基于侧向后向拉曼散射激光雷达技术的气溶胶消光系数廓线变化规律探测研究

Aerosol is the main component of air pollutiom PM2.5 and haze and play a important role in earth-atmosphere system radiation balance by direct and indirect effect.So it is a hot area in the research of environment pollution and climate change.By now, aerosol is less known, the key reason is the lack of fundamental observed data, specially vertical distribution information.Side-scatter lidar is without geometric form factor, and has good measurement precision in near range.Combined together with side-scatter, backscatter and Raman lidar,the aerosol extinction coefficient from surface to troposphere and water vapor in planetary boundary layer can be measured precisely.The technique of side-scatter lidar is developing in the world.Based on the experience of our project group in lidar technique and measuring aerosol, the new lidar system including side-scatter backscatter and Raman technique can be developed.The law of the profile of aerosol extinction coefficient from ground and the relationship between the profiles of extinction coefficient and water vapor can be revealed after long-period experimental data and statistic analysis.This resarch is the first time in China, and can provide scientific reason for controlling air pollution and studying aerosol transportation in horizontal and vertical direction.

气溶胶一方面是污染物PM2.5和灰霾的主要成分；另一方面通过直接和间接辐射效应对地球-大气辐射收支起重要作用，故它是环境污染和气候变化研究中的热点领域。目前人们对它认知程度还较低，其重要的原因是缺乏基础观测数据，尤其是垂直分布的信息。侧向散射激光雷达技术没有几何因子影响，极大地提高了近距离的测量精度。集成侧向、后向和拉曼散射激光雷达，可以很精确地获得从地面到对流层气溶胶消光系数廓线和边界层内的水汽混合比信息。国内外侧向激光雷达技术都处在研究之中。本项目利用项目组成员在激光雷达技术和激光雷达探测大气气溶胶方面的学术积累，研制融合侧向、后向和拉曼散射三种技术的新型激光雷达系统。通过大量的观测和数据统计分析，揭示从地面开始的气溶胶消光系数廓线时空统计分布规律；气溶胶消光系数廓线与水汽混合比的廓线关系。本项目的研究在国内属首次，可为有效防控空气污染和研究气溶胶在水平和垂直方向上输送提供科学依据。

研制了集侧向、后向和拉曼散射于一体的新激光雷达系统。通过模拟计算优化了系统硬件，气溶胶探测范围从地面至对流层顶，水汽探测范围达3公里以上。对于CCD探测，进一步检验了不同的相机焦距、不同的相机到光束距离参数下，实测侧向激光雷达信号的高度一致性。对同时同地探测到的大气后向散射系数、相对湿度和PM2.5质量浓度数据进行拟合，得出了他们三者之间的拟合关系式。其中比例系数与气溶胶的种类、谱分布、折射率指数等因素有关，拟合结果与实际结果符合很好。进一步完善了反演软件，实现了自动化和可视化。新系统研制后，从2016年6月至2019年12月期间，共进行了270个夜晚（包括少数白天）的大气探测。并对2017年1月至2018年12月期间探测数据进行反演和统计分析，得到了如下结果：气溶胶消光后向散射系数比平均值为68.4 sr及随月份的分布规律；水汽混合比季平均高度廓线；气溶胶消光系数月平均、季平均和年平均高度廓线。本系统可以精确、完整地探测对流层气溶胶消光系数的高度廓线；且获取了2年合肥地区气溶胶的统计结果。这一系统和这些结果，对研究合肥地区气溶胶时空变化规律具有十分重要的应用价值，并为大气污染防控提供科学依据。