南京地区气溶胶散射特性综合观测

谢银海,曹念文*,祝存兄,杨少波

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京 210044;2.青海省气象科学研究所,西宁 810000)



南京地区气溶胶散射特性综合观测

谢银海1,曹念文1*,祝存兄2,杨少波1

(1.南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京 210044;2.青海省气象科学研究所,西宁 810000)

利用中国气象局南京综合观测基地的Rayleigh-Raman-Mie激光雷达Mie通道实测数据反演分析南京北郊气溶胶光学消光特性。对2013年11月至12月雾霾天气进行观测并分析得到光学消光系数,并结合CALIPSO卫星搭载的激光雷达CALIOPSO level.2分类产品数据进行消光特性参数分析。利用CALIPSO监测2012年冬季一次沙尘过程所得结果与地基微脉冲偏振激光雷达结果一致。

气溶胶;激光雷达;消光系数;CALIPSO

1 引言

雾、浮尘、霾、沙尘是气溶胶较典型的表现形式,特别是霾。近年来我国多地出现大范围严重雾霾灾害天气,东部沿海地区尤其京津冀、长三角和珠三角地区雾霾频发,严重影响当地居民身体健康和交通运行,对整个地气环境造成了严重影响。南京地处长江三角洲地区,是长三角人口密集、交通和工业发达的中心城市,其工业主要集中在沿江及江北郊区,受西北地区沙尘传输和周边地区农村秸秆焚烧习惯的影响,使得该地区的气溶胶成分复杂、种类丰富、含量相对较高,因此研究该地区边界层的气溶胶传输及时空变化十分重要。

本文使用地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷达 (Rayleigh-Raman-Mie Lidar,RRML)实测数据反演计算测站上空气溶胶光学消光特性,结合CALIPSO卫星搭载的CALIOP正交极化云-气溶胶激光雷达观测数据分析南京地区气溶胶光学消光特性及物理特性。

2 数据介绍

RRML是安置在中国气象局南京综合观测基地(32.2N,118.7E)的一台多功能地基激光雷达。RRML发射532 nm激光,可获得 532 nm 高层Rayleigh信号、低层Mie信号及607 nm Raman通道信号,其中本文使用RRML中532 nm低空Mie散射通道回波信号反演计算测站上空大气气溶胶消光系数垂直廓线,并对2013年下半年几次严重雾霾天气时的观测结果进行分析。

CALIPSO(Cloud-Aerosol-Lidar Infrared Pathfinder Satellite Observations)是"A-Train"卫星编队中一员,搭载了双波长正交偏振云-气溶胶激光雷达(CALIOP,Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)、单通道宽视场相机(WFC,Wide Field Camera)和成像红外辐射仪(IIR,Imaging Infrared Radiometer)[1]。其中正交极化云-气溶胶激光雷达(CALIOP)是CALIPSO卫星最主要的探测设备,发射正交极化532 nm和1064 nm三组激光,得到532 nm大气后向散射信号的平行和垂直分量,532 nm波长大气总后向散射强度,1064 nm波长大气后向散射信号。CALIPSO运行的周期为16天,不仅可以提供云和气溶胶随地球经纬度变化的特征,还可以提供云和气溶胶的垂直分布数据资料。此外,使用CALIOP 532 nm 正交偏振通道数据计算识别出气溶胶粒子的类型以及云的冰/水相态,从而获取大气状态数据[2-4]。

CALIPSO卫星系统的数据管理系统DMS应用自动处理程序系统(CAPS)将各种仪器的数据转换成科学数据产品,LrRC大气科学数据中心(ASDC)处理并将科学数据以HDF格式的产品下发。文章使用Level 2产品,分析云和气溶胶层的高分辨率垂直分布廓线。表1为Level 2产品的空间分辨率[5]。

Table.1 Spatial resolution of data by CALIPSO Level 2

3 激光雷达探测方法

对于地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML发射波长均为532 nm,对于单波长的激光雷达,Mie散射激光雷达方程如式(1)[6]：

(1)

(2)

其中rm为参考边界高度,βm(r),βa(r)分别为高度r处的大气分子和气溶胶后向散射系数,σm(r′),σa(r′)为高度r处大气分子和气溶胶消光系数。引入消光散射比S=σ/β,则大气分子和气溶胶消光后向散射比分别为：Sm=σm(r)/βm(r)=8π/3,Sa=σa(r)/βa(r)

