大气气溶胶微物理及吸湿特性的激光雷达探测方法与实验观测研究

The formation of pollution weather is closely related to the distribution of aerosol microphysical parameters within the atmospheric boundary layer. The research, about the vertical distribution of aerosol microphysical properties and the corresponding atmosphere temperature and the relative humidity, is important for us to investigate the formation of pollution weather, such as fog and haze. We propose to study the distribution of aerosol microphysical properties and hygroscopic growth properties using multi-parameter lidar in the subject. The key research includes that, fine detection technology and method of aerosol optical properties for acquiring independent optical parameters of aerosol using multi-wavelength, Raman and hyper-spectral lidar, the inversion algorithm research of aerosol micro-physical characteristic parameters such as aerosol size distribution, shapes and complex refractive index, and aerosol hygroscopic growth research based on the temperature and humidity profiles of Raman lidar. Finally, the experimental data of muti-lidar, that are the multi-wavelength polarization lidar, near-infrared hyper-spectral lidar and Raman lidar for atmosphere temperature and humidity profiles, is integrated. And then we study the vertical distribution of aerosol micro-physical parameter and hygroscopic growth character, and expect to get the new research idea and solution for them. The research project will be significant for atmospheric environmental monitoring and atmosphere pollution forecast, and can also provide scientific data and technical support for the research about the formation and dissipation of pollution weather.

污染天气的形成与边界层内气溶胶微物理参数分布特征密切相关，研究气溶胶微物理特性及其与温湿度相关的吸湿特性的垂直分布变化规律，对研究雾霾等污染天气的形成有重要意义。本课题提出基于多参量激光雷达探测研究高时空分辨率的气溶胶微物理及吸湿特性。重点研究：多波长及拉曼和高光谱激光雷达气溶胶精细探测技术与方法，以获得独立的多波长光学参量精确值；气溶胶粒子谱、复折射率和形状等微物理特征参数的精细反演算法；结合拉曼温湿度探测雷达的实时温湿度廓线数据，分析气溶胶光学特性与大气温湿度的相关性及气溶胶微物理参量的吸湿性增长特性。最终融合多波长偏振激光雷达、近红外高光谱激光雷达、拉曼温湿探测激光雷达的实测数据，分析与研究不同高度上气溶胶吸湿性增长规律及垂直分布特征，以期为气溶胶微物理和吸湿性增长研究提供新的研究思路和解决方法，研究成果将为大气环境监测、污染预报及研究污染天气的形成和消散提供技术支持和数据保障。

气溶胶微物理特性及其相关的温湿度垂直变化特性是影响雾霾等污染天气发生发展变化的重要因素。本项目设计和研发了一套多波长-偏振-拉曼激光雷达实验系统，可以实现355nm、532nm及1064nm米散射信号及387nm和607nm两个拉曼波长信号的探测，并可以获取532nm的气溶胶退偏比信号。研究了米散射信号及拉曼信号反演气溶胶光学参量的方法，同时重点研究了利用多波长信号获取气溶胶粒子谱及微物理参量的反演算法和优化手段，设计了基于正则化方法和主成分分析方法的气溶胶微物理参量反演算法，针对没有拉曼信号的多波长光学参数，提出了基于正则化算法和粗模态粒径先验值相结合的微物理参量反演方法；研究了偏振激光雷达系统的校正系数与方法，实现了退偏比的高精度校正。. 利用依据本项目建成的多波长拉曼激光雷达实验系统，对西安市区的气溶胶垂直分布情况进行了长时间的观测与研究，观测到了西安地区的多个雾霾过程；基于已经开发的数据反演算法，反演得到了垂直高度上的多波长光学参数变化特征，同时得到了微物理参量的垂直变化特征，分析了雾霾天和非雾霾天的垂直变化规律，同时利用后向轨迹软件对雾霾天不同高度上的气溶胶来源进行了分析。利用气溶胶粒径谱仪、能见度仪、太阳光度计、气象站等现场仪器获取的数据综合研究分析了西安地区雾霾发生时的气溶胶吸湿性增长规律和特性。利用实验室已有的温湿度探测激光雷达，获取得到大气温湿度廓线，并与气溶胶微物理参量廓线进行了比对分析和研究。