宜賓地區氣溶膠垂直結構地基空基聯合監測分析

孫 偉，劉志紅，張 洋，張 娟，呂朝陽

1.成都信息工程大學，四川 成都 610072 2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100101

大氣氣溶膠是指直徑為0.001～100 μm的懸浮于大氣中的多項體系，其液態微粒呈球形，固態微粒呈不規則形態[1]，它作為地球大氣組成的重要成分之一，對環境污染、氣候變化、交通運輸、人體健康、大氣對地球表面熱輻射平衡等諸多方面產生至關重要的影響[2]。衛星觀測具有大空間尺度特點，能夠很好地實現對氣溶膠的觀測。1999年NASA發射的Terra衛星上的MODIS中分辨率成像光譜儀以及2008年9月中國發射的環境一號衛星等傳統多光譜平臺能夠觀測水平面上氣溶膠的分布，但這2種數據并不能實現對氣溶膠垂直結構的觀測，因此，研究者開始利用激光雷達觀測氣溶膠的垂直結構。使用激光雷達反演大氣氣溶膠特征參數實際就是將雷達觀測數據帶入方程，對大氣散射方程求解的過程。此方法之所以有效，主要因為激光在空氣中傳輸時可以同空氣中的分子、原子及顆粒物等相互作用，產生散射和吸收，且不同粒子與激光雷達的作用機制不同，產生的回波信號也不同。按照此原理可以從雷達后向散射信號的光強、頻率、相位等信息中分析氣溶膠粒子的物理光學特性。雷達接收到大氣后向散射回波光子數，將此回波光子數處理后帶入雷達方程就可以求出所需參量。采用激光雷達測量氣溶膠顆粒物的時空分布特征，帶有退偏通道的激光雷達用于有效區分云、霧和一般氣溶膠顆粒物，由于氣粒轉換后生成的氣溶膠顆粒物小粒子多是球形粒子，所以退偏振比的數值也是分析顆粒物轉換過程的重要工具。在現實觀測應用中，無論是空基激光雷達還是地基激光雷達都存在各自的優勢與劣勢，地基激光雷達可以從地向空方向上提供氣溶膠的全天不間斷觀測結果，時間上具有很好的連續性，但其探測范圍較窄[3]，僅憑獨立點位的觀測結果很難精確表示出氣溶膠的區域分布狀況[4]；空基激光雷達從空向地進行探測，其視角范圍廣，但無法對同一地點進行長期不間斷的連續監測[5]。2010年，王靜等[6]基于當年3、4月份Cloud-Aerosol LIDAR with Orthogonal Polarization(CALIOP)激光雷達后向散射數據對北京地區春季沙塵天氣大氣分布狀況開展了相關研究。2012年劉瓊等[7]利用CALIOP氣溶膠產品數據與地基觀測資料研究了上海地區干霾天氣的大氣垂直結構，為研究上海地區干霾天氣的大氣垂直結構信息提供了有利支持。2013年呂陽等[8]對北京地區的氣溶膠垂直分布特征進行觀測研究，利用法國CE370-2激光雷達進行測量，并對雷達信號進行反演得出后向散射系數與消光系數，對不同高度數據進行對比分析。2016年溫春等[9]利用蘭州大學半干旱氣候變化教育部重點實驗室自行研制的地基偏振拉曼激光雷達，將2014年3月6、22日的觀測資料與CALIOP星載激光雷達的觀測資料進行對比研究。使用單一的地基雷達數據或空基雷達數據時，如果遇到氣溶膠層較厚或云層較厚的情況，激光雷達的回波信號會被較厚云層或氣溶膠層阻擋而變弱，不能完全將氣溶膠垂直結構表達出來[10-16]，為避免因此造成的觀測誤差，研究者選擇空基雷達結合地基雷達的方法，這種方法可對氣溶膠垂直結構進行更為全面、詳細和準確的觀測，已經成為大氣氣溶膠垂直結構研究的主要方式[17-24]。

川南城市群是成渝經濟區的重要組成部分，也是四川盆地大氣污染最嚴重的地區之一，宜賓作為川南城市群中的主要城市，其大氣狀況不容樂觀。宜賓市氣候條件為亞熱帶季風氣候，四季分明，地形整體呈西南高、東北低態勢，市境內最高海拔為2 008.7 m，最低海拔為236 m，全市地貌以中低山地和丘陵為主。根據宜賓市環境保護局發布的數據，宜賓市中心城區2016年冬季PM2.5超過《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)二級限值的天數占總監測天數的比值(超標率)為67.4%，超標情況較為嚴重。