对于星载CALIOP激光雷达接收到的距离地面z处大气的后向散射回波功率用Mie散射激光雷达方程表示为[8]：

(3)

其中,c为光速；z为卫星高度；E为发射激光脉冲能量；Y代表激光雷达几何校正因子；β代表高度为z′处后向散射系数,单位：km-1；Ar为望远镜有效接收面积,单位：m2；Tt、Tr分别是激光雷达发射和接收系统的透过率；T是z到z′高度间的大气透过率；

(4)

其中,α是高度z′的大气消光系数,单位：km-1。大气后向散射系数和消光系数均可以分为大气分子和气溶胶两部分。对于CALIPSO星载激光雷达,雷达方程可写为：

(5)

其中r=z-z′,表示距地海拔高度；ξ为激光雷达系统参数。

星载CALIOP偏振激光雷达的退偏振比可以表示为[9-10]：

(6)

将偏振激光雷达方程带入上式可得：

(7)

在一般情况下,可以认为水平和垂直通道上的大气消光系数相等,则退偏振比可以写为

(8)

由于大气分子的退偏比较小,仅为0.035[11],所以退偏振比受大气非球状气溶胶粒子影响。

4 地基RRML探测结果

Rayleigh-Raman-Mie激光雷达探测站点上空大气气溶胶状态,以2011年10月20日夜间观测数据为例,利用Fernald法反演Mie通道回波信号,得到大气气溶胶消光系数廓线如图1(a)(b)(c)(d)所示：

Fig.1 (a)(b)(c)(d) Vertical profile of aerosol extinction coefficient by RRML

图1为19组Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML观测数据反演结果,图1(a)(b)(c)为5×3组10000次脉冲观测数据反演结果,图1(d)为4×1组10000脉冲观测数据反演结果。结合2011年10月20日气象条件如表2所示,Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML反演结果显示当天19:00～19:17在4～5 km高度有消光系数较大的峰,由于在混合边界层高度以上,可视为云层,云层表现为多层云；18:51～20:04边界层高度内消光系数为0.1 km-1左右,2 km以上高度消光系数很小,20:37以后2 km以内消光系数从地面随高度减小,但总体数值比有雾霭时小；从19:43开始4～5 km能观察到消光系数增大而产生的廓线峰值,到20:37时峰值明显,随着时间变化,消光系数双峰愈加明显甚至变为双峰、多峰,且影响高度拓宽为3～7 km,而天气状况也显示18:00～19:00有雾霭现象,20:00以后的观测结果为有云,因此Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML比传统观测方式较早地发现云层并且通过消光系数这一特征参数给出云层的高度及厚度信息,而且由于其时间分辨率相对于地面观测高,能够观测到地面观测时被忽略或者未观测到的天气现象,如移动较快的云等。

Table.2 Weather conditions in October 20,2011

图2(a)(b)(c)(d)为Rayleigh-Raman-Mie激光雷达实测四组不同天气状态下气溶胶消光系数垂直廓线,表3为相应时次的气象条件：

Fig.2 (a)(b)(c)(d) Vertical profile of aerosol extinction coefficient under different weather conditions

Table.3 Weather conditions corresponding Fig.2

结合表3,从图2(a)(b)(c)(d)中可以看到在不同天气条件下RRML所得气溶胶消光系数廓线在垂直高度上的变化。图2(a)为晴天大气下的气溶胶消光系数廓线,消光系数随高度增加逐渐减小,廓线中无峰值。图2(b)和(c)为有云时气溶胶消光系数廓线,其中图2(b)中近地层气溶胶消光系数较晴天时大,1～2 km左右有气溶胶层存在,近5 km处存在微小的突起,为该高度层上的薄层云。图2(c)中近地层气溶胶消光系数与晴天大气时数值相当,3～5 km处气溶胶消光系数出现峰值,为该高度层上的云层,云层消光系数约为0.1 km-1,激光穿透云层后消光系数随高度增加继续减小。图2(d)近地层消光系数随高度减小,在3 km附近出现消光系数峰值,数值接近0.1 km-1,云层以上光系数迅速减小,可见该云层较厚,对激光的衰减强,未能穿透云层。

