大气灰霾微物理参数多波长拉曼激光雷达探测研究

Atmospheric haze pollution is one of the urgent environmental problems needed to be resolved at present, which has great harm and effect to our country's economic development and people health. The present domestic study of haze pollution just begin, and the study on the microphysical character parameters and spatial distribution of atmospheric haze particle is lacked, especially lacking of long-term observation data, however the microphysical parameters such as particle size spectrum, single scattering albedo, etc. and vertical profile is the key parameters of the study on the mechanisms and optical prediction model of haze pollution. Thus, the study on atmospheric haze's microphysical parameters using lidar has important scientific significance and practical value. .Beginning with the (aerosol) theoretical background, basing on Mie scattering theory and Ferdholm theory, analyzing the function of microphysical parameters with optical parameters, the inversion method of haze microphysical parameters is established. And basing on characteristics of haze particles, the method of recognition and characterization of haze particles is established. Durning the study, the multi-wavelength Raman lidar is designed and developed for the observation of haze particles extinction, depolarization ratio, and water vapor mixing ratio, and then the microphysical parameters of haze will be continuously retrieved and studied, furthermore the statistical characteristics of the haze's microphysical parameters and optical parameters on the HeFei area are studied.

大气灰霾是亟待解决环境问题之一，其已经对我国经济发展和人民健康造成严重影响和危害。目前国内对灰霾污染的研究刚起步，缺乏对灰霾微物理特性和垂直空间分布的研究，尤其是长期的时空分布观测研究，而灰霾的微物理参数（粒径谱、单次反照率等）及其垂直时空分布信息的是灰霾污染机理研究和灰霾预测模型的关键输入参数。因此，开展灰霾微物理参数遥测研究具有重要科学意义和应用价值。.本课题从理论背景研究着手，根据颗粒物Mie散射理论和Fredholm理论，分析微物理参数与光学参数间的函数关系，建立大气灰霾微物理参数的反演方法；根据灰霾粒子的特性，建立激光雷达大气灰霾遥感识别和表征方法；设计适用于大气灰霾微物理参数研究的多波长拉曼激光雷达，对大气灰霾多波长的消光系数、退偏振比以及大气水汽混合比等参数进行准确测量反演，实现灰霾微物理参数连续观测研究，开展合肥地区大气灰霾光学参数和微物理参数垂直分布廓线统计特征研究。

大气灰霾污染是多种污染物相互作用形成的一种复杂污染天气过程，已对经济发展和人民健康造成严重影响和危害，是当前城市环境污染中亟待解决的问题之一。.本项目设计和研制了多波长拉曼光雷达系统，实现对大气灰霾颗粒物5个波长6通道高时空分辨率的观测。数据反演方法上，对反演过程中影响数据反演的因素进行分析研究，改进和优化了大气灰霾气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏振比等反演算法，开展了激光雷达不同探测高度数据拼接方法、数据反演动态参考高度选取方法、激光雷达反演过程中云对数据反演的影响、激光雷达背景噪声去除算法等方面的研究，形成大气灰霾后向散射系数、消光系数、退偏振比、Angstrom指数的高精度反演方法，完成自动在线反演软件，同时通过数值模拟和理论分析，对激光雷达数据反演的敏感性进行了分析研究。重点研究了水汽混合比、颗粒物粒径谱时空分布的反演方法，建立大气灰霾微物理参数反演方法，为了验证了多波长拉曼激光雷达对水汽浓度垂直廓线遥感探测的准确性，开展了水汽探测数据和地面水汽监测数据的对比验证实验。.2014年9月开始对合肥地区大气颗粒物时空分布特征进行连续观测实验，初步分析了合肥地区灰霾颗粒物时空分布特征，结果表明合肥地区首要污染物依然是颗粒物污染，输入性颗粒物污染过程明显，大气灰霾颗粒物分布在3km以下的空间中，主要集中在1.5km以下空间，具有一定季节变化特征。2014年9月1日-2015年8月31日期间，共观测的明显输入过程是29次，输入后导致地面层PM10和PM2.5的质量浓度小时均值迅速升高，全年大约有73天污染天气和输入性污染相关，此外合肥地区灰霾颗粒物空间分布特征表现为，颗粒物浓度随着高度增加而逐渐增加，高度浓度区域常常出现在大气边界层顶部，说明高空灰霾现象发生频繁。