于思琪，劉東，徐繼偉，王珍珠，吳德成，王英儉

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031）

大氣是由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個(gè)龐大的分散體系，該體系中分散的各種粒子稱(chēng)為大氣氣溶膠[1]。大氣氣溶膠可根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制分為自然源和人為源，按來(lái)源可以分為本地源和外來(lái)源。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大氣氣溶膠已成為我國(guó)環(huán)境污染的重要因素之一，尤其是我國(guó)北方地區(qū)的冬季。分布在大氣中的氣溶膠除了會(huì)對(duì)人們的健康產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)輻射強(qiáng)迫產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響著天氣和氣候[2]。大氣氣溶膠通過(guò)參與云的微物理過(guò)程，對(duì)云的生命周期也產(chǎn)生巨大影響，同時(shí)大氣氣溶膠的垂直分布也會(huì)改變大氣的熱力結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性[3-4]。獲取大氣氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)有助于分析氣溶膠的來(lái)源以及估算不同高度大氣氣溶膠對(duì)輻射強(qiáng)迫產(chǎn)生的影響。全球氣溶膠模型對(duì)氣溶膠分布的預(yù)測(cè)、對(duì)輻射影響的準(zhǔn)確評(píng)估也需要更多的氣溶膠垂直分布信息。傳統(tǒng)的探測(cè)手段如探空無(wú)法連續(xù)定點(diǎn)觀測(cè)，而太陽(yáng)輻射計(jì)則無(wú)法獲得大氣氣溶膠的垂直廓線(xiàn)。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感手段，可以連續(xù)獲得大氣氣溶膠高時(shí)空分辨率的垂直分布情況。

國(guó)內(nèi)外的研究人員利用各種探測(cè)手段對(duì)大氣氣溶膠的分布情況進(jìn)行了一些觀測(cè)。Sarangi 等[4]利用微脈沖激光雷達(dá)、太陽(yáng)光度計(jì)等觀測(cè)手段對(duì)印度恒河平原季風(fēng)時(shí)期氣溶膠的分布情況進(jìn)行了分析。Jugder 等[5]利用米偏振激光雷達(dá)對(duì)蒙古利亞地區(qū)的沙塵、生物質(zhì)燃燒氣溶膠和人為源氣溶膠進(jìn)行了探測(cè)。Liu 等[6]利用CALIPOSO 對(duì)全球沙塵氣溶膠分布及傳輸情況進(jìn)行了分析。李楊等[7]通過(guò)搭載氣溶膠采樣裝置和激光粒子計(jì)數(shù)器的無(wú)人機(jī)，分析了秋末冬初重霧霾天氣下北京地區(qū)大氣氣溶膠顆粒物的垂直變化特征。高偉 等[8]利用太陽(yáng)光度計(jì)對(duì)上海地區(qū)城市氣溶膠特征進(jìn)行了觀測(cè)。與其他觀測(cè)手段相比，激光雷達(dá)具有可晝夜連續(xù)觀測(cè)、獲得大氣氣溶膠垂直分布廓線(xiàn)等優(yōu)勢(shì)。

氣溶膠光學(xué)厚度的增大不僅會(huì)導(dǎo)致地球表面變暗，邊界層高度發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)流層溫度的變化。輻射傳輸模型顯示在不同高度的氣溶膠具有不同的加熱速率，且會(huì)對(duì)季風(fēng)時(shí)期的區(qū)域氣候產(chǎn)生影 響[9]。有研究顯示，有超過(guò)50%的氣溶膠會(huì)被抬升到高海拔地區(qū)，粗顆粒物對(duì)漂浮層氣溶膠層和氣溶膠柱濃度都有很大貢獻(xiàn)[4]。因此對(duì)氣溶膠的垂直分布及氣溶膠性質(zhì)的研究具有重要意義。

1 儀器與測(cè)量

金華位于我國(guó)的東南部，屬于長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)帶。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，長(zhǎng)三角地區(qū)成為全國(guó)霧霾較嚴(yán)重的區(qū)域之一。金華地區(qū)地形復(fù)雜，海拔差異較大，氣溶膠成因復(fù)雜。為了獲取金華地區(qū)大氣氣溶膠的垂直分布情況，在浙江師范大學(xué)（119.65N，29.14E）設(shè)立激光雷達(dá)觀測(cè)站點(diǎn)（見(jiàn)圖1），進(jìn)行每天24 h，一周7 天的連續(xù)觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間從2013 年5 月至2014年6 月。在金華站點(diǎn)觀測(cè)使用的激光雷達(dá)是雙波長(zhǎng)米偏振拉曼激光雷達(dá)（Dual-wavelength Mie Polarization Raman Lidar，簡(jiǎn)寫(xiě)作DMPRL）。圖2 給出了DMPRL系統(tǒng)的示意圖。該激光雷達(dá)使用Nd-YAG 激光器，有532 nm 和1064 nm 兩個(gè)波長(zhǎng)，接受通道有4 個(gè)，分別是1064 nm 彈性散射通道、607 nm 拉曼散射通道以及532 nm 垂直、532 nm 平行兩個(gè)偏振通道。表1給出了該雷達(dá)系統(tǒng)詳細(xì)的系統(tǒng)參數(shù)。

