大气边界层内生物气溶胶荧光激光雷达探测技术与实验研究.doc

大气边界层内生物气溶胶荧光激光雷达探测技术与实验研究生物气溶胶作为大气气溶胶的一个重要组成部分,在大气中的传播、扩散会引发人类的急慢性疾病以及动植物疾病。生物气溶胶还可以间接影响全球气候变化,并在大气化学和物理过程中有着潜在的影响。大气生物气溶胶光学特性的实时探测技术,对于研究生物气溶胶在大气中的含量和时空分布模式,具有重要的学术意义与科学研究价值。荧光激光雷达作为一种远距离主动遥感探测工具,为大气中存有潜在危害的生物气溶胶早期预警和快速检测提供有效研究方案。本文针对大大气边界层内生物气溶胶的荧光激光雷达探测技术展开研究,根据大气生物气溶胶荧光光谱强度与相对含量之间的依存关系,研究了反演大气边界层内生物气溶胶浓度的关键技术,设计并研发了一套荧光激光雷达系统,并在西安城区上空对大气生物气溶胶展开连续和长期的实验研究,验证系统探测性能及可行性,获得大大气生物气溶胶荧光信号廊线,统计分析了大气边界层内生物气溶胶浓度与气溶胶消光之间的相关特性。基于荧光激光雷达探测原理,通过数值仿真分析,研究了荧光激光雷达系统对大气生物气溶胶的有效探测距离,在误差小于10%范围内,评估了生物气溶胶最小探测浓度随距离变化情况,并进一步分析了系统器件参数、实验环境以及生物气溶胶粒子参数对荧光激光雷达系统的探测性能的影响。在系统数值仿真的基础之上,通过增加荧光信号采集的累加次数,提升荧光激光雷达系统对大气生物气溶胶的有效识别距离和最小探测浓度。研制了一台荧光激光雷达系统,对大气生物气溶胶荧光信号(310-440nm)进行连续观测与研究,获得了西安城区上空边界层内生物气溶胶荧光信号的时空变化特征。基于米散射激光雷达方程和荧光激光雷达方程,利用雷达系统采集到的米-瑞利散射回波信号,反演激发波长在大气中的消光系数,得到荧光波长在大气中的消光系数,对大气中的生物气溶胶浓度进行反演。首次利用荧光激光雷达在西安地区上空进行大气生物气溶胶浓度的连续观测实验,通过THI图展示了大气底层生物气溶胶含量的空间分布随时间连续变化情况。开展长期的连续观测实验,研究大气底层生物气溶胶与气溶胶的相关特性,分析了荧光混合比的垂直变化情况以及不同季节的生物气溶胶分布特征。通过荧光信号与米-瑞利散射信号的强度比值连续观测分析,展示了生物气溶胶在气溶胶中所占比重的时空变化特征。并对西安城区上空的生物气溶胶浓度和气溶胶消光系数进行同步实验和连续观测,研究大气生物气溶胶和气溶胶在聚集、分布与传输过程中的关联特性,利用荧光激光雷达对西安地区上空的生物气溶胶浓度分布进行了季节性的实验观测。在长期实验测量数据的积累上,通过与气象部门实时采集的PM2.5和PM10质量浓度数据进行统计分析,研究并探讨了大气生物气溶胶含量的季节性变化特征。针对长波段激光雷达易受白天太阳背景辐射的影响,不利于大气气溶胶的探测,首次采用紫外域266nm米散射激光雷达,对西安城区上空大气边界层开展观测实验。通过在不同臭氧浓度情况下进行实验测量,获得的米散射回波信号,分析了臭氧浓度变化对系统信噪比的影响;并在白天和夜晚情况下,对系统的信噪比及探测误差进行了分析。首次采用266nm米散射激光雷达对西安城区上空大气气溶胶进行了全天时连续观测,结合大气臭氧浓度实测数据,对比分析266nm波长大气总的消光系数及气溶胶消光系数的THI图,研究了大气臭氧含量对紫外域米散射激光雷达探测性能的影响。