激光雷达探测大气气溶胶研究进展

激光雷达探测大气气溶胶研究进展

周军

（中国科学院大气成分与光学重点实验室，合肥市230031）摘要本文分析了米散射（Mie）激光雷达、拉曼（Raman）激光雷达、高光谱分辨激

光雷达（HSRL）及偏振（Polarization）激光雷达在大气气溶胶探测研究中的特点及其应用进展。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测与采集技术的发展和新的探

测原理与方法的涌现，大气气溶胶探测激光雷达取得了长足的技术进步。激光雷达由

单波长单功能向多波长多功能发展；由仅仅夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由需

要人工干预向着无人值守自动化运行发展；由实验室的研究设备型向商业化产品型转

化。对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，需要定量地获

取多波长大气气溶胶消光系数、后向散射系数及退偏振比等光学参数，如2α（355nm，532nm）+3β（355nm，532nm,1064nm）+2δ（355nm，532nm）等。为此，研制被称

之为Next generation aerosol lidar的多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达系统为激光雷达界所关注。为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间

分布和时间演变资料（4D）的需求，近些年来，先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网（如EARLINET、AD-Net等）。国际气象组织（WMO）正在此基础上组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol LI dar O bservation N etwork

(GALION)。同时，气溶胶激光雷达的支撑平台也由地基向机载（如国家航空遥感系统）和星载（如CALIPSO）方向发展。

关键词激光雷达、大气气溶胶、气溶胶观测网

1. 气溶胶激光雷达的功能

2008年10月世界气象组织（WMO）发布的GAW Report No.178《Plan for implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中明确地给出了各种类型的激光雷达探测大气气溶胶的功能[1]，如表1所示。

表1.各种类型的激光雷达探测大气气溶胶（云）的功能。

表 1 中的 BL 为 Mie 散射激光雷达；SPM 为太阳光度计；DL 为偏振激光雷达；RL 为 Raman 激光雷达；HSRL 为高光谱分辨激光雷达；MRL 为多波长 Raman 激光雷达。

2. 大气气溶胶激光雷达

2.1 Mie 散射激光雷达（BL ）

Mie 散射激光雷达接收的大气后向散射回波信号可以表示成如下 Mie 散射激光雷达方程 形式，

1

z P (z ,λ ) = K β(z ,λ ) exp{−2 α(z ' ,λ )dz '} ∫z （1）

L L L

2 L L z 0 式中，P L (z,λL )是激光雷达接收的高度 z 处的大气后向散射回波功率(W)；

λL 是激光波长（n m ）；K L 是激光雷达系统常数（W.km 3.sr ）；

β(z,λL ) 是 高 度 处 的 大 气 在 波 长 λL 上 的 后 向 散 射 系 数 (km -1·sr -1) ， β(z,λL )=

βm (z,λL )+βa (z,λL )，βm (z,λL )和βa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的后向散射系数；

z α(z,λL )是高度 z 处的大气在波长λL 上的消光系数（km -1），α(z,λL )= αm (z,λL )+ αa (z,λL )，

αm (z,λL )和αa (z,λL )分别是空气分子和大气气溶胶的消光系数；

z 0 是激光雷达所在的高度（km ）。

在 Mie 散射激光雷达数据处理中，使用 Fernald 方法反演大气气溶胶后向散射系数或消光 系数垂直分布[2]： βa (z ,λL ) = −βm (z ,λL ) +

z X (z ,λ ) exp[−2(S − S ) β (z ' ,λ )d z ' ] ∫z （2） L 1 2

m L c X (z c ,λL ) ' z X z 1 ∫z z ' 2 )∫z βm ( ,λL ) z '' d z '' d z ' − 2 )

S ( ,λL ) exp[−2( S 1 − S ] β (z ,λ ) + β (z , λ c c a c L m c L 式中X(z,λL )=P(z,λL )Z 2 。为此，必须事先做出以下三个假设：

假设气溶胶的消光后向散射比（激光雷达比）S 1为一不随高度变化的常数；空气分子的消 光后向散射比S 2为8π/3 Sr 。

空气分子的后向散射系数βm (z ，λL )和消光系数αm (z ，λL )通过实际大气中温压湿气象探空 资料或使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子Rayleigh 散射理论计算得到；

在对流层顶附近搜索一个气溶胶含量相对较少的高度作为标定高度Z C ，并假设标定高度 上的气溶胶的散射比为已知，作为（2）式中的边界值。

这些假设值将给反演的大气气溶胶后向散射系数的误差为10%左右，给反演的大气气溶胶 消光系数的误差为50%左右。

Mie 散射激光雷达的优点是结构简单、成本低、技术成熟、自动化程度高、探测跨度可以 覆盖整个对流层或平流层，能够实现白天与夜晚的连续探测。能够较好地获得大气中各种层 结构的垂直分布和时间演变特征。缺点是由于 Mie 散射激光雷达方程中同时存在大气气溶胶 的消光系数和后向散射系数，为了求解方程必须假设两者之间满足某种已知的关系，这种假 设会给反演结果带来较大的误差，特别是反演的大气气溶胶消光系数往往会有较大的误差。

Mie 散射激光雷达已经有商业化的产品，而且被广泛应用到大气气溶胶探测中，如国际上 微脉冲激光雷达网（MPLNET ）和亚洲沙尘网（AD-NET ）等激光雷达网中采用的就是 Mie 散 射激光雷达。星载激光雷达 CALIOP 也是一台带偏振检测通道的 Mie 散射激光雷达[3]。对于平