圖2 DMPRL 結(jié)構(gòu)

修正過(guò)幾何因子的激光雷達(dá)才能夠精確獲得近距離的探測(cè)信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法可以確定激光雷達(dá)的幾何因子。該方法假定大氣是水平均勻的，在一定距離，激光束在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)完全重疊，即大氣的后向散射光完全進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)[10]。

2 反演方法及結(jié)果

2.1 大氣邊界層

大氣邊界層位于對(duì)流層底部，其高度受到地球表面的強(qiáng)烈影響。影響邊界層發(fā)展的因素有很多，例如局部熱源和動(dòng)力強(qiáng)迫，以及在天氣尺度上的強(qiáng)迫。局部強(qiáng)迫的變化（例如表面溫度）會(huì)導(dǎo)致大氣邊界層在空間和時(shí)間上的變化。大氣中的氣溶膠主要在邊界層內(nèi)部分布和擴(kuò)散[11]。邊界層高度和地面氣溶膠濃度具有明顯的負(fù)相關(guān)，且較低的邊界層不利于大氣中氣溶膠的擴(kuò)散[12-13]。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)探測(cè)手段，通過(guò)獲得的氣溶膠垂直廓線(xiàn)，以氣溶膠為示蹤物間接判斷大氣邊界層高度。目前已有的大氣邊界層激光雷達(dá)反演方法有梯度法[14]、小波協(xié)方差變換法[15-16]、歸一化梯度法[17]等。梯度法是比較常用的大氣邊界層識(shí)別方法，表述為公式（2）。大氣邊界層響應(yīng)地球表面強(qiáng)迫的時(shí)間尺度通常約為1 h 或者更短[18]，降低高時(shí)間分辨率激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率，對(duì)大氣邊界層的識(shí)別能產(chǎn)生更為良好的效果。

式中：P(z)為激光雷達(dá)接收高度z 處大氣的后向散射回波功率，W；K 為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)，W·km3·sr。DEV(z)廓線(xiàn)最小值對(duì)應(yīng)的高度就是大氣邊界層的高度。

使用梯度法對(duì)2013 年8 月3 日金華邊界層 532 nm 波長(zhǎng)激光雷達(dá)探測(cè)的通道距離校正信號(hào)（RCS）進(jìn)行反演，結(jié)果如圖3 所示。在00:00 到08:00時(shí)間內(nèi)，邊界層處在0.3 km 左右，并且隨時(shí)間變化不大。氣溶膠主要集中在0.3 km 以下，原因是夜間穩(wěn)定邊界層的存在。在08:00 到12:00 左右，邊界層高度逐漸變高，從0.3 km 升高到0.8 km 左右。在08:00前后，日出導(dǎo)致到達(dá)地面的短波輻射增強(qiáng)，地面逆溫被破壞，邊界層對(duì)流得到發(fā)展。在12:00 到20:00 左右，邊界層高度從0.8 km 降低到0.3 km 左右。在這段時(shí)間，隨著太陽(yáng)輻射的減弱，地面長(zhǎng)波輻射逐漸衰弱，使得邊界層高度變低。在20:00 之后的夜間，氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，這主要是因?yàn)榘滋煜蛏陷斔偷臍馊苣z仍舊存在殘留層中。

圖3 金華2013 年8 月3 日大氣邊界層（黑色實(shí)線(xiàn)） 的激光雷達(dá)識(shí)別結(jié)果

2.2 性質(zhì)分析

大氣氣溶膠的垂直分布不僅在大氣邊界層以?xún)?nèi)，還會(huì)出現(xiàn)在邊界層以上的懸浮氣溶膠層。邊界層內(nèi)氣溶膠主要受地面影響，邊界層外氣溶膠可能來(lái)自于外來(lái)源的傳輸。不同高度的氣溶膠層可能呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。利用激光雷達(dá)探測(cè)的氣溶膠消光系數(shù)、退偏振比、顏色比和氣溶膠光學(xué)厚度可以描述其性質(zhì)。退偏振比（volume depolarization ratio，VDR）可以反映氣溶膠的形狀，沙塵與其他種類(lèi)氣溶膠的退偏振比不同，可以作為一種有效手段識(shí)別沙塵[6]。顏色比（attenuated color ratio，ACR）可以表征氣溶膠粒子相對(duì)大小。氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth， AOD）表示的是氣溶膠的消光能力，分別可以寫(xiě)作：

式中：RCS@1064 nm 表示1064 nm 通道的距離校正回波信號(hào)；RCS@532 nm 表示532 nm 通道的距離校正回波信號(hào)；RCS@532 nm⊥和RCS@532 nm 分別表示532 nm 的垂直和平行通道的距離校正信號(hào)；z1和z2表示消光積分的高度上下限；α 表示大氣氣溶膠消光系數(shù)。

