利用激光云高仪消光系数区分南京地区晴空与雾霾的初步研究

左昕杰　何明元　万涛　张杰

摘 要

鉴于目前气象观测上判定雾霾的方法存在一定的主观性，本文提出了利用激光云高仪消光系数区分晴空与雾霾的消光系数高度阈值法。通过统计分析，得到了两个阈值：高度阈值H=60m，消光系数阈值σ=0.7（1/km），且识别率在91%以上。结果表明，可以利用激光云高仪的消光系数高度阈值法区分晴空与雾霾。

关键词

激光云高仪;雾霾;消光系数;阈值

中图分类号： P407.5                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.079

0 引言

雾，是指近地面大气中悬浮大量细小水滴或冰晶的现象，其有效水平能见度小于1km[1]。出现雾时，相对湿度常为100%或接近100%。霾指的是能见度小于10.0km的视程障碍现象，当出现霾时，空中浮游着大量极细微的干尘粒，空气普遍浑浊[2]。

目前，气象观测上主要结合水平能见度和相对湿度的观测结果来判定雾霾，这种方法不仅取决于观测员的业务经验，同时还容易造成误差。故需要从雾霾的形成原因出发，寻找到一种可靠的判定方法。

自1960年第一台激光器研制成功后，激光的高單色、高准直、高相干、高亮度、短脉冲等特性，使得激光雷达脱颖而出[3]。作为一种简易轻便的激光雷达，激光云高仪在观测雾霾时能够获得较高的信噪比，具备足够的气溶胶探测能力，故可用于探测雾霾天气[4]。

1 仪器介绍

本文所使用的是由芬兰Vaisala公司研制的CL51型激光云高仪，它采用脉冲二极管激光探测和测距技术，功率强大的短脉冲激光沿垂直或近乎垂直方向发出。在激光脉冲穿过天空时测量由霾、雾、轻雾、雨幡、降水和云层等引起的后向散射。

2 数据分析

2.1 数据来源

查阅资料可得，南京的雾霾天气主要发生在深秋和冬季，故本文采用2018年11月～2019年1月由位于南京南站附近CL51型激光云高仪观测得到的后向散射系数数据。另外，本文同步获取南京国家基准站的气象观测数据进行验证。

2.2 数据筛选

首先，剔除特殊天气如降水降雪结冰等，筛选得到符合要求的天气样本数据共179个，再将其划分为晴天和雾霾这两种天气现象，最终得到晴天样本131个，雾霾样本48个。选取晴天和雾霾各30个数据样本作为统计分析使用，其余样本用于验证阈值的合理性。

2.3 数据处理

从每日0时开始，激光云高仪每间隔6个小时输出一个格式为“A*******”的.DAT文件用以记录不同高度处的后向散射强度。为了方便后期数据处理，在数据预处理阶段将筛选得到的.DAT文件转换成.TXT文本，并选取每个整点时刻的后向散射系数输出数据。

根据激光雷达方程，激光雷达系统接收到的不同高度的信号强度表示如下[5]：

式（1）中，Pr（z）是从距离接收机z处接收到的瞬时信号强度;E0为有效的激光能量;c表示光速;A为接收机孔径;z表示距离;β（z）是距离设备z处的某气团的后散射系数;e为双程大气透射度。

在式（1）中有两个未知数，方程无法求解。但由Klett法则[5]，可以假设后向散射系数和消光系数呈线性关系，即β（z）=k·σ（z）。在稳定天气条件下，k值多取值为0.03，故式（1）中的未知数减少为一个，可以求得消光系数。

3 消光系数高度阈值法的实施过程

3.1 确定阈值

通过对比分析历史典型天气现象过程的输出数据，可以发现晴天和雾霾天的垂直大气光学特征有明显的区别，故初步设定接近于0的消光系数阈值σ和高度阈值H。若某一时刻的消光系数数值在高度为H时大于σ，则可判定为雾霾;反之，则判定为晴天。

利用Matlab软件处理经过筛选得到的数据样本，求得不同高度处消光系数的分布情况，输出结果如图1所示。

分析图1可以发现，相比于雾霾天，晴天的消光系数廓线更趋于稳定。在近地面，晴天的消光系数起点值很小，并分布集中，随着高度的增加几乎呈线性逐渐减小。在500m高度以下，晴天的消光系数廓线和雾霾天的消光系数廓线有较为明显的分界。

将图1的500m以下区域进行局部放大并标注得到图2，可以建立高度阈值H=60m，消光系数阈值σ=0.7（1/km）。从地面开始，高度上升为60m时，晴天的消光系数数值基本上都在0.7（1/km）以下，雾霾天的消光系数数值基本上都在0.7（1/km）以上。其中，有1个晴天样本和1个雾霾样本不符合阈值判断。结合南京国家基准站的气象观测数据分析误判数据样本，这两个时刻应该是该数据记录时段的天气现象处于晴天与雾霾天的转化阶段。

3.2 验证阈值

为保证阈值的准确性，本文又重新选取数据样本进行分析，综合所有结果，统计识别率和误判率如下：

当人工观测天气现象为晴天时，识别率为（29+94）/（30+111）=93.9%，误判率为（2+6）/（30+111）=6.1%。

当人工观测天气现象为雾霾时，识别率为（29+15）/（30+18）=91.6%，误判率为（2+3）/（30+18）=8.4%。

综合上述的分析，本文设定高度阈值H=60m，消光系数阈值σ=0.7（1/km），识别率大于91%，故可以利用消光系数高度阈值法区分晴空和雾霾。

4 总结与讨论

（1）本文摆脱了对水平能见度和相对湿度观测结果的依赖，利用激光云高仪测得的垂直路径消光系数来区分晴空和雾霾。通过初步的统计分析验证，该算法具有合理性。

（2）由于雾和霾往往相伴出现，且相互转化。故本文只能作初步研究，不能细致地将雾霾区分为轻雾、雾或者霾，还需要进行进一步分析检验。

参考文献

[1]孙学金，王晓蕾，李浩.大气探测学[M].北京：气象出版社，2009：79-80.

[2]地面气象观测规范[J].2003：24-25.

[3]孙学金，胡明宝，王蕊.大气遥感原理[M].北京：气象出版社，2019：80-81.

[4]卜令兵，袁静，高爱臻.基于激光云高仪的雾霾过程探测[J].光子学报，2014：58-63.

[5]Vaisala 公司.Vaisala Ceilometer CL51 users guide[M].芬兰：Vaisala公司，2012：45-46