北京城区大气边界层的激光雷达观测_杨辉

第31卷第2期2005年3月光学技术

OPT ICAL T ECHN IQU E

Vol.31No.2

M ar.2005

文章编号:1002-1582(2005)02-0221-03

北京城区大气边界层的激光雷达观测X

杨辉1,刘文清1,陆亦怀1,谢品华1,徐亮1,赵雪松1,虞统2,于建华2

(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031; 2.北京市环境保护监测中心,北京100044)

摘要:激光雷达是边界层大气气溶胶和云的一个高效探测工具。利用M P L激光雷达测量出的数据反演出了测站地域上空大气边界层气溶胶消光系数的垂直分布,利用气溶胶消光系数的垂直分布可决定测站上空的大气边界层高度。测量数据表明:大气边界层内气溶胶的含量较为稳定,有明显的气溶胶多层结构。

关键词:激光雷达;气溶胶;大气边界层;边界层高度

中图分类号:T N958.98;X513文献标识码:A

PBL observations by lidar at Peking

YAN G Hui1,LIU Wen-qin g1,LU Y-i huai1,XIE Ping-hua1,XU Lian g1

ZH AO Xue-shong1,YU Tong2,YU Jian-hua2

(1.Anhui Institute of Optics and Fine M echanics,Chinese A cademy of Sciences,Hefei230031,China)

(2.Beijing M unicipal Env ironmental M onitor ing Center,Beijing100044,China)

Abstract:T he ver tical di stribution of PBL aerosol extinction coefficients over the obser vation site is show n,and t he heights of PBL are discussed.T he data indicates that the aeroso l o ver t he measurement site is trapped in PBL and is r at her stable,and the mult-i layer str ucture of the aerosol distribution is obvious.

Key words:lidar;aerosol;PBL(planetary boundary layer);PBL height

1引言

大气边界层(PBL,planetary boundary layer)通常是指大气的最低部分受地面的直接影响,并与地面有直接作用的气层,是地球表面与自由大气间进行物质、能量、热量和水汽交换必经的气层。它主要是通过摩擦阻力、蒸发和蒸腾、热量输送、污染物排放以及影响气流变化的地形等与地面的作用。大气边界层是与人类关系最为密切的一层,是由人类活动和各项生态环境构成的主要气层。由于热力作用导致的强烈的日变化是大气边界层的一个重要特征。边界层高度随地表特征、季节和天气背景的不同而不同,每天可在几十米至几千米内变化[5,6]。

气溶胶是大气边界层的垂直结构和时空变化观测的天然载体。气溶胶是指液态或固态微粒均匀地散布在气体中形成的相对稳定的悬浮体系,它在地气系统的收支平衡中扮演着十分重要的角色。气溶胶对全球环境的影响也日趋严重,如气相物质经过光化学反应后急剧向固态微粒转化产生光化学烟雾,并进而生成城市气溶胶。这些光化学过程大大加剧了大气污染的程度,会直接损害人们的身体健康,影响正常的生产和工作秩序,会破坏大自然的固有生态平衡[1,7]。大气边界层内的气溶胶对地面气候、大气温度和气压场、风场和垂直运动场等都有明显的影响[8]。

激光雷达已逐渐成为大气边界层探测的主要工具。如拉曼(Ram an)激光雷达可探测边界层中水汽含量的时空分布;差分吸收(DIAL)激光雷达可探测大气边界层中污染气体,如NO2,SO2,O3等含量的时空分布;多普勒激光雷达可探测大气边界层内风场的时空分布;Mie散射激光雷达可连续地探测大气边界层中气溶胶粒子的光学特性以及气溶胶粒子和大气边界层高度的时空分布。

北京奥运会即将在2008年举行,利用激光雷达对其城区大气边界层中的气溶胶粒子进行监测是一项具有极高的科学意义和实用价值的工作。本文给出了影响北京市大气质量的主要因素以及在大气环境容量研究中的激光雷达对大气边界层的观测结果。

2实验中的激光雷达系统

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X收稿日期:2004-06-07E-mail:hyang@

作者简介:杨辉(1974-),男,四川省德阳市人,中国科学院安徽光学精密机械研究所博士研究生,主要从事激光雷达大气探测、光电子技术等方面的研究。

图1 M PL 激光雷达系统的体系结构示意图实验中采用的激光雷达是由SESI 制造的M PL [4]

