多波长激光雷达结合现场仪器的大气气溶胶探测方法和实验研究.doc

多波长激光雷达结合现场仪器的大气气溶胶探测方法和实验研究大气气溶胶对全球气候、大气环境和人类健康的影响,已经引起人们的高度关注。作为重要的气候强迫因子,大气气溶胶在地-气辐射收支平衡中起着至关重要的作用。高浓度的大气气溶胶会降低大气能见度,影响空气质量,诱发多种疾病,危害青少年的成长发育。因此,高精度、多参数的探测和研究大气气溶胶的光学和微物理特性及其垂直分布,已经成为气溶胶科学研究亟待解决的问题。多波长激光雷达具有高时空分辨率,可探测粒子尺度范围宽、种类多,可获得的光学参数多的优势和特点,其探测数据可反演得到多种气溶胶微物理特性,如粒子数浓度、尺度谱分布、复折射指数等,目前,已成为大气主动遥感探测的强有力的工具和手段。现场仪器,如气溶胶粒子谱仪,被动遥感探测仪器,如太阳光度计,它们具有可直接探测气溶胶尺度分布、数浓度、表面积浓度和体积浓度以及大气气溶胶的光学厚度等特点,也得到了广泛应用。本论文将多波长激光雷达、粒子谱仪和太阳光度计相结合,开展全天时大气气溶胶的光学和微物理特性的探测方法和实验研究。主要研究工作包括:1.研发了一套全天时三波长(355nm、532nm、1064nm)Mie散射激光雷达系统。设计了基于窄带滤光片及宽带反射镜的太阳背景光剔除的光谱分光系统,实现了对白天背景光的强烈抑制和回波信号的有效提取,有效提高了系统白天探测信噪比,理论分析及实验结果皆表明,系统可实现晴天白天8km,夜间11km的有效探测高度。2.针对激光雷达近场存在探测盲区的技术问题,提出了一种利用Mie理论和近地面气溶胶粒子谱,计算近地表气溶胶消光系数,结合气溶胶粒子数密度在对流层低层随高度按指数递减的规律,实现了探测盲区内的气溶胶消光系数拟合与校正的新方法。该方法可实现激光雷达探测盲区内三波长消光系数的直接校正,为多波长激光雷达探测盲区的校正提供了新的解决方案。3.针对多波长Mie散射激光雷达中,有效、准确反演多波长激光雷达比的技术难点,提出了利用太阳光度计获得的气溶胶光学厚度及多次迭代算法,获得多波长激光雷达比的校正方法,并给出了多波长激光雷达比的校正函数。实验结果表明,该方法能够有效提高气溶胶垂直光学参数的反演精度,为研究大气气溶胶的精细分布提供了一种算法。4.利用空气动力学粒子谱仪测量气溶胶粒子谱分布,结合多波长激光雷达比的Mie散射理论计算,分析了多波长激光雷达比和气溶胶粒子谱分布之间的相关性。通过实验研究了气溶胶的粒子粗细比、粒子有效半径与激光雷达比的关系,发现三者之间存在一定的线性关系,为研究多波长激光雷达比与气溶胶粒子谱分布之间的相关性提供了一种可行的实验研究方法。此外,本文还应用广义交叉验证的正则化方法(GCV,GeneralisedCrossValidation),结合多波长气溶胶光学参数反演了气溶胶粒子尺度谱分布,结果与气溶胶粒子谱仪测量得到的气溶胶粒子尺度谱分布吻合较好。验证了GCV方法反演气溶胶粒子谱分布的可行性。同时,利用多波长消光比和Angstrom指数初步分析了气溶胶粒子尺度的垂直变化规律。激光雷达结合现场仪器探测研究大气气溶胶的方法,能够为多波长激光雷达的探测数据提供有益的补充和校正,也为全面探测和研究大气气溶胶的各项参数,提供了行之有效的解决方案。