空基激光雷達和地基激光雷達可以有效探測大氣氣溶膠的垂直結構，利用LGJ-01型號地基激光雷達對宜賓地區2016年冬季(2016年12月—2017年2月)無污染時期、少云輕度污染時期和多云重度污染時期的氣溶膠特性進行探測，將CALIOP空基激光雷達探測數據與LGJ-01型號地基激光雷達數據進行對比分析，能夠更加全面地得出宜賓地區氣溶膠的衰減后向散射系數和退偏振比光學參數的垂直分布。因宜賓地區的大氣污染比較嚴重，大氣氣溶膠垂直結構的研究對該地區環境監測有著重要的應用價值和科學意義。

圖1 研究區地形圖Fig.1 The topographic map of study area

1 資料與研究方法

1.1 地基激光雷達監測

LGJ-01型號氣溶膠激光雷達安裝在宜賓市五糧液酒廠(地理坐標為28°47′24″N,104°36′0″E)，監測時間為2016年12月7日—2017年2月28日(圖1)。該地基激光雷達是以激光為光源，通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣中的顆粒物信息，激光器同時發射出355、532、1 064 nm等波長的激光，接收望遠鏡收集氣溶膠和沙塵粒子對激光的后向散射信號，再結合相關算法可解析出大氣中粒子的屬性，得到氣溶膠粒子的垂直廓線等相關信息，具體技術指標見表1。

表1 LGJ-01型號氣溶膠激光雷達技術指標Table 1 LGJ-01 aerosol laser radar specifications

1.2 空基激光雷達監測

空基激光雷達是指將激光雷達系統安置在地球軌道平臺上，用于探測大氣參數和地表特征的一種系統裝置，由于不受人為因素的影響和地面條件的限制，它能長期探測大范圍內的大氣動態。1998年，美國NASA與法國國家航天中心(CNES)合作實施了“云-氣溶膠激光雷達系統對全球大氣氣溶膠探測計劃(CALIPSO)”，主要任務是提供覆蓋全球的云和氣溶膠的高度、覆蓋率及種類信息，用于研究其對全球氣候變化的影響[25-27]。CALIPSO加載的CALIOP激光雷達發射與接收系統位于 T 型光學平臺上，以保證系統的穩定性。發射波長為1 064、532 nm(倍頻產生)，532 nm波長具有高偏振性，用于偏振特性的測量，接收望遠鏡直徑為1 m，采用鈹元素制造，最大化的降低熱效應。望遠鏡接收通道分為1 064 nm后向散射強度和 532 nm 后向散射信號正交極化部分，其他參數見表2和表3。

表2 CALIOP激光雷達技術指標Table 2 CALIOP lidar specifications

表3 CALIOP激光雷達 Level 1B數據空間分辨率Table 3 CALIOP lidar level 1B data spatial resolution

注：“—”表示無相關描述。

該研究星載激光雷達數據主要選用2016年12月—2017年2月CALIPSO衛星途經宜賓地區(27°49′48″～29°16′12″N，103°36′0″～105°19′48″E)的Level 1B數據。CALIPSO衛星途徑宜賓地區軌跡圖如圖2所示。具體觀測數據信息如表4所示。

圖2 2016年12月—2017年2月CALIPSO衛星 途徑宜賓地區軌跡圖Fig.2 CALIPSO trajectory map of Yibin area, from December 2016 to February 2017

表4 2016年12月—2017年2月途徑宜賓地區的CALIPSO觀測數據信息Table 4 CALIPSO observation data of Yibin area,from December 2016 to February 2017

注：表中數據名所示的意義分別為CALIPSO-激光雷達-數據級別-數據版本-年-月-日過境時間，過境時間為世界時(UTC)，表中已將過境時間統一換算為北京時間。

1.3 分析方法

米散射激光雷達有3種反演大氣氣溶膠的方法(Klett方法、Fernald方法和Collis斜率法)，但都需要對激光雷達比 Sa進行假設[28]，這里使用CALIOP空基激光雷達探測數據和LGJ-01型號地基激光雷達數據進行氣溶膠垂直結構的對比，避免了假設所帶來的誤差，從而提高地基米散射激光雷達反演大氣氣溶膠的精度，該方法的使用前提是地基激光雷達與空基激光雷達工作波長相同，且在同一探測區域。該研究使用的星載激光雷達和地基激光雷達的波長都為532 nm，且探測區域均為宜賓地區。

