鄧孟珂，田鵬飛，蔡娜佳，楊夢兮，李 由

(泰州市氣象局，江蘇 泰州，225300)

0 引言

雖然激光雷達的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，使用也很廣泛，但是針對不同區(qū)域，仍然需要進行必要的數(shù)據(jù)驗證工作，以證明其在粒子光學(xué)特性探測方面的可靠性。利用環(huán)境監(jiān)測的PM10、PM2.5等數(shù)據(jù)，可以對激光雷達返回的各項產(chǎn)品進行可靠性驗證，包括消光系數(shù)、退偏振比、氣溶膠光學(xué)厚度和邊界層高度。

本文反演氣溶膠垂直消光系數(shù)使用Fernald后向積分法。在對流層和平流層內(nèi)，大氣氣溶膠粒子的組成和尺度譜分布比較穩(wěn)定，不隨高度變化，氣溶膠粒子的光學(xué)特性僅來源于其疏密度隨高度發(fā)生的改變。對532nm波長的激光進行反演時，氣溶膠的消光后向散射比Sa設(shè)定為50，而532nm波長的氣溶膠消光邊界值σa(re)由氣溶膠散射比為1.01來確定[1]。

1 大氣消光系數(shù)

1.1 消光系數(shù)垂直廓線

以激光雷達在2018年的532nm波段觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Fernald后向積分法來反演氣溶膠垂直消光系數(shù)。將反演所得消光系數(shù)按月做平均處理，得到每個月的消光系數(shù)高度廓線圖。由于1月和2月部分數(shù)據(jù)缺失，激光雷達的完整觀測數(shù)據(jù)從3月開始，畫出了2018年3—12月的10張消光系數(shù)廓線圖。消光系數(shù)廓線圖的橫坐標軸表示消光系數(shù)強度，縱坐標軸表示高度，從精度上考慮，將垂直高度定為5km以下。

以3月觀測結(jié)果為例，2018年3月的近地面消光系數(shù)平均值為0.166km-1，消光系數(shù)從近地面開始迅速升高，在320m左右達到最大值，峰值0.79km-1，然后瞬時減小，1km以上的高度層消光系數(shù)變得很小，且變化較為平緩。1～2km的高度層上有兩個小的凸起。

總的來說，大氣消光系數(shù)垂直廓線的變化趨勢是接近的，從近地面開始增大，在1km左右高度達到峰值，這就是邊界層的所在。從數(shù)據(jù)上來看，4月、11月和12月大氣消光系數(shù)較高，8月、9月和10月較低。

1.2 反演結(jié)果驗證

為了驗證反演的消光系數(shù)的可靠性，需要用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。已經(jīng)有研究顯示，實測的PM2.5、PM10與消光系數(shù)存在相關(guān)性；而現(xiàn)在臺站所用的前向散射能見度儀的原理是通過測量大氣透明度，即消光系數(shù)，來計算大氣能見度；因此，本文選用實測的PM2.5、PM10和能見度數(shù)據(jù)來驗證反演的消光系數(shù)。

將2018年泰州國家氣象觀測站的實測能見度的月平均值和反演的近地面處消光系數(shù)的月均值做相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。近地面處，能見度和消光系數(shù)具有較好的指數(shù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R為-0.71, 兩者顯著負相關(guān)，能見度越高，消光系數(shù)越低。

將2018年P(guān)M2.5、PM10的月平均值分別和地面處消光系數(shù)的月均值做相關(guān)分析，結(jié)果如圖3所示。近地面處PM2.5、PM10的濃度和消光系數(shù)均具有較好的冪相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R分別為0.796、0.823。在一定程度上驗證了激光雷達在氣溶膠消光特性探測中的有效性。

2 消光系數(shù)和退偏振比的時空分布

消光系數(shù)的垂直廓線反映的是大氣的瞬時變化。通過連續(xù)觀測，激光雷達每6min采集一次數(shù)據(jù)，也就是說6min就可以生成一張垂直廓線圖。使用Matlab軟件的繪圖功能，可以將這些廓線按時間順序排列起來，通過色塊表示消光系數(shù)的大小，就可以得到大氣消光系數(shù)的時空分布。圖4為2018年全年消光系數(shù)的時空分布，橫軸表示時間，縱軸高度設(shè)定為8km。色標由藍色向紅色變化，反映了大氣消光系數(shù)的強弱。顏色越紅，表示消光系數(shù)越高。配合分析退偏振比的分布，能夠更為準確地分析氣溶膠、云和沙塵的分布及演化。

綜合分析，大氣消光系數(shù)時空分布可以直觀地反應(yīng)大氣中氣溶膠的分布狀況。從定性角度分析，4月、9月和10月近地面的氣溶膠分布較少，11月和12月的分布較多，這與消光系數(shù)的廓線分布狀況是吻合的。

3 邊界層

3.1 邊界層高度識別

地面是產(chǎn)生氣溶膠的主要源地，邊界層緊臨地面，氣溶膠(如塵埃、煙、霧等)在該層濃度高，消光系數(shù)也最高。從消光系數(shù)垂直變化可以看出，消光系數(shù)在1km高度附近會發(fā)生突變，速率發(fā)生急劇變化，這個高度可以定為大氣氣溶膠混合層高度，即邊界層高度。跟自由大氣相比，邊界層大氣內(nèi)氣溶膠濃度較高且氣溶膠分布受下墊面和天氣變化影響明顯，通過計算反演的消光系數(shù)的垂直遞減率，將垂直遞減率在1km左右急劇變化的高度定為混合層高度，即邊界層高度[2]。