5 2013年雾霾监测

5.1 地基RRML监测

2013年下半年为南京地区雾霾最严重的一段时期,这段时期雾霾发生频率高、扩散时间久,对雾霾暴发地区人们的生产生活产生了极大的影响。在雾霾频发期间使用Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML进行夜间观测。图3(a-l)为这段时间实测数据反演得到的消光系数廓线,其中11月25为一次雨后晴天夜间采集得数据,以此数据为准对比分析南京北郊冬季雾霾天气下的气溶胶光学特性。图3(a-d)为11月25日夜间19:04～19:21选取脉冲宽度为180 ms发射5000个脉冲返回的4组回波数据得到的消光系数垂直廓线；图3(e-h)为12月4日夜间19:42～20:07选取脉冲宽度180 ms发射10000个脉冲返回的4组回波数据得到的消光系数垂直廓线,当天雾霾严重,南京北郊浦口地区(观测站所在行政区域)官方发布AQI(Air Quality Index))达460；图3(i-l)为12月8日夜间19:17～19:30选取脉冲宽度180 ms发射5000个脉冲返回4组回波数据得到的消光系数垂直廓线,当天雾霾极其严重,能见度极低,浦口地区AQI指数超过最高标准500。

Fig.3 (a～l) Results of winter Haze by RRML in 2013

从图3可见2013年11月25日雨后晴天大气状态下气溶胶消光系数数值<0.5 km-1,并随高度增加消光系数逐渐减小。由于晴天大气气溶胶较少,激光衰减弱,能够传输较远距离,探测到3 km有效数据；12月04日雾霾严重,近地层气溶胶消光系数值最明显比雨后晴天时大,并且由于强的气溶胶散射衰减,只能探测到1 km内的数据；对于12月8日重度雾霾时探测结果显示消光系数比12月4日时更大,并且激光雷达只能穿透到200 m,由于本实验在进行观测时同时进行Raman通道的数据采集,而Raman回波信号较弱,需要放大器PMT将回波放大后采集,实验时考虑到重度雾霾的散射回波较强,为避免散射回波对Raman通道探测器造成损坏,实验设置中设置一定门控高度,只从100 m开始接收数据,由于实验仪器设置的局限性,对拉曼通道的参数设置影响了米通道的数据采集,因此12月8日得到的有效数据很有限。综上所述,Rayleigh-Raman-Mie激光雷达RRML能够对雾霾发生时气溶胶光学特性进行监测。

5.2 星载CALIOP监测

由于CALIPSO卫星轨道较窄,过境时不能与地基激光雷达站完全匹配,然而可以选取某一研究区域,利用CALIPSO在某区域内一定时间内的多次过境采集的数据反演获得某段时间该区域气溶胶光学特性参数和物理参数。图4(a)(b)为2013年11月(14组)和12月(15组)长江三角洲区域CALIPSO过境星下点轨迹,数据选取纬度范围30N～35N,经度范围116E～120E,其中左上-右下轨迹线为白天过境时星下点轨迹,右上-左下轨迹线为夜间过境时星下点轨迹。为选择与安置在中国气象局南京综合观测基地的地基Rayleig-Raman-Mie多功能激光雷达观测数据相匹配的区域,并且使得数据的时间分辨率增加,从而选取白天与夜间轨迹线交叉的近菱形区域。

对于CALIPSO Level 2分类产品气溶胶廓线数据,为减少误差对数据进行质量控制,其中,使得Extinction_Coefficient_532 nm≠-9999,剔除结果中无效值；Atmospheric volume descriptio(AVD)包含产品数据中特征层的类别信息(云、气溶胶及无信号情况)及判别情况的置信度水平,为16位整型数据,其中第1-3位值设置为3时表示当前获取的数据集含气溶胶相关信息,而第10-12位值的设置情况代表了当前数据集中含的气溶胶子类型信息,将10-12位值设为0可以排除当前数据子类型无法判别的情况。

Fig.4 (a)(b) Track of subsatellite point and location of base radar in Yangtze River Delta from November to December in 2013

Fig.5 532 nm mean extinction coefficient about haze in the area near Lidar station in November,2013

Fig.6 532 nm mean extinction coefficient about haze in the area near Lidar station in December,2013

从图5和图6中可见雾霾发生时垂直高度上气溶胶平均消光系数变化曲线,可见消光系数随高度增加数值逐渐减小,在数值上与图3(e-l)地基RRML反演结果吻合,消光系数数值最大值达3.8 km-1。