532 nm總后向散射消光系數是532 nm垂直衰減后向散射系數與平行衰減后向散射系數之和，總后向散射系數值越大則表明大氣中顆粒物的散射能力越強，反之越弱，其中云層和氣溶膠顆粒散射能力強，呈現高紅狀態[29-30]。

β′532,total(γ)=β′532,par(γ)+β′532,per(γ)

(1)

式中：β′532,total(γ)表示不同高度范圍的總后向散射系數，β′532,par(γ)和β′532,per(γ)分別表示532 nm垂直衰減后向散射系數與平行衰減后向散射系數。

退偏振比是532 nm垂直衰減后向散射系數和平行衰減后向散射系數之比，它反映氣溶膠表面粗糙程度，退偏振比的值大小與其被測顆粒物的形態與濃度有關，同時還受到被測顆粒物尺寸的影響。退偏振比值越大，顆粒物越不規則，退偏振比值越小，顆粒物越規則。通常非球形顆粒物退偏振比的值比較大，而球形顆粒物的退偏振比的值則比較小，退偏振比可提供有關氣溶膠和云的信息，據此可從側面分析大氣中氣溶膠的垂直分布[31-33]。其退偏振比公式為

VDR(γ)=β′532,per(γ)/β′532,par(γ)

(2)

式中：VDR(γ)表示不同高度范圍的退偏振比。利用532 nm總后向散射系數和退偏振比可知探測區域大氣中顆粒物的散射能力強弱和被測顆粒的不規則程度，將消光系數與退偏振比結合起來可以有效識別污染物和云層干擾。

研究利用2016年12月—2017年2月CALIOP星載激光雷達Level 1B數據的總衰減后向散射系數和退偏振比與LGJ-01型號氣溶膠地基激光雷達觀測得到的532 nm消光系數數據和532 nm退偏振比數據進行對比分析(CALIOP星載激光雷達Level 1B除海拔為-0.5～8.3 km高度的數據垂直分辨率為30 m外，其余海拔高度的數據垂直分辨率均大于30 m，而LGJ-01型號氣溶膠地基激光雷達在該研究中探測范圍為0～5 km，距離分辨率為3.75 m，為提高2個激光雷達數據對比分析時的準確性，筆者僅提取CALIOP星載激光雷達Level 1B垂直分辨率為30 m的海拔0～8 km高度的數據進行分析研究，數據容積號范圍為288～560)，得到宜賓地區無污染時期、少云輕度污染時期和多云重度污染時期氣溶膠的衰減后向散射系數和退偏振比光學參數的垂直分布特征，相應的天氣情況見表5。

表5 宜賓地區無污染時期、少云輕度污染時期和多云重度污染時期天氣情況Table 5 Yibin situation in the period of non-polluting, partly cloudy slight pollution and cloudy heavy

2 空基與地基激光雷達氣溶膠垂直結構對比分析

2.1 無污染條件下對比分析

2017年2月28日02:48(北京時間)CALIPSO衛星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達記錄下此時大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖3)。

圖3 2017年2月28日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.3 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on February 28,2017

圖3中，3.0～4.0 km的中高層呈現明顯的紅色后向散射系數高值區，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)，同期退振偏比(圖4)的峰值平均值約為0.8，根據周天等[34]的研究，退偏振比大于0.25即可認為是冰云，因此可以判定該海拔高度范圍內存在冰云云層。在0～0.4 km的近地面，則存在后向散射值在0.01～0.02/(km·sr)范圍內的氣溶膠層，其退偏振比峰值約為0.5。根據黃忠偉[5]的研究，氣溶膠的退偏振比隨粒子半徑增大而增大，而一般人為氣溶膠的退偏振比多在0.1以下[35]，因此可判斷當日區域內的氣溶膠粒子大部分為自然來源。

圖4 2017年2月28日LGJ-01波長532 nm消光系數時空分布圖Fig.4 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on February 28,2017

