1 山东省济宁市生态环境局, 山东 济宁 272004
2 山东省生态环境监测中心, 山东 济南 250013
3 呼和浩特市生态环境监控中心, 内蒙古 呼和浩特 010010
4 合肥中科光博量子科技有限公司, 安徽 合肥 230088
5 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室, 北京 100029
6 解放军陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
大气气溶胶通过直接效应影响到达地表的辐射量以及间接效应影响云的生消和降水等过程, 还因其含有的各种有毒物质颗粒, 影响城市能见度, 导致霾过程频发, 而这些颗粒进入人体会对人体健康造成一定危害。 利用济宁市2018年—2019年期间多台气溶胶激光雷达的垂直观测廓线数据与区域空气质量监测数据, 分析了不同大气污染过程中的颗粒物时空演变特征。 结果显示, 济宁市夏季的细粒子污染存在一定的区域差异性, 主要呈现两种日变化特征。 一种是部分区域在夜间消光强, 白天消光弱, 主要是因为夜间受到湿度偏大与污染源排放叠加的影响; 另一种是部分区域白天消光相对较强且整体无明显日变化特征, 原因在于周围污染源较少且受人工湖的影响。 此外, 近地面气溶胶消光系数变化显示辰欣制药站与金马酒店站附近颗粒物浓度相对更高。 沙尘观测结果显示, 济宁市的沙尘天气多出现于4月和5月, 沉降过程中颗粒物浓度可高达平时浓度的5倍。 同时对比扫描观测结果显示, 局地污染的轮廓无规则、 范围小、 突发且消光很强, 而大范围污染过程则轮廓面积大且其消光逐渐增大。
激光雷达 气溶胶 沙尘 大气污染 变化特征 Lidar Aerosol Dust Air pollution Variation characteristics 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3467
1 陆军炮兵防空兵学院 基础部，安徽 合肥230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥230037
4 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
为了研究CCD光束成像技术探测臭氧浓度廓线有效探测距离及反演方法，设计了一台硬件探测系统。该系统选用266、280 nm两个波长的连续激光作为差分吸收的光源。基于激光功率、曝光时间、CCD有效接收面积、气溶胶的浓度和臭氧的浓度等主要参数，对探测信号的信噪比进行数值仿真。假设气溶胶分为清洁、污染和重污染三种情况，臭氧浓度分为低和高两种情况，仿真结果表明：在探测误差小于10%的情况下，低臭氧浓度时三种不同气溶胶的条件下，有效探测距离皆大于2 km；高臭氧浓度时，在清洁型和污染型的气溶胶条件下，有效探测距离仍大于2 km，重污染条件下的有效探测距离为1.7 km；臭氧浓度的反演结果与假设高度廓线基本一致。仿真结果有利于了解臭氧浓度廓线探测的CCD光束成像系统的最优参数设定，进而实现对臭氧浓度廓线的有效探测。
大气光学 CCD光束成像 差分吸收 臭氧 atmospheric optics CCD laser beam imaging differential absorption ozone 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200383
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
4 陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
5 陆军炮兵防空兵学院信息工程系, 安徽 合肥 230031
集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。
大气光学 气溶胶 消光系数 侧向散射激光雷达 拉曼散射激光雷达 激光雷达比 光学学报
2020, 40(11): 1101003
1 解放军陆军炮兵防空兵学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
目前直接探测PM2.5质量浓度高度廓线有一定的困难,但可以通过一定的关系把激光雷达探测出的气溶胶后向散射系数高度廓线转化为PM2.5质量浓度高度廓线。在把气溶胶后向散射系数廓线转化为PM2.5质量浓度的过程中,气溶胶吸湿因子是一个关键的参数。激光雷达系统可探测气溶胶后向散射系数在近地面的高度分布廓线,PM2.5质量探测仪可探测所在处的PM2.5质量浓度和大气相对湿度。将这两种仪器置于同一地点同时进行探测,以获取同一地点同一时间的气溶胶后向散射系数、PM2.5质量浓度和大气相对湿度。在理论的指导下对所探测的数据进行拟合,可得出吸湿因子的表达式。对2016年5月—2017年10月合肥地区仪器所在地的气溶胶后向散射系数、PM2.5质量浓度和大气相对湿度的探测数据进行拟合,获得了PM2.5质量浓度与气溶胶后向散射系数之间吸湿因子的变化规律。
测量 PM2.5质量浓度 后向散射系数 吸湿因子
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 陆军炮兵防空兵学院基础部, 安徽 合肥 230031
4 安徽粮食工程职业学院信息技术系, 安徽 合肥 230011
5 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50 km范围内的变化趋势一致,并对0.75 km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37 h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。
大气光学 后向散射系数 侧向散射激光雷达 气溶胶 窄带滤光片
