第27卷5 期第高原气象

第27卷5 期第高原气象

第27卷　第5期高　原　气　象Vol.27　No.5

2008年10月October,

2008PLATEAUMETEOROLOGY文章编号:100020534(2008)0521083205

激光雷达反演参数k值的研究

张文煜,　王音淇,　宋嘉尧,　张　镭,　孙　璐

(兰州大学大气科学学院甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州　730000)

摘　要:采用532nm激光雷达2006,、CE318太阳光度计观测数据,对利用Klett法求解时,k,:只有当0.7≤k≤1.0时,k时,计算出的气溶胶消光系数正;k=0,。:k=0.8时,较合理的数据所占比例为

100%,k84k1.0仅为12%。对兰州市区而言,利用激光雷达分析气溶胶光学特性时,

取k=0.8k=0.9较为合理。

关键词:激光雷达;后向消光对数比k;能见度因子;气溶胶消光系数;太阳光度计中图分类号:P412.25

文献标识码:A

1　引言

气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001～100μm的液体和(或)固体微粒与气体载体组成的多相体系[1]。它在大气中的含量虽然很低,但却扮演着十分重要的角色,近年来大气气溶胶(自然和人为)对全球天气和气候的影响已被许多学者进行了研究。了解气溶胶的各种特性,如质量浓度、尺度谱、垂直结构、消光系数、光学厚度等,对于认识其在大气中所扮演的角色具有重要意义[2]。地面观测仪器可以得到连续质量浓度,尺度谱和一些物理化学属性,但限制了气溶胶空间分布信息,且不能获得气溶胶的垂直分布[2-3]。同以往的太阳光度计、积分浑浊度仪等相比,激光雷达则可以连续地探测大气边界层中气溶胶粒子的光学特性、时空分布以及大气边界层高度。激光雷达已成为监测气溶胶消光系数垂直分布和垂直方向积分的强有力工具。　　对单波长激光雷达来说,Klett法是目前求解雷达方程较为广泛的方法之一,在求解雷达方程时认为后向散射系数β(r)和消光系数σ(r)有一定的关系,即:

β(r)=Bσk(r),

其中B与后向消光对数比k为常数,k与激光雷达

波长和探测的气溶胶性质有关,范围为0.67≤k≤1.0[4]。许多国内外学者在用以上方法反演气溶胶消光系数时,为了便于计算,通常令k=1。但是,王治华等[5]利用1024nmMie散射激光雷达在阴、雾和晴天3种天气状况下反演气溶胶消光系数的过程中发现,在阴天天气下,当后向散射消光对数比k从0.7变化到1.0时,气溶胶消光系数反演结果相差近5倍;而对晴天天气,反演结果相差近3倍;在有雾天气时,其反演结果变化不大。可见,确定k取值在计算过程中甚为关键,对结果的影响不可忽略。因此,利用在不同天气状况下获得的激光雷达回波信号反演气溶胶消光系数时,k的取值范围与k值的确定值得研究。　　本文选取了在兰州大学校内观测点2006年8月7日～11月29日不同天气状况,经初步订正后的532nm激光雷达观测资料,结合能见度观测资料及标定后的太阳光度计资料,对兰州市区气溶胶后向消光对数比k的取值进行了初步研究。

2　资料选取与处理方法

2.1　雷达方程的反演理论

一次散射的激光雷达方程为

收稿日期:2007206211;改回日期:2007212205

基金项目:甘肃省自然科学基金项目(0710RJZA040);国家自然科学基金项目(40675078);国家重点基础研究发展规划项目

(2006CB400501)共同资助

),男,甘肃陇南人,博士,教授,主要从事大气物理与大气环境研究.E2mail:yuzhang@　　作者简介:张文煜(1964—

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-2

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r

β(r)rexp[-2σ(r′)dr′P(r)=P0C],

∫

(1)

其中:P(r)为高度z处的大气后向散射回波功率(单位:W);P0为发射激光束的功率(单位:W);C为与雷达系统有关的常数(单位:W km3 sr);β(r)和σ(r)分别为高度r处大气的后向散射系数和消光系数(单位:km-1 sr-1和km-1)。

通过对激光雷达回波信号进行距离校正,S(r)=ln[r2P(r)],并根据Klett假定的大气消光系数

k

(r),得和后向散射系数之间存在的关系β(r)=Bσ到一个反演消光系数的稳定解σ(r)=

[4]

气溶胶粒子浓度的垂直分布特征也反映了气溶胶消

光系数的垂直分布趋势,也可作为分析k值正确与否的依据。　　CE318太阳光度计能自动跟踪太阳进行太阳辐射测量,从而反演计算气溶胶光学厚度。　　气溶胶光学厚度可定义为气溶胶消光系数沿垂直路径自上而下的积分[7]:

τ=

σdr,r1r2

1

(4)

:

,c

-1

σ(rc)-src)k]d′(σ1;

12,会得出不同的气溶胶消光系数,从而在积分后得到不同的光学厚度τ值。因此,我们采用兰州大学CE318太阳光度计同期无云观测数据所反演的光学厚度τ0,作为确定k值的另一个依据。

(2)

σ(rc)可以式中的rc为所选区域的最大测量距离。

通过对信号的距离校正曲线S=S(r)进行拟合,由

曲线的斜率算得。　　大气消光系数减去空气分子的消光系数即为气溶胶分子的消光系数。空气分子的消光系数可由美国1976年的标准大气模式中的大气密度廓线及瑞利散射得出。

2.2k值的确定方法　　本文引入了用大气能见度因子来确定气溶胶后向散射消光对数比k。大气能见度Rv与人眼最为敏感的550nm波长大气消光系数σ及人眼的对比度阈值ε(平均值为0.02)[6]关系为

Rv=

图1　气溶胶粒子浓度的高度分布

Fig.1　Aerosolparticleconsistenceprofile

σ

ln

ε

=

σ

ln

=.

σ0.02

(3)

兰州大学所使用的激光雷达的发射波长为532

nm,比较接近人眼所敏感的波长550nm,因此,当已知能见度的范围时,可以根据上式得出该雷达所测量的大气垂直消光系数σ的范围。将之与不同k值(0.3～1.4)下反演出的σ值进行比较,即可确定

k值的范围。

3　分析与讨论

根据日常观测记录的能见度范围及雷达的回波信息(表1),可以分别确定该日气溶胶消光系数的范围,考虑到气溶胶粒子浓度到一定高度后会变得很小,其消光能力也会变得很微弱,故将消光系数的范围最小值定为0.0001。

表2是采用Klett法,分别令k值为0.3～1.4时所得到的k值,通过与表1的对比可以看出:气

对于气溶胶密度的垂直分布,国内外很多学者

很早就做过研究,并得出了一个普遍规律(图1

)。气溶胶粒子浓度与其消光系数成正比关系。因此,

表1　不同天气下的能见度范围及对应的消光系数范围

Table1　Thescopeofvisibilityandextinction

ratiosunderdifferentweather

夏季

8月7日,25日

能见度范围/km对应σ值范围/(1 km-1)

8～300.0001～0.489

秋季

10月9日

3～200.0001～1.304

冬季11月29日

1～130.0001～3.912

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表2　气溶胶后向散射消光对数比k取不同值时所得消光系数的值

Table2　Aerosolextinctioncoefficientofdifferentkindifferentweather

夏季

8月7日,25日

k≤0.6k=0.7k=0.8k

=0.9k=1.0k=1.1k=1.2k=1.3k=1.4

秋季

10月9日

冬季

11月29日

负值

0.000100～0.0009330.000100～0.0474690.000755～0.2019690.004995～0.4855900.003238～1.0745320.5.～12.691126

负值

0.000100～0.0749640.000898～0.3549560.000552～0.6135280.095992～2.5.0.007895～8.8831910.008961～14.052479

负值

0.000142～0.5705780.000264～1.3590060.～2.062486～1.074532～3.8462420.112147～6.2572980.128387～10.4171300.142868～17.269300

图2　k=0.7、0.8时的气溶胶消光系数廓线

(a)8月7日05:53:46,(b)8月25日04:09:21,(c)10月9日23:34:50,(d)11月29日05:37:40

Fig.2　Theprofilesofaerosolextinctioncoefficientwhenk=0.7,0.8.(a)at05:53:46on7August,(b)at04:09:21on25August,

(c)at23:34:50on9October,(d)at05:37:40on29November

溶胶后向消光系数对数比k≤0.6时,计算出的气溶胶消光系数平均值为负值;当0.7≤k≤1.0时,气溶胶消光系数大小与能见度估算出的值相接近;k>1.0时气溶胶消光系数平均值比估算出的值偏大。因此,初步确定k的取值范围为(0.6,1.0]。

当k=0.7时,从计算的结果来看,气溶胶的消光系数大多数为负值。故:取k=0.7,在兰州地区反演消光系数是不合适的。当k=0.8时,曲线的走势较符合气溶胶垂直分布规律;虽然有几天在较高的高度处出现零星负值,但在近地面处却接近当

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图3　k=0.9,1.0时气溶胶消光系数廓线

其余说明同图2

Fig.3　Theprofilesofaerosolextinctioncoefficientwhenk=0.9,1.0.