2017年2月28日，LGJ-01型號氣溶膠激光雷達監測所得的宜賓地區大氣消光系數垂直分布時空演化情況繪于圖5，其中紅色箭頭所指的時刻為圖3中對應的CALIPSO衛星過境時刻。通過圖5可以觀察到，2月28日00:00—15:00宜賓地區低空大氣中存在厚度約為0.1～1.1 km的連續綠色區域，15:00—24:00中高空大氣中存在厚度約為3.0～5.0 km的連續紅綠相間區域，結合退偏振比(圖6)判斷，0.1～1.1 km處綠色區域是近地面氣溶膠層，其消光系數值范圍為0.3～1.0/km；3.0～5.0 km連續紅綠相間的區域是冰云，其消光系數值范圍為1.0～2.0/km。在地基激光雷達的結果中，對應近地面區域的退偏振比值較低，說明點位處的氣溶膠粒子為人為來源。而衛星觀測的區域內氣溶膠粒子以自然來源為主，同時注意到衛星觀測區域內并沒有與地基點位嚴格重合的觀測點，因此兩者的觀測結果并不矛盾，并在一定程度上表明當日宜賓區域內氣溶膠粒子來源的空間差異較大。

該次無污染時期監測案例表明，CALIOP數據和LGJ-01數據在無污染情況下都可以監測到近地面氣溶膠層和云層，但監測結果顯示出一定的空間差異性(表6)。

圖5 2017年2月28日LGJ-01波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.5 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on February 28,2017

圖6 2017年2月28日CALIOP波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.6 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on February 28, 2017

表6 宜賓地區無污染時期空基與地基雷達監測對比Table 6 Comparison monitoring of space-based and ground-based radar in non-pollution period in Yibin area

注：“*”表示該數據單位為1/km。

2.2 污染條件下對比分析

2.2.1 少云輕度污染時期監測對比分析

2016年12月22日13:47(北京時間)CALIPSO衛星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達記錄下此時大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖7)。如圖7所示，在海拔為2～2.5 km處，圖左邊有高紅區域，結合退偏振比(圖8)可知該范圍內水云和冰云同時存在；0.2～3.5 km為較明顯的紅綠黃相間后向散射系數高值區，后向散射值范圍大于0.01/(km·sr)，且2 km以上空中基本少云無干擾，結合同期退偏振比(圖8)和當天空氣質量(輕度污染)得出0.2～3.5 km含有氣溶膠顆粒；0.2～1.0 km存在明顯的紅黃相間后向散射系數高值區，結合同期退偏振比(圖8)和當天空氣質量(輕度污染)得出在該高度區間內人為氣溶膠顆粒集中分布，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)。

2016年12月22日，LGJ-01型號氣溶膠激光雷達監測所得的宜賓地區大氣消光系數垂直分布時空演化情況繪于圖9，其中紅色箭頭所指的時刻為圖7中對應的CALIPSO衛星過境時刻。通過圖9可以觀察到，12月22日00:00—24:00宜賓地區低空大氣中普遍存在厚度約為0.2 km的高紅區域，結合退偏振比(圖10)和當天空氣質量(輕度污染)得出該區域范圍為近地面人為氣溶膠層，其消光系數約為2/km；同時在1.6～3.8 km處出現高紅區域，結合退偏振比(圖10)識別為中高層云層。

圖7 2016年12月22日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.7 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on December 22,2016

圖8 2016年12月22日LGJ-01波長532 nm消光系數時空分布圖Fig.8 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on December 22,2016

圖9 2016年12月22日LGJ-01波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.9 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on December 22,2016

圖10 2016年12月22日CALIOP波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.10 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on December 22,2016

該次輕度污染時期監測案例表明，CALIOP數據在空中少云無干擾情況下和LGJ-01數據都監測到近地面氣溶膠層和云層，且監測結果基本一致(表7)。

表7 宜賓地區少云輕度污染時期空基與 地基雷達監測對比Table 7 Comparison monitoring of space-based and ground-based radar in Yibin area with partly cloudy slight pollution

注：同表6注。

2.2.2 多云重度污染時期監測對比分析

2017年1月7日13:47(北京時間)CALIPSO衛星過境宜賓，CALIOP星載激光雷達記錄下此時大氣532 nm總后向散射消光垂直剖面圖(圖11)。如圖11所示，2.5～3.0 km為較明顯的紅綠黃相間后向散射系數高值區，后向散射值范圍大于0.02/(km·sr)，結合同期退偏振比(圖12)可知大部分區域存在水云和冰云；從經緯度來看，28°00′00″～29°36′00″N范圍內2.5～3.0 km高空中云層較厚，所以較厚云層下方信號弱，對該經緯度范圍內2.5 km以下的氣溶膠監測效果不明顯；29°36′00″～30°00′00″N范圍內2.5～3.0 km高空云層較薄，在該經緯度范圍內0.3 km高度處監測到紅色后向散射系數高值區，后向散射值大于0.02/(km·sr)。

