激光雷達(dá)實測氣溶膠對臭氧探測的誤差分析

謝銀海，曹念文，楊思鵬，何星庭

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；3.南京信息工程大學(xué)，大氣物理學(xué)院，南京 210044)

0 引言

四川氣象觀測站目前仍存在探測種類少、垂直探測能力不足的問題。差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)是探測臭氧濃度廓線十分有效的手段，因其具有高分辨力、高精度和實時觀測等優(yōu)點而被廣泛采用[1，2]。為了加強激光雷達(dá)的觀測站網(wǎng)布局，提高氣象綜合觀測能力，文章對DIAL(差分吸收激光雷達(dá))和Dual-DIAL(雙重差分吸收激光雷達(dá))兩種方法探測臭氧的誤差進(jìn)行了討論。常規(guī)的差分吸收激光雷達(dá)方法由于忽略了大氣消光與后向散射的影響，在氣溶膠含量較高的環(huán)境中將產(chǎn)生較大誤差，探測精度會受到很大的影響[3-6]。為了減小探測誤差，一些學(xué)者提出了Raman方法測量臭氧[7，8]，但是其信噪比太小不利于計算，對去噪要求很高。隨后又有學(xué)者提出了四波長雙重差分測量大氣臭氧的方法[9]，發(fā)展了三波長雙差分法(Dual-DIAL)[10，11]，這種方法能有效克服大氣氣溶膠對探測結(jié)果的影響。

1 探測原理

1.1 氣溶膠激光雷達(dá)探測系統(tǒng)

Dual-DIAL測量臭氧的技術(shù)己經(jīng)較為成熟，其中比較關(guān)鍵的是消除氣溶膠對實驗造成的影響，而不同地區(qū)的氣溶膠分布與特性有差異，文章通過激光雷達(dá)實測的氣溶膠數(shù)據(jù)計算其對臭氧探測的影響。氣溶膠探測使用的激光雷達(dá)是三通道激光雷達(dá)(圖1)。

圖1 Rayleigh-Raman-Mie激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

將雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射單元(激光發(fā)射器等)和接收單元(接收望遠(yuǎn)鏡等)置于實驗室內(nèi)的水平工作平臺上，實驗室內(nèi)保持恒溫。試驗采用激光雷達(dá)的發(fā)射單元是SureliteII型激光器，其發(fā)射的激光波長為532 nm，激光通過發(fā)射單元的擴束器擴束并調(diào)試光路，經(jīng)過全反射鏡的反射后，垂直向上進(jìn)入大氣。在大氣傳輸過程中，激光光束會與大氣分子和氣溶膠粒子發(fā)生相互作用，其中一部分返回地面的后向散射回波信號由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，經(jīng)過會聚透鏡過濾后進(jìn)入信號采集通道。其中氮氣分子的Raman散射信號(607 nm)經(jīng)過分色鏡后進(jìn)入Raman光子計數(shù)采集通道；高空532 nm散射信號經(jīng)過半反半透鏡后進(jìn)入Rayleigh光子計數(shù)采集通道；低空532 nm散射信號經(jīng)過全反鏡后進(jìn)入Mie散射光子計數(shù)采集通道，該通道接收低層Mie散射信號。3種信號通過以上處理后，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)得到電信號，最終由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存儲在主控計算機中。

1.2 數(shù)據(jù)分析原理

根據(jù)DIAL方法和Dual-DIAL方法探測臭氧時的臭氧計算表達(dá)式，可知激光雷達(dá)差分吸收方法的探測結(jié)果受大氣(大氣分子和氣溶膠)的后向散射和消光影響，而由于大氣氣溶膠分布的不確定性，計算時往往忽略這2項的影響從而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。因此差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的系統(tǒng)誤差可以分為兩部分，即后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差，可以分別表示為：

式中，Δz是距離分辨力，取Δz=30 m；εSB和εSE是大氣總的(大氣分子和氣溶膠)后向散射和消光造成的誤差；N(z)是距離z處的臭氧濃度，假設(shè)為1×1012cm-3；Δδ為臭氧在λon與λoff波長處的吸收截面之差，Δδ=2.7×10-18；βλ(z)與αλ(z)是距離z處的后向散射系數(shù)與消光系數(shù)；C是為了消除氣溶膠影響而引入的常數(shù)項。使用Dual-DIAL方法探測臭氧時選取合適的C值可以有效削減誤差，而令C=0時計算得到的誤差即為DIAL方法的探測誤差。Dual-DIAL方法使用波長對266 nm，289 nm，308 nm計算對流層臭氧探測的誤差，相對的DIAL方法所用的波長對為266 nm，289 nm；式中，大氣分子采用1976年美國大氣模式，氣溶膠的激光雷達(dá)比設(shè)為55。在Dual-DIAL方法中C值的選擇上，文章沒有使用傳統(tǒng)的計算方法C=(λ1off-λ1on)/(λ2off/λ2on)得到的C=23/19，而是通過對南京當(dāng)?shù)氐膶嶋H氣溶膠分布進(jìn)行模擬得到更加適合當(dāng)?shù)貧馊苣z分布情況的C值1.7。

