利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

更新时间:2023-05-02 20:54:01 阅读量: 实用文档 文档下载

说明:文章内容仅供预览,部分内容可能不全。下载后的文档,内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的,是否完整无缺。

第32卷,第3期2o12年3月

光谱学与光谱分析

spectroscopyandSpectralAnalysis

V01.32,No.3,pp625—629

March,2012利用紫外Mie散射激光雷达探测澳门地区沙尘暴事件

刘巧君1一,郑玉臣1’孙,朱建华1,冯瑞权3,曾秀桦3,谭建成3,冼保生3

1.四川大学物理科学与技术学院,四川成都6l0064

2.澳门科技大学资讯科技学院激光雷达联合实验室,中国澳f】

3.澳门地球物理暨气象局,中国澳门

摘要研制了一台工作波长为355啪的紫外高能Mie散射激光雷达,并利用该激光雷达在2010年一次沙尘暴事件期间对澳门上空的大气进行了探测,得到了澳门地区不同时刻的气溶胶消光系数垂直廓线。利用Femald方法反演得到的气溶胶近地面消光系数随时间的变化与当地气象数据具有较好的一致性,气溶胶消光系数与当地可吸入颗粒物浓度的相关性达到了O.93。气溶胶垂直廓线显示,在沙尘暴来临期间存在明显的沙尘气溶胶凝集层。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。观测结果表明,该激光雷达可以在特殊天气条件下对澳门地区气溶胶进行有效探测,这将有助于深化对澳门上空气溶胶特性的研究。

关键词激光雷达;沙尘暴;气溶胶;消光系数

中图分类号:TN958.98文献标识码:ADⅨ:lO.3964/j.issnlooO-0593(2012)03-0625-05

引言

沙尘暴是一种在较干旱土地区域上发生的气象现象。沙尘粒子作为气溶胶的一个重要来源,可在大气环流的作用下,离开源头区域长距离的输送出去,通过吸收和散射太阳和红外辐射影响所到处的大气环流和气候。

大气激光雷达具有时空分辨率高、可连续探测等优点,已经成为探测大气气溶胶的有力工具Ll-3]。其探测结果不但可以对当地大气状况有更深的了解,还可以对一些理论预言进行反馈修正。

Mada等研究了折射率虚部对沙漠气溶胶消光背向散射比的影响,并将在撒哈拉沙漠沙尘暴期间从拉曼雷达监测得到的消光系数和背向散射系数值与数值模拟得到的结果比较,给出了较为合适的描述撒哈拉沙漠沙尘气溶胶的折射率虚部范围¨J。

毛建东等利用工作波长532姗的Mie散射激光雷达研究了银川上空的大气气溶胶光学特性,并对一次明显的沙尘天气进行了探测。迟如利等研制了工作波长为1064和532啪的双波长Mie散射激光雷达,用其研究了合肥上空气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布及光学厚度的月变化[5]。

2010年3月19日起的沙尘暴天气,使我国华北以至华东之多个内地城市均受到不同程度的浮尘或扬沙的天气影响。在20日北京大气中的可吸入颗粒物浓度已经超过l500鹏?m_3,达到重度污染级别。而随着沙尘暴的南下,澳门地区的空气质量迅速转坏,所有自动空气测量站均记录到了历史最差的空气质量指数。

为了对澳门上空的气溶胶进行研究探测,本课题组研制了一台发射波长在355m的紫外Mie散射激光雷达。由于紫外波段的太阳辐射比可见光波段的太阳辐射弱,在白天的测量中,该紫外激光雷达可以获得更好的信噪比。本文对激光雷达的结构参数及数据处理方法进行了介绍,利用该激光雷达探测了沙尘暴来l临及过境后澳门上空大气的Mie散射回波信号并进行了反演,得到了大气气溶胶消光系数的垂直廓线。结合当地的能见度数据,分析了近地面气溶胶消光系数和PMl。探测结果的相关性,同时给出了沙尘气溶胶的路径和来源的分析结果。