(micro pulse lidar,微脉冲激光雷达)激光雷达。它具有结构紧凑、重量轻(50kg )、体积小、自动化程度高等特点,可连续、长期地开展对平流层、对流层

大气气溶胶、云和大气边界层(PBL)的结构分布进行探测。M PL 的系统体系结构原理图如图1所示,图中

表1 M PL 激光雷达的主要性能指标

激光器二极管泵浦Nd B YLF

工作波长/nm 523.5单脉冲输出能量/L J >5脉冲重复频率/Hz 2500光束发散角/L rad 50脉冲宽度/ns 10偏振度>100B 1接收望远镜卡塞格林型

直径/cm 20视场/L rad 100滤光片带宽/nm

0.1

探测器Geiger 雪崩二极管

量子效率50%数据采集系统EG -G 光子计数器空间分辨率30,75,150,300数据传输PC -DIO -24平行I/O 工作界面W indow s 95/98工作方式

24h 连续观测

OT 为光学传输单元,BS 为光束分束片,D 为雪崩型二极管(APD)探测器,OC 为目镜,H 为会聚透镜。MPL 的主要性能指标如表1所示。

3 激光雷达方程及其反演

在一次散射的条件下,M ie 散射型激光雷达方程可用下式表示:

X (z )=P z #z 2

=C B (z )ex p [-Q Z

2R (z )d z ]

=C [B a (z )+B m (z )]@ exp {-2

Q Z 0

[R a

(z )+

R m (z )]d z }(1)

式中,P z 为激光雷达接收探测距离z (单位为km )

处大气的后向散射回波信号(单位为W );C 为系统常数(单位为W #km 3#sr );B (z ),R (z )分别为距离z 处大气总的后向散射系数(单位为km -1#sr -1)和消光系数(单位为km -1

);B a (z ),R a (z )分别为距离z 处大气气溶胶的后向散射系数(单位为km -1#sr -1)和消光系数(单位为km -1);B m (z ),R m 分别为距离z 处空气分子的后向散射系数(单位为km -1#sr -1)和消光系数(单位为km -1

)。

对单波长激光雷达来说,其激光雷达方程的求解方法主要是Klett 方法[2]和Fernald 方法[3]。作者采用了Fernald 反演M PL 的测量数据。其后向积分解和前向积分解分别为

A a

(z )=-S A m

(z )+

X (z )#exp [2(S -1)

Q z

c

z

A m

(z c )d z c ]X (z )

A a

(z c

)+S A m

(z c

)

+2Q z c

z

X (Z)ex p [2(S -1)Q z c

z

A m

(z d )d z d ]d z c (2)

A a

(z )=-S A m

(z )+

X (z )#ex p [-2(S -1)Q z z

c

A m

(z c )d z c ]

X (z )

A a (z c )+S A m (z c

)

-2Q z

z c X (Z )ex p [-2(S -1)Q z

z c

A m

(z d )d z d ]d z c (3)

式中,S =S a /S m ,其中S a 为气溶胶消光后向散射

比,其值随气溶胶浓度、尺度谱分布和化学成分的变

化而变化,本文中取S a =40~50sr [10,11]

;S m 为大气分子的消光后向散射比,S m =8P /3sr ;z C 为标定点高度,可通过选取几乎不含气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定,在此高度上满足气溶胶散射比R (z C )=B a (z C )+B m (z C )/B m (z C )=1.01。根据激光雷达的探测能力和边界层气溶胶分布的一般特性,本文在4~8km 高度范围内进行了迭代计算。A a (z c ),A m (z c )分别为标定点上的气溶胶和大气分子的消光系数。

4 观测结果及分析

实验地点位于北京市东北方向的顺义区牛栏山酒厂厂区,距北京市区约30km,北纬约40b 10c ,东经约116b 30c 。观测时间从2004年1月6日下午开始到2004年2月8日结束。本文利用激光雷达对该测站的大气边界层的气溶胶光学特性进行了观测,并对测量数据进行了处理。测站上空的大气分子的后向散射系数和消光系数的垂直分布是通过当地气象探测数据计算得出的。本文随机选择了两天的激光雷达观测数据,并对其进行了分析。 4.1 观测结果

图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别是2004年1月10日0时、2004年1月10日12时、2004年1月24日0时和2004年1月24日12时四个时刻的温度和位温廓线。图3(a)、图3(b)、图3(c)和图

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光 学 技 术

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