)間內(nèi)，兩種結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明兩種反演結(jié)果有效反映了這段時(shí)間內(nèi)的AOD日變化。

Fig.6A comparison between AOD(MPL) and MOD04 from 2010-05-11 to 2010-06-07

5結(jié)論

利用微脈沖激光雷達(dá)對(duì)南京北郊上空氣溶膠光學(xué)厚度進(jìn)行反演，反演算法采用Fernald方法，積分區(qū)間選擇0km~4km。

(1)同一時(shí)刻MPL觀測(cè)結(jié)果與太陽(yáng)光度計(jì)和RRML觀測(cè)結(jié)果大致相近，有一定相關(guān)性。

(2)同一時(shí)期內(nèi)，MPL觀測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)同太陽(yáng)光度計(jì)和MOD04產(chǎn)品AOD值的變化趨勢(shì)相同，說(shuō)明MPL觀測(cè)結(jié)果合理，可以用來(lái)對(duì)其它觀測(cè)手段進(jìn)行驗(yàn)證分析。

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收稿日期：2014-04-14；收到修改稿日期：2014-04-24

作者簡(jiǎn)介：石玉立(1973-)，男，博士，副教授,主要研究方向?yàn)檫b感反演地表參量。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40801139;41175077)