利用拉曼偏振激光雷达对沙尘垂直分布特征的观测研究

An accurate estimate of dust vertical structure is a strong indications for exploring the variation of optical properties and long range transport mechanism of dust. However, the Mie-Polarization lidar systems are the main approach for the measurement of dust over northwest China, which need the assumption of lidar ratio when the optical properties were retrieved, and resulting in large error. Relying the advantage of Raman lidar which can unique determine the lidar ratio. In our project, we plan to upgrade the Raman-Polarization lidar system based on our previous work. Then, the campaign of long-term and continuous precision measurement for dust at Zhangye site around desert source region will be carried out using Raman-Polarization lidar. The implementation of this project will enrich the database of dust based on lidar observation in Northwest China, and enhance the retrieve precision of physical-optical properties and vertical distribution of dust, also further study and explore the variation of physical-optical properties and distribution for dust with seasonal and annual scale, to provide the necessary reference for improving the simulation capability of dust numerical models in this region.

沙尘垂直结构的准确估计对揭示沙尘物理光学特性的变化规律，远距离传输机制有很强的指示意义。然而，当前我国西北地区沙尘垂直结构的激光雷达探测主要以米散射偏振系统为主，反演光学特性时需要假定激光雷达比(Lidar Ratio)，从而造成大的反演误差。凭借拉曼偏振激光雷达系统能够唯一确定激光雷达比的优势，本项目将在现有工作基础上，完成拉曼偏振激光雷达系统的升级调试，在沙尘源区附近的张掖气候观测站开展沙尘的拉曼偏振激光雷达长期连续精细观测，丰富我国西北地区沙尘的激光雷达资料集，提高沙尘物理光学特性及其垂直分布的反演精度，进一步研究和揭示沙尘物理光学特性及其垂直分布特征随季节和年际的变化规律，为提升沙尘数值模式在该区域的模拟能力提供必要的参考依据。

沙尘垂直结构的准确估计对揭示沙尘物理光学特性变化规律，进而评估其气候效应有重要意义。然而，当前我国西北地区沙尘垂直结构的激光雷达探测资料稀少，已有的米散射激光雷达在数据反演中导致大误差。本项目通过对兰州大学半干旱气候与环境观测站已有的双波段偏振激光雷达系统进行拉曼通道升级，并且开展大气气溶胶的长期连续精细观测，获得了记录大气气溶胶物理光学特性及其垂直结构的高质量数据集；发展了激光雷达系统数据大气特征层自动识别反演算法，并实现了气溶胶类型的区分，进一步清晰刻画了该地区大气垂直结构的时空分布特征。主要成果如下：（1）自动反演算法主要包括四个部分：1）计算退偏比和散射比；2）检测大气特征层；3）区分大气特征层类型；4）修订大气特征层及其分类。首先，通过在算法中建立散射比和线性退偏比随高度变化的阈值检测出大气特征层；其次，通过建立后向散射系数和线性退偏比散点关系经验阈值，并结合大气热力/动力状态参数，进一步将已检测到的大气特征层分类为气溶胶，水云，冰云和混合相云。（2）基于2010年，2011年和2012年分别在民勤，SACOL和敦煌站点开展的春季加强观测试验资料，统计分析了沙尘气溶胶发生频率、物理光学特性的时空分布特征。结果表明：无论是近地表沙尘层还是被抬升沙尘层，其消光系数在0.25-1.05km-1，而退偏比分布在0.24-0.40；三个站点的沙尘发生频率均高于88%，四月的沙尘发生频率最高；垂直结构显示沙尘层最高可传输至7.8-9km，甚至更高；而最强的沙尘层往往出现在边界层内，随着高度增加，沙尘层的强度和发生频次依次减小。利用光学厚度和AE指数的团簇关系显示，越靠近沙尘源区，其分布浊度越低，而受人类活动影响大的站点其浊度最高。再一次说明了当人类活动影响显著时，沙尘与其他类型气溶胶的混合情况也变得复杂。上述结果将进一步为提升沙尘数值模式在该区域的模拟能力提供必要的参考依据。