此前的研究中，邊界層高度確定主要是斜率法，本文所用的是圖像識別法[3-4]。圖像識別是對物體和背景間灰度之間某種不連續(xù)或突變性的一種識別方法。傳統(tǒng)的斜率法對噪聲都較為敏感，近年來，不斷改進的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論使其在檢測圖像邊緣的連續(xù)性及方向性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)方法，既能有效地消除噪聲，又可以保留圖像中的原有細節(jié)信息?；跀?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像識別法檢測大氣邊界層高度的主要步驟如圖5所示。

圖6為4種不同天氣下，消光系數(shù)垂直分布，黑線位置為識別的邊界層高度。圖6.a和6.b分別為晴天和霧(霾)天氣的邊界層反演結(jié)果?？梢钥闯?，晴天的邊界層高度明顯高于霧(霾)天氣。圖6.c和6.d分別為系統(tǒng)性降水和陣性降水天氣時邊界層反演結(jié)果。

3.2 邊界層計算結(jié)果驗證

提取反演的邊界層高度數(shù)值，將邊界層高度按月求平均，圖7表示2018年邊界層高度的月平均變化。通過計算，2018年邊界層平均高度930m。3月份的邊界層平均高度最低，為696.4m；10月份的邊界層平均高度最高，達到1277m。跟據(jù)計算的邊界層變化可以簡單判斷大氣氣溶膠的分布高度，一般而言，氣溶膠在邊界層高度以下含量較高，分布不均勻，對天氣狀況和大氣湍流的變化敏感，按分類主要是霧、霾、沙塵及粉塵等。邊界層高度以上氣溶膠含量大幅減小，因此一般情況下在消光系數(shù)垂直廓線中，邊界層高度以上消光系數(shù)峰值區(qū)可判斷為云層[5]。

如圖8所示，將2018年邊界層高度的均值，和同期空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：邊界層高度與PM10和PM2.5存在負相關(guān)。相關(guān)系數(shù)分別為-0.55和-0.48，分別通過了α=0.05和α=0.1的顯著性檢驗。

4 氣溶膠光學(xué)厚度

4.1 氣溶膠光學(xué)厚度的計算

氣溶膠光學(xué)厚度，英文縮寫為AOD(Aerosol Optical Depth)或AOT(Aerosol Optical Thickness)，定義為消光系數(shù)在垂直方向上的積分，是描述氣溶膠對光的削減作用的物理量[7]。作為氣溶膠最重要的參數(shù)之一，表征著大氣渾濁程度，也是確定氣溶膠氣候效應(yīng)的重要因素。氣溶膠光學(xué)厚度能夠很好地反映氣溶膠的垂直變化，通過調(diào)整垂直方向高度，還可以解析不同高度層的貢獻，從而發(fā)現(xiàn)不同高度層之間污染物水平的高低。

通常光學(xué)厚度值越高表示氣溶膠縱向積累增長越明顯，大氣能見度也將越低。氣溶膠光學(xué)厚度公式：

式中：αα(z,λ)表示氣溶膠在高度Z上面的消光系數(shù)，根據(jù)反演的氣溶膠消光系數(shù)的結(jié)果，將消光系數(shù)在垂直方向上積分，再將積分結(jié)果按月求平均，得到3—12月的氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)。

4.2 氣溶膠光學(xué)厚度結(jié)果驗證

根據(jù)圖9所示，2018年6月、8月和12月的光學(xué)厚度值較高，3月、9月和10月較低。12月光學(xué)厚度較高可能是因為2018年秋冬空氣層結(jié)較為穩(wěn)定，冷空氣一直未南下，導(dǎo)致泰州地區(qū)在11—12月出現(xiàn)了連續(xù)的霧(霾)天氣。而夏季的光學(xué)厚度較高可能是因為夏季用電量的增加，導(dǎo)致火電廠發(fā)電量增加，加上農(nóng)民燃燒秸稈導(dǎo)致。

如圖10將2018年的氣溶膠光學(xué)厚度和PM10、PM2.5做相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光學(xué)厚度與兩者的濃度均存在良好的線性相關(guān)。相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.69，通過了α=0.05的顯著性檢驗。

如圖11將2018年的氣溶膠光學(xué)厚度和能見度均值等做相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光學(xué)厚度和能見度存在負相關(guān)。相關(guān)系數(shù)為-0.476，通過了α=0.1的顯著性檢驗。

5 小結(jié)

(1)由DPWL激光雷達反演的消光系數(shù)垂直廓線和時空分布分析可見，大氣消光系數(shù)垂直變化趨勢是接近的，從近地面開始增大，在1km左右高度達到峰值，這就是邊界層的所在。從數(shù)據(jù)上來看，4月、11月和12月大氣消光系數(shù)較高，8月、9月和10月較低，與地面環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的大氣污染物變化基本一致。

(2)DPWL激光雷達反演的消光系數(shù)和能見度在近地面處具有較好的相關(guān)指數(shù)，相關(guān)系數(shù)R為-0.71；近地面處PM2.5、PM10的濃度和消光系數(shù)均具有較好的冪相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R分別為0.796、0.823，驗證了探測數(shù)據(jù)在觀測消光粒子性質(zhì)方面的有效性。

(3)DPWL激光雷達探測的氣溶膠光學(xué)厚度與PM2.5、PM10濃度有線性正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.72；氣溶膠光學(xué)厚度與能見度負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.476。邊界層高度與PM2.5、PM10存在顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R分別為-0.55和-0.48。驗證了探測數(shù)據(jù)在辨別大氣消光層和不同高度大氣消光系數(shù)的可靠性。