圖11 2017年1月7日CALIOP波長532 nm總后向散射消光垂直剖面圖Fig.11 The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on January 07,2017

圖12 2017年1月7日LGJ-01波長532 nm消光系數時空分布圖Fig.12 The 532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on January 07,2017

2017年1月7日，LGJ-01型號氣溶膠激光雷達監測所得的宜賓地區大氣消光系數垂直分布時空演化情況繪于圖13，其中紅色箭頭所指的時刻為圖11中對應的CALIPSO衛星過境時刻。通過圖13可以觀察到，1月7日00:00—24:00宜賓地區低空大氣中普遍存在厚度約為0.3 km的高紅區域，結合退偏振比(圖14)和當天空氣質量(重度污染)表明該區域范圍為近地面較厚的氣溶膠，消光系數約為2/km；同時在0.6～1.6 km處出現黃綠色區域，消光系數范圍為1.0～1.5/km。按照區域高度，結合退偏振比(圖14)，因其沒有在大氣消光系數垂直分布中表現出高紅狀態，所以并不能識別其為中低層云層，此處可能為外來輸送的污染物或者二次揚塵產生的顆粒物；19:00處于淺綠狀態，而在20:00—22:00又變成高紅狀態，這種變化可能是受風速影響，根據氣象資料得知，16:00開始風速加大，20:00—22:00處于靜風狀態，污染物被吹散后遇到靜風狀態時，又開始匯聚。

該次重度污染時期監測案例表明，地基激光雷達能夠較好地探測近地面氣溶膠層，但由于近地面氣溶膠層較厚，其強消光作用導致激光束能量衰減，從而無法探測到高空云層；而星載激光雷達能夠較好地探測到高空云層，在云層較薄時亦能檢測到近地面的氣溶膠粒子，但當云層較厚時，很難探測到近地面氣溶膠。

圖13 2017年1月07日LGJ-01波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.13 The 532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on January 07,2017

圖14 2017年1月07日CALIOP波長532 nm退偏振比時空分布圖Fig.14 The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on January 07, 2017

3 結論

結合CALIOP星載激光雷達和LGJ-01型號氣溶膠激光雷達分析了2016年12月—2017年2月宜賓地區無污染時期、少云輕度污染時期和多云重度污染時期的氣溶膠垂直結構，得到以下結論：

1)CALIOP星載激光雷達和LGJ-01型號氣溶膠激光雷達在無污染情況下都可以監測到中高空云層，其中CALIOP監測的云層海拔高度為3.0～4.0 km，后向散射系數值范圍大于0.02/(km·sr)，LGJ-01監測的云層海拔高度為3.0～5.0 km，其消光系數值范圍為1.0～2.0/km，2個激光雷達監測結果基本一致。

2)在空中少云無干擾和輕度污染情況下CALIOP星載激光雷達和LGJ-01型號氣溶膠激光雷達都監測到近地面氣溶膠層，其中CALIOP星載激光雷達監測到海拔高度為0.2～1.0 km范圍內氣溶膠顆粒集中分布，后向散射值范圍大于0.01/(km·sr)，LGJ-01型號氣溶膠激光雷達監測到厚度約為0.2 km的近地面氣溶膠層，其消光系數約為2/km，2個激光雷達監測結果基本一致。

3)在重度污染時期，地基激光雷達能夠較好地探測近地面氣溶膠層，但由于近地面氣溶膠層較厚，其強消光作用導致激光束能量衰減，從而無法探測到高空云層；而星載激光雷達能夠較好地探測到高空云層，在云層較薄時亦能檢測到近地面的氣溶膠粒子，但當云層較厚時，很難探測到近地面氣溶膠，但若將兩者結合，則能實現不同天氣狀況下的綜合探測，以得到更多的氣溶膠觀測數據。

4)CALIOP星載激光雷達和LGJ-01型號氣溶膠激光雷達在探測大氣氣溶膠垂直結構方面各有特色。CALIOP星載激光雷達的特點是衛星掃描，只能針對某一特定時段、特定地點進行分析，無法全天時監測；而LGJ-01型號氣溶膠激光雷達能夠很好地實現全天時探測某一單點近地面的氣溶膠垂直分布時間演變規律。空基雷達的觀測角度是從空到地，地基雷達則是從地到空，兩者在不同天氣污染狀況下具有不同的探測優勢，將2個激光雷達的優勢結合起來，可以較全面客觀地為研究氣溶膠垂直結構提供觀測及科研數據。