CALIPSO对地观测是连续的扫描,虽然轨道较窄,但依然能获得轨道内垂直高度上的消光系数图7(a-e)为近本文实验所用地基雷达RRML所在的CALIPSO卫星轨道内消光系数的垂直分布。

图7(a-e)为研究区域30°N～35°N卫星轨道内气溶胶消光系数的垂直高度分布,其中30.5～31.5°N这个纬度范围内,气溶胶在垂直高度上有一个消光系数的小值空窗区,这个经纬度范围是安微大别山区域,介于北纬30°10′～32°30′,东经112°40′～117°10′。山体海拔平均为1000 m,最高1770 m,山体陡度最大可达50°。大别山地区森林覆盖度高,无污染空气质量优良。因此CALIPSO消光系数垂直分布在该区域内表现为消光系数小,如图7中空窗区。

Fig.7 Vertical height distribution of aerosol extinction coefficient in the orbit of 30 °N～35 °N

6 2012年一次沙尘监测

文章分析2012年11月27日-29日[北京时间]南京一次沙尘过程天气,为选取合适的卫星过境时间,对星下点轨迹进行筛选,得到在沙尘发生时间段内卫星过境时离南京地区较近的一条轨迹进行分析。

Fig.8 Subsatellite point of CALIPSO

Fig.9 A track of subsatellite pointwhile satellite pass Nanjing and location of RRML station

由于CALIPSO运行周期为16天,所以选取世界地图中星下点轨迹线为沙尘发生时段离南京地区最近的一条星下点轨迹,如图9(a),截取长江三角洲局部地图。如图9(b),粗线条为卫星星下点轨迹,五角星为地基激光雷达观测站,圆点为离地基激光雷达上最近的卫星星下点。

Fig.10 Vertical distribution of backscattering coefficient in the orbit of 31°N～38°N

Fig.11 Vertical distribution of extinction coefficient in the orbit of 31°N～38°N

图10和11为31°N～38°N轨道带上沙尘发生时气溶胶后向散射系数及消光系数垂直分布,可见沙尘发生时消光系数最大可达3 km-1,沙尘影响高度平均1 km左右,最高可达1.5 km,这与微脉冲偏振激光雷达在南京北郊实时监测结果一致[12],而且弥补了地基激光雷达单站观测的局限。若能同时结合地基激光雷达与星载激光雷达,能够更有效地监测沙尘的爆发于生消动态。

7 结论

文章使用地基Rayleigh-Raman-Mie激光雷达和星载激光雷达CALIOP对南京地区及周边大气气溶胶进行观测分析,两种方式得到的光学消光特性参数结果一致。尤其在监测雾及沙尘中两种观测手段配合监测既能保证时空分辨率也能克服地基激光雷达单站观测的局限性。

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Comprehensive Observation of Aerosol Scattering Properties in Nanjing

XIE Yin-hai1,CAO Nian-wen1*,ZHU Cun-xiong2,YANG Shao-bo1

(1.keylaboratoryofAerosol-CloudPrecipitationofChinaMeterologicalAdministration,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing,210044,China2.QinghaiInstituteofMeteorologicalScience,Xining,810000,China)

Analysis of the optical extinction characteristics of aerosol in Nanjing by using the data from the Mie channel of Rayleigh-Raman-Mie Lidar,which belong to the Comprehensive Observation Base of China Meteorological Administration,is presented in this paper.We observed and calculated the optical extinction coefficient of haze from November to December in 2013 by Lidar,and analyzed the optical extinction parameter properties by using the data from CALIPSO level.2.Comparing the inversion results of winter dust in 2012,the results obtained by using CALIPSO and the micro-pluse Lidar are consistent.

aerosol; lidar; extinction coefficient; CALIPSO

2015-10-19; 修改稿日期:2015-11-10

国家自然基金(41375044,41175033)

谢银海,(1989-),男,硕士研究生,主要从事激光大气探测方面的研究。E-mail:597869223@qq.com

曹念文,(1967-),男,教授,主要从事激光大气探测方面的研究。E-mail:nwcao@nuist.edu.cn

1004-5929(2016)03-0237-08

O436

A

10.13883/j.issn1004-5929.201603006