1实验系统

图1是自行研制的Mie散射离轴激光雷达的结构示意图。系统座落于澳门凼仔大潭山的澳门气象局内,海拔高度112m。

收稿日期:201l-07.07.修订日期:2011一lo-28

基金项目:澳门特别行政区一科学技术发展基金项目(021/2007/A2)资助

作者简介:刘巧君,1984年生,四川大学物理科学与技术学院博士研究生e-mail:q.协0jufIliu@yah0仉∞*通讯联系人

e_Imil:ayscheng@腿tvigator.colIl

光谱学与光谱分析第32卷

●j耳IConri蝌-ralionnr35Sr蛐bhtatjcmjelid盯郴tem

系统的发射光由Nd:YAG激光器提供,该激光器发射

的脉冲重复频率50Hz,脉宽约5.7Tls,单脉冲最大发射能

量可达160州。激光器发出三倍频后的355nrn的紫外光束,

并经扩束后垂直射人大气。大气回波信号的接收由直径254

mm的牛顿望远镜完成,在望远镜焦平面上有一小孔光阑,

限制杂散光进入视场,经准直透镜和滤光片后,大气后向弹

性散射光平行进入光电倍增管进行光电转换后形成的电信号

进入信号瞬态记录仪采集、模数转换及存储,最后由计算机

对获得的时问分辨信号进行数字信号处理得到所需的大气参

数。激光雷达系统的具体参数见表1。

P‰删Ih(p阳M、

ReDetitIonmte

MaⅪmIlrTlPulse∞er目

B∞d∞mter

【^serBeamdherg匝ce(FuIIande㈣fedatFwH蛐Nd:YAG355mn

5.?m

50Hz

~160甜

~8nlllle∞aIldedm~70rm0.5nlr甜

ReⅢr

Teks∞口e

FIeI士orVIew

B如士∞ssnherDet吐tof

【hlaacqulsItlon

RangemsoIutlon№xrangeblns254mSchTIlid}N㈣∞f/4O卜一11.25m珀dadI噼bble

1nmFWHM

H觚皿蹦吼lPMT

40MHz【mnsi衄tre∞州er谢tharulqgIJeaIIdpllot0Ircoumi雌

375m

61.44km

该激光雷达工作波长处于太阳辐射较弱的紫外波段,白天测量可以有效的降低天空背景噪声。同时,高激光发射能量使该激光雷达具有极好的表现力,即使在沙尘暴来临的情况下,仅利用50%的激光能量,其白天和夜间的探测高度也分别达到了6和9krn。

2激光雷达数据反演

激光雷达的回波信号强度与激光的发射功率、激光与大气相互作用机制和激光雷达接收效率等因素有关。激光在大

气中传输实际上受到大气分子和气溶胶粒子共同作用,FemaldL“将分于和气溶胶的贡献分开考虑,激光雷达方程表示为

P(r)=告[阳(r)十艮.(r)]?

exp卜2l[‰l(/)+“(r’)]dr,1(1)其中,P(r)为激光雷达接收到的探测距离r处的大气回波信号功率,E是发射激光脉冲能量,C是激光雷达校正常数,辟叫(r)和风,(r)分别为大气分子和大气气溶胶的背向散射系数,洲(r)和‰,(r)分别表示大气分子和气溶胶的消光系数。

令气溶胶消光背向散射比s-=‰(r)/8。(r),大气分子的消光背向散射比是—个常数8∥3,得到气溶胶的消光系数为

d时(r)一

P(r)r2ex叮一刳:鼬(r,)dr,](3s一协)_2s?————————t百——————一

1一罄J:P(r)r2exp『一警J:肺(r,)dr,1(3s,/4z)_2打

S18耐(r)(2)气溶胶的消光背向散射比s-与激光波长、气溶胶尺度谱分布和折射指数等因素有关,其取值范围一般在10~100sr之间变化,本文的取值为50【7]。分子的消光系数,后向散射系数可根据美国标准大气分子模式较为精确的确定曲]。

由于离轴结构激光雷达的激光发射单元和信号接收单元的光轴不重合,近场回波信号不能进入或只有部分进入接收望远镜视场,直接利用雷达回波信号难于反演近场大气的真实信息。利用文献[9]的方法.对近场回波信号加以修正,以得到大气气溶胶的近场信息。

3实验结果及分析

图2和图3分别给出了在3月22日沙尘暴来临开和3月26日沙尘暴过境后反演得到的不同时刻海平面以上大气气溶胶消光系数廓线。本次探测中,选择的脉冲重复频率为50Hz,单脉冲能量80nU.各时刻的结果都是15min内数据的平均.时间标于各廓线的上方。

由图2可见.在22日这个沙尘天气,大气边界层内各高度气溶胶消光系数普遍较大.低空消光系数最大值接近1h一,且各时刻的消光系数值随时问的变化并不明显。在下午时刻的气溶胶消光系数廓线在4000m左右有一气溶胶(沙尘)浓度较高的凝集层。随着太阳辐射的减少.温度下降,大气湍流减弱,该层下降至3km左右。傍晚的数据显示在2.5~4krr.左右的气溶胶凝集层具有多个峰值,说明该沙尘层具有明显的分层结构。图3显示,3月26口气溶胶的消光系数仍处于一个较高的水平.近地面处消光系数在o.5km叫左右.高度25~4.5km仍然存在气溶胶凝集层,分层结构也更明显。