OthersarethesameasFig.2

地实际值。因此,取k=0.8,对计算近地面处的消光系数较为合适(图2)。　　从图3中可以看到,k=0.9时,气溶胶的消光系数随高度的增加递减,1.5km左右气溶胶消光系数有一极值区,到了2km以上,气溶胶消光系数斜率逐渐减小,k=1.0时的分布规律与前者相似,只是在10km以上的高度处,反演结果同其他k值的反演相比,有明显随高度增大趋势,8月7日、10月9日的值甚至大于近地面处的消光系数,与气溶胶的垂直分布规律差异较大[8]。　　选取标定后的同期CE318太阳光度计的无云观测数据,计算出整层大气的光学厚度,将之与激光雷达在0.195km至标高范围内计算出大气的光学厚度相比较发现:k=0.8时,较合理的数据所占比例为100%;当k=0.9时,为84%;当k=1.0时仅为12%。由于光度计计算的是整层大气的光学厚度,激光雷达则是0.195km至标高范围内大气的光学厚度,故只有当τ-τ0<0,且差异很小

时,故认为激光雷达算出的结果合理。可见k取为

0.8,0.9时较合理(图4)

。

图4　激光雷达与CE318计算出的AOD

差值变化特征

Fig.4　ThemarginofAODcalculated

bylidarandCE318

4　小结

(1)气溶胶后向消光系数对数比k≤0.6时,

计算出的气溶胶消光系数平均值为负值;k>1.0

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时,气溶胶消光系数平均值较能见度因子法计算出的偏大。0.7≤k≤1.0时,气溶胶消光系数的大小与能见度估算出的值接近。

(2)k=0.7时,计算出的气溶胶的消光系数正负参半。故:k=0.7不适合作兰州地区的计算参数。当k=0.8时,虽然较高高度处会出现零星负值,但近地面处却同气溶胶垂直分布规律差异较小。因此,取k=0.8,对计算近地面处的消光系数较为合适。当k=0.9时,消光系数廓线比较符合气溶胶垂直分布规律。当k=1.0时,在晴天无云时,消光系数廓线同实际不符。

(3)比较发现:当k=,100%;当k=0.9时为84%;当k=1.0时仅为12%。

(4)对于兰州地区而言,利用激光雷达分析光学特性时,取k=0.8～0.9较为合理。

参考文献

[1]　盛裴轩,毛节泰,李建国,等.大气物理学[M].北京:北京大

学出版社,2005:26-27

[2]　贺千山,毛节泰.微脉冲激光雷达及其应用研究进展[J].气象

科技,2004,32(4):219-224

[3]　辛金元,张文煜,袁九毅,等.消光法反演腾格里沙漠地区沙

尘气溶胶谱分布[J].高原气象,2004,23(5):654-659

[4]　KlettJD.Lidarinversionwithbackscatter/extinction

ratios[JOptics,,:1638-1643

[5],,,2006,23(3):

[6]　谢晨波,韩永,李超,等,车载式激光雷达测量大气水平能见

度[J].强激光与粒子束,2005,17(7):971-975

[7]　张文煜,辛金元,袁九毅,等.腾格里沙漠气溶胶光学厚度多

波段遥感研究[J].高原气象,2003,22(6):613-617

[8]　奚晓霞,王世红,陈长和,等.兰州市城关区冬季不同高度大

气气溶胶的测量与分析[J].高原气象,1995,14(2):221-225

ReserchonLogarithmicRatiokofAerosolBackscatter

ExtinctionUsingLidar

ZHANGWen2yu,　WANGYin2qi,　SONGJia2yao,　ZHANGLei,　SUNLu

(KeyLaboratoryofAirdClimaticChangeandReductingDisasterofGansuProvince,CollegeofAtmosphericSciences,

LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Abstract:Usingthedataof532nmlidar,visibilityandCE318in2006,thedifferentvaluesofkand

aerosolextinctioncoefficientindifferentweathersareanalysedwhenusingmethodofKlett.Theresultshowed:onlyif0.7≤k≤1.0,theaerosolextinctioncoefficientcalculatedbylidarandvisibilitywasclose.Butwhenk=0.7,somevaluesofaerosolextinctioncoefficientwerenegative,whenk=1.0,theverticaldistributingofaerosolextinctioncoefficientwasuntrue.AnalysedfartherbymeansofCE318inthecorre2spondingperiod,hadaresultsthatk=0.8ork=0.9islogicalwhencalculatingtheaerosolextinctioncoef2ficientbyusinglidarinLanzhou.

Keywords:Lidar;Logarithmicratioofaerosolbackscatterextinction;Visibility;Aerosolextinction

coefficient;Sun2photomater

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9uu4.html