圖4 給出了2013 年10 月13 日和12 月31 日激光雷達(dá)的垂直觀測(cè)結(jié)果，主要有532 nm 距離校正信號(hào)、顏色比和退偏振比。在這兩天中，大氣氣溶膠均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，一部分氣溶膠位于1.5 km 以下，主要集中于邊界層內(nèi)。位于1.5 km 以上的氣溶膠層則位于對(duì)流層的自由大氣層中。在圖4 中2 km 處有一層漂浮氣溶膠，厚度在1 km 左右，隨著時(shí)間發(fā)展有下降的趨勢(shì)。近地面受到地面源的影響，一直存在氣溶膠層，且濃度持續(xù)相對(duì)較高。相比兩層氣溶膠，退偏振比和顏色比都表現(xiàn)出較大差異。圖 5 中，在 2~5 km 之間，也出現(xiàn)了明顯的氣溶膠層，退偏振比和顏色比都區(qū)別于背景值。

圖4 金華大氣的垂直觀測(cè)結(jié)果

圖5 金華大氣垂直結(jié)構(gòu)分布特征

對(duì)2013 年10 月13 日和12 月31 日兩天00:00—08:00 時(shí)間段中上下兩層氣溶膠層分別求退偏振比和顏色比的平均值以及每層的光學(xué)厚度，圖5 給出了反演結(jié)果。由光學(xué)厚度的分布情況可知，大氣中的氣溶膠主要集中在邊界層內(nèi)。在圖5a 中，下層氣溶膠層的顏色比位于0.3~0.4 之間，上層氣溶膠層的顏色比位于0.2~0.3 之間，且都穩(wěn)步變大，說(shuō)明在這天中不同高度氣溶膠層中的氣溶膠體積都隨時(shí)間逐步增長(zhǎng)。下層氣溶膠層的顏色比始終大于0.3，而上層氣溶膠層的氣溶膠層始終小于0.3，說(shuō)明下層氣溶膠層中的氣溶膠顆粒大小相對(duì)于上層較大。下層氣溶膠層的退偏振比逐漸從0.03 下降到0.02，而上層氣 溶膠層的相對(duì)穩(wěn)定，一直處于0.02 附近。說(shuō)明邊界層內(nèi)氣溶膠隨著時(shí)間推移，形狀發(fā)生了變化，邊界層外氣溶膠形狀變化不大。在0 點(diǎn)至4 點(diǎn)，下層氣溶膠的退偏振比大于上層氣溶膠，而后兩層氣溶膠的退偏振比相當(dāng)，可能是由于地面的輻射冷卻和地面源的排放造成的。在圖5b 中，上下兩層氣溶膠的顏色比都穩(wěn)定在0.3 附近，上下層氣溶膠顆粒大小相近。下層氣溶膠層的退偏振比為0.06，而上層氣溶膠層的退偏振比為0.1，說(shuō)明兩層氣溶膠層中的氣溶膠性質(zhì)不同。上層的氣溶膠很可能是來(lái)自于高空傳輸?shù)纳硥m。文獻(xiàn)中對(duì)印度坎普爾的研究結(jié)果也顯示，傳輸?shù)拇诸w粒物會(huì)增加飄浮氣溶膠層中的氣溶膠[4]。Zhang 等[19]、Han等[20]分別對(duì)金華區(qū)域以及南京區(qū)域的研究結(jié)果顯示，邊界層內(nèi)與邊界層外氣溶膠性質(zhì)也會(huì)呈現(xiàn)出差異。高空氣溶膠傳輸過(guò)程很難被傳統(tǒng)觀測(cè)手段捕捉或連續(xù)監(jiān)測(cè)，而激光雷達(dá)能夠很好地探測(cè)到垂直方向氣溶膠的傳輸和擴(kuò)散過(guò)程。氣溶膠在空中的存留時(shí)間主要受到氣象條件內(nèi)在性質(zhì)的影響，不同高度的氣溶膠會(huì)產(chǎn)生不同的加熱速率，分析氣溶膠層的垂直分布情況及其性質(zhì)，有助于減少氣溶膠輻射強(qiáng)迫的不確定性[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

激光雷達(dá)能夠很好地反應(yīng)大氣中氣溶膠的分布情況，是大氣垂直探測(cè)的有效手段。大氣中氣溶膠在垂直方向上可能會(huì)存在分層的情況，邊界層內(nèi)是大氣氣溶膠的集中區(qū)域，因此對(duì)大氣邊界層的反演是很有必要的。在利用激光雷達(dá)對(duì)大氣邊界層的反演過(guò)程中，由于氣溶膠與云相互作用，邊界層變化情況比較復(fù)雜，自動(dòng)反演仍需要更好的方法。大氣中氣溶膠可以通過(guò)退偏振比、顏色比等參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述與區(qū)分，其高度分布特征和性質(zhì)都是重要的大氣參數(shù)。對(duì)大氣中氣溶膠的大小，形狀等信息的反演將有利于對(duì)氣溶膠的來(lái)源、傳輸及演化情況進(jìn)行分析。