图4同时给出了3月26日激光雷达反演得到的近地面

处消光系数(星号)和PM。。浓度(实线)随时间的变化关系,

第3期光谱学与光谱分析627

由图可见,在PM。。浓度较高的11:00左右测得的气溶胶消光系数值也较大,15:00以后PM。o浓度降到较低水平,这段时间激光雷达反演的消光系数值亦较11:00的低,二者在时间上有较好的一致性。

№2

E】【tincti0Il渊c鼬咖ned‰Mielidar帆22_

5.O

4.5

4.O

3.5

3.O

2.5

2.O

1.5

1.O

O.5

Exti枷on.hn.1

F酶3&【tincti咂∞emc自啪b劬惯t甜hnMieI础lr蚰26抽

气象局的资料显示3月26日11:oo至20:oo的PM。o的平均值为97.25肛g?m-3,恢复到沙尘来之前的水平,该值不足22日同时段PMl。值527.49弘g?m_3的五分之一,但图3中消光廓线的近地面值约为22日近地面值的一半,显示沙尘粒子对澳门空气的影响尚未结束。这种时间上的延迟主要有两个原因:一是对于Mie散射激光雷达探测,气溶胶粒子的不同粒径分布对回波信号强度具有很大的影响,从而影响反演的消光系数结果。在沙尘粒子过境的22日,测得的PM。。值很高。该日大气中气溶胶主要由粒径较大的沙尘粒子组成,这些大粒子的散射强度主要集中在前向,对我们的后向散射信号强度贡献并不大;二是当沙尘粒子到达澳门上空后,大粒子在重力作用下会很快沉降到地面,26日PM,o值的降低主要是由这部分对消光系数反演贡献较小的大粒子的

喜丢写墨岳召

628

光谱学与光谱分析

第32卷

沉降引起,但粒径较小的粒子却可以在空中悬浮一周左右,因此26日的PM,。值虽然低,但大部分都对消光系数反演有较大贡献,所以尽管26日的PMlo值仅为22日的五分之一,但当日的近地面消光系数却约是22日的一半左右。

l∞

O加l∞326Pml0&Lid霄怯血c由n

0’1

‘:口

o.4蔷

lO

12

14

16

18

20

Tim曲

F蟹4-Ik

t睢哪渤ti帆0fe】|【tiIIction强行ide吣

(s协r)a喇PMI?∞咖打ati叫(Iine)

基于这两个原因,355

m波长的消光系数并不足以显

示此次沙尘粒子对大气造成的影响。为了进一步研究PM。。浓度和近地面消光系数的关系,结合当地能见度的相关数

据,355

m波长的近地面气溶胶消光系数可转化为1064

啪的消光系数值口1|,将其与同时刻的PM,o值进行相关性分析,得到线性拟合公式y=1732.9z,z表示1064啪消

光系数值,y表示PM加浓度。利用该公式可粗略获得在此次沙尘暴事件中澳门上空的PM?o值随高度的分布。实测数据与此公式的相关系数达O.93,显示了较好的一致性。实测数

N0^AHY8PLlTMOOEL

鼬删订aiectoriesendingat

0300UTC趁M甜10

GDA8Mel嘟0109icaIDala

一一一一

.。一4”2500

:器:.:::::■—哆≥;:器

一一一一-一一~

口一7

2000

嚣芝:竺苁=二7’。嚣

。恐,e”*卷,,a

n*。盘,s,z*

挠装溜122z姊m菇%嚣岔嚣器嚣,喘罄£”‘4”

勰嚣f;】fl:::镏2器嬲n.f竺辫黜‰v-哪Meb并—Wv∞∞Z复Mar2。’OGD惦’

据与拟合直线在图5给出。

飞莹

荟0

O.I

O.2

O.3

Extincti蛐砒1

064枷.hn—l

脚511le∞曲tioll胁嗍酬Ilction∞咖cieIIt骶删

f岫I池randPMl?a舶鲫h眦ion

为了研究气溶胶凝集层中沙尘粒子的来源,可选取气溶胶消光系数廓线出现峰值的高度,利用NoAA的HYsPLIT模式来进行气溶胶的轨迹倒推。以澳门为起点,以2010年3月22日03UTC作初始场进行模拟,从图6(a)可见,分别离地面高度1028和1

66l

m的物质主要是来源自南海,而高

度为402m的物质由中国北部向东南方向移动,约在长江口附近出海再南下途经台北后再转西南经巴士海峡进入华南沿岸海域。图6(b)显示,离地300,200和100m的气溶胶后向轨迹线非常一致,在3月19日初期位于蒙古地区,此时离地面高度约4

ooo

m左右,到3月20日ooUTC时轨迹线已在

河南地区,且从垂直剖线分析得知由原来的4

ooO

m下沉至

1ooo~2ooo

m,继续在长江口附近出海后沿着中国东南沿

岸海域到达澳门。

NoAAHYSPLrrMODEL

Bach恿rd州ecf州esendingat

0300U1℃22M盯10

G队sMet鲋obgjcal

0a协

;◆7

罨藏5i_

一….∥飞嚣

~二■…二::::≥夕”一怒

。恐’8证”。昆’e,2*。‰,e,。*按吕;j要乞zbn,,as,篙詈:翟譬譬絮云:黜8“。””