文章使用了激光雷達(dá)實測的4種氣溶膠分布來計算大氣氣溶膠對臭氧探測誤差的影響，4種氣溶膠的分布如圖2所示。

4次實驗的探測環(huán)境如表1所示，氣溶膠分布1，2均為晴天探測結(jié)果；氣溶膠分布3探測于多云環(huán)境，從圖2中可見2～4 km處有云的存在；氣溶膠分布4探測于雷陣雨后，圖2中8 km處有卷云的存在，是由鬃積雨云頂脫離母體而成的偽卷云。對流層中高層氣溶膠主要受云的影響，因此所用數(shù)據(jù)分別代表了對流層不同高度氣溶膠對探測結(jié)果的影響。

圖2 氣溶膠消光系數(shù)分布

表1 探測時間及環(huán)境

2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)果

2.1 DIAL與Dual-DIAL誤差對比

文章分別計算了不同氣溶膠分布下DIAL與Dual-DIAL臭氧探測方法的總誤差(后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差之和)，并進(jìn)行了對比，計算結(jié)果如圖3所示。從圖中發(fā)現(xiàn)，DIAL方法的探測誤差普遍大于Dual-DIAL方法，一般大于10%，在氣溶膠分布4的8 km附近DIAL方法誤差甚至達(dá)到了190%；兩種方法的誤差均隨著高度變化而頻繁波動，但Dual-DIAL方法的誤差波動幅度遠(yuǎn)小于DIAL方法。當(dāng)氣溶膠濃度較為穩(wěn)定且氣溶膠均勻分布時，DIAL方法的誤差呈現(xiàn)隨著高度增加而減小的趨勢，Dual-DIAL方法的探測誤差穩(wěn)定且接近于0。在氣溶膠空間變化率較大處誤差增加迅速，如氣溶膠分布1的8 km以上區(qū)域，氣溶膠分布3的4 km以下區(qū)域和氣溶膠分布4的8～9 km處，兩種探測方法的誤差都有較大的增幅，即使Dual-DIAL方法有效減少了誤差，誤差極值也達(dá)到了40%。對比大氣氣溶膠的消光系數(shù)廓線和臭氧探測的誤差廓線，發(fā)現(xiàn)DIAL方法的誤差受氣溶膠含量及空間分布的影響都很大，當(dāng)氣溶膠含量高或是氣溶膠空間變化率較大時會產(chǎn)生較大的誤差，而Dual-DIAL方法的誤差與氣溶膠含量的聯(lián)系較小，主要受氣溶膠空間分布的影響，只有當(dāng)氣溶膠空間變化率極大時才會產(chǎn)生較大的誤差，否則誤差一般小于10%。

圖3 總誤差(后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差之和)廓線(a)氣溶膠分布1；(b)氣溶膠分布2；(c)氣溶膠分布3；(d)氣溶膠分布4

2.2 C值削減誤差效果討論

C值對Dual-DIAL方法探測臭氧的精度至關(guān)重要，合適的C值能夠有效減小探測誤差。文章選取的C值為1.7，為了探究C值的誤差削減效果及其對消光誤差和后向散射誤差的作用，文章計算了其誤差分布情況。由圖4(a)可知，DIAL方法的探測誤差中消光誤差占88%，即其探測誤差主要由消光項引起，而后向散射項的貢獻(xiàn)只有12%；而圖4(b)顯示Dual-DIAL方法進(jìn)行臭氧探測的誤差中消光誤差的貢獻(xiàn)較小，只有34%，后向散射項的貢獻(xiàn)卻達(dá)到64%。

圖4(c)中DIAL方法的消光誤差占總誤差的比例主要在85%～95%，而比例低于80%的都是離散度較大的異常值，與之相對后向散射誤差占總誤差的比例主要在5%～15%，比例高于20%的也是離散程度較大的異常值，這些異常值位于大氣氣溶膠空間變化率較大的區(qū)域，此時的后向散射誤差可能遠(yuǎn)大于消光誤差，但是這些點的數(shù)量不及所有數(shù)據(jù)的1/4。圖4(d)是Dual-DIAL方法兩種誤差比例的盒須圖，與DIAL方法相比其消光誤差與后向散射誤差之間的差異較小，消光誤差所占的比例主要在10%～65%，而后向散射誤差的比例主要在40%～90%，總體高于消光誤差。文章所選取的C值有效削減了DIAL方法的探測誤差中占主導(dǎo)地位的消光誤差，對后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。

3 結(jié)束語

文章通過對比研究得出，Dual-DIAL方法能夠有效削減大氣氣溶膠對臭氧探測的影響，Dual-DIAL方法探測誤差遠(yuǎn)小于DIAL方法。Dual-DIAL方法有效削減了DIAL方法中占主要地位的消光誤差，對后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。其中消光誤差主要與氣溶膠含量有關(guān)，而后向散射誤差受氣溶膠的空間分布影響。此項研究為激光雷達(dá)在氣象綜合觀測業(yè)務(wù)中的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。