1 陆军军官学院 基础部 物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 陆军军官学院 偏振光成像探测技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 陆军军官学院 基础部 物理教研室, 安徽 合肥 230031,
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
5 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
后向散射激光雷达是探测大气气溶胶参数的有力工具, 但它存在盲区和过渡区, 且需要假设气溶胶的消光后向散射系数比来反演气溶胶的参数, 这些限制了它的探测范围和精度。集侧向散射、后向散射和拉曼散射于一体的单波长发射五通道接收激光雷达系统, 克服了上述困难。该激光雷达可以探测气溶胶的退偏比廓线、水汽混合比廓线、后向散射系数廓线和消光系数廓线等。气溶胶后向散射系数和消光系数可从地面到对流层顶进行探测, 气溶胶退偏比廓线可以在对流层内进行探测,水汽混合比廓线可以在边界层内进行探测。在硬件条件的基础上, 分析了各通道的信噪比和探测结果的随机相对误差。实例探测表明: 该激光雷达系统数据可靠, 探测范围较广。该系统的建立, 为进一步深入研究气溶胶消光系数、水汽时空分布以及它们之间相互关系奠定了坚实的实验基础。
大气光学 大气散射 激光雷达 后向散射系数 水汽混合比 退偏比 atmospheric optics atmospheric scatter lidar backscattering coefficient water vapor mixing ratio depolarization ratio 红外与激光工程
2017, 46(10): 1030002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
4 高原大气与环境四川省重点实验室, 四川 成都 610225
5 陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
根据米氏散射理论，对卷云消光特性、有效激光雷达比与波长之间的关系进行了模拟研究，并基于三波长激光雷达系统于2011年1月至2012年10月在合肥西郊的观测资料，计算了卷云不同波长的有效激光雷达比。理论和实验结果均表明，对三波长激光雷达系统所用的355，532，1064 nm三个波长而言，卷云的消光系数与波长无关，有效激光雷达比随着波长的增大而增大。合肥地区的卷云有效激光雷达比主要分布在10~70 sr之间，它们对应三个波长上的均值分别为(21.0±9.3) sr，(29.4±11.7) sr，(38.1±11.4) sr。355 nm波长的卷云有效激光雷达比秋季最低，而532 nm和1064 nm波长则秋季最高。
大气光学 有效激光雷达比 激光雷达 卷云 消光特性
1 解放军陆军军官学院基础部, 安徽 合肥 230031
2 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 安徽 合肥 230009
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
为了给环保部门防控大气污染提供科学依据，联合侧向和后向散射激光雷达系统对近地面气溶胶后向散射系数廓线进行高分辨率探测。分析发现，近地面气溶胶后向散射系数廓线随高度变化不尽相同，大致分为4种情况：多层结构、随高度升高而增加、随高度升高而减小以及不随高度变化。分析了连续两个夜晚的气溶胶后向散射系数廓线随时空的变化情况，并对2014年3月至2015年2月合肥西郊82个夜晚数据进行了统计分析，得出近地面气溶胶后向散射系数廓线按季节的分布规律。
大气光学 后向散射系数 侧向散射激光雷达 大气气溶胶
1 中国人民解放军陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
反演PM2.5(直径小于2.5 μm的颗粒物)质量浓度廓线，不仅可以估算污染物的柱浓度，还可研究污染物在空间的扩散规律，为防控大气环境污染提供科学支撑。假设在大气边界层内一次PM2.5质量浓度廓线的探测过程中，气溶胶的种类和成分保持不变，则根据地面上气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度之间的比例关系，即可把激光雷达反演出的消光系数廓线转化为PM2.5质量浓度廓线。分析了两个晚上PM2.5质量浓度廓线个例及其随时空变化的情况，并对2014年3月至2015年2月探测到的82个晚上的数据按季节进行平均，获得了PM2.5质量浓度廓线的季节平均值。
大气光学 PM2.5质量浓度 侧向散射激光雷达 后向散射激光雷达 气溶胶消光系数
1 解放军陆军军官学院基础部物理教研室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230031
分析了气溶胶消光系数和PM2.5 质量浓度之间的关系，提出了利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和PM2.5 颗粒物探测仪相结合，反演PM2.5 质量浓度廓线的方法。通过个例研究，得出了在相对湿度变化不大时，地面上PM2.5 质量浓度和气溶胶消光系数成线性关系；分析了2014 年4 月13 日和2014 年12 月16 日合肥西区董铺岛PM2.5质量浓度廓线特征：随时间变化，在空间上是有结构的，在紧贴地面有较重的污染物层。探测实验结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达和PM2.5 颗粒物探测仪相结合是探测近地面污染物质量浓度廓线行之有效的新方法。
大气光学 侧向散射激光雷达 气溶胶消光系数 PM2.5 质量浓度 激光与光电子学进展
2015, 52(11): 110102