茹怒黑.;=箍墨。2笛%。严镰看%“v。峋M曲吖do甜oo∞Z盆Mar∞10-G吣1

F皓6

Bad【-蛔i咖砒m哦悯t蚴协蚵HySH.rr

n搬纠

瑚鲫姗

枷姗

o。《§

第3期光谱学与光谱分析629

4结论

利用研制的离轴紫外高能Mie散射激光雷达,在最近的一次沙尘暴天气中,对澳门上空的大气进行了探测,反演得到了气溶胶消光系数的垂直廓线,并结合当地的气象资料,将激光雷达测量的气溶胶消光系数与地面观测的可吸入颗粒物浓度进行了相关性分析,二者显示了较好的一致性。通过气溶胶轨迹倒推,分析了沙尘气溶胶的来源及路径。这是澳门地区首次利用激光雷达对沙尘暴事件下的大气进行研究。激光雷达获得数据与当地气象资料的一致性显示,即使在沙尘天气条件下,该紫外激光雷达仍可高质量的完成大气探测任务,这将保证对澳门地区大气气溶胶消光系数时空分布进行持续、有效的观测,并利用观测结果对该地区气溶胶状况进行进一步的分析研究。

[1]PorterJN,Li锄ertBR,etaLJoumalofAtmDsphedcand(b∞nicTechnology,2002,19:1873.

[2]wANGHon母b0,CA0Ting_ting,HEJie。etal(王宏波,曹婷婷,何捷,等).Joun扭IofAtⅡ10sphericand

En、,iro啪∞taloptics(大气与环境光学学报),2007,2(5):340.

[3]HoNGGuang.1ie,zHANGY醅cho,zHA0Yue-feflg,etal(洪光烈,张寅超,赵日峰,等).知taPhysicaSinica(物理学报),2006。55(2):983.

[4]Per姗eMR,BamabaF,DeT(朋asiF.etaLAppL()pt.。2004,43(29):5531.

[5]FemaldFG,Hem蛐BM。ReaganJ九JounmIofAppliedMeteor0109y,1972,11:482.

[6]Aflsm锄A,Engdn姗nR,A】thausenD,etaLGeophysicalResearch胁ters,2005,32:L138l5.

[7]USstandardAtnmsphe他US

Gove舳眦tPrinting()ffice。washillgtonD.C.,USA,1976.

[8]LIuQa明un,YANGLifI。wANGJi}yu,etal(刘巧君,杨林,王劫予,等).ActaPhysicaSi面ca(物理学报),2009,58(10):7376.[9]I舱baH.IkectionofAtor璐andMoleculesbyRarnanScatte“Ilga11dReS0叫lceFluoresceIlce,inLa鸵rMoflitorillgoftheAt啪spheR,HinI【leyEDecLSprifIger-verlag,Berlin,1976.153.

UltravioletMieLidarObservationsofAerosolExtinctioninaDustStormCase0verlⅥacao

LIUQiacrjunl”,CHENGAYSl小,ZHUJiamhual,FDNGSK3,CH砧、JGSW3,T√WKs3,viseuA3

1.DepartrIlentofPhysics,sichuanUniverSity,Chengdu610064,Chilla

2.JointLaboratoryforLaser王hdar,FacllltyofInfomlationTechnology,MacauUIliversityofsciencea11dTechnology,Maca0SAR。Chi瑚

3.Meteorok'gicalandGeophySicalBureau,Macao&~R,Chim

AIIstractAtHlosphericaerosoloverMacao、张smonitoredbyusinga

355啪MiescatteringlidardudTlgtheduste、,朗tonⅣIarch22nd,2010.VerticalprofileSofaero∞leXtinctioncoemcientswereobtainedandcorrelated丽thlocalPMloconcentratio也Thenear-surface神rosolextinctioncoefficientsllavegoodagreementwithPMloconcentrationvalues.Theaerosolextinctionverticalprofilesshawedthatthere、^他redistincthyersofdustaerosolconcentrationThesourceandtracksofdustaerosolwerearlalyzedbybacktrajectorysimulatio仉obser、,ationsshowedthatthislidarcouIdnm、ⅣeUeveninduststorrIlepisode,anditwouldhelpt0funherthestudyonaerosolpropertiesover^噍aca0.

&"岫n凼Lidar;Duststo咖;Aerosol;Extinctioncoefficient

*Correspondir培author(ReceivedJuL

7,2011;accepted()ct-28,2011)

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

Top