论文总字数：16067字
目 录
1.引言 1
2.气溶胶研究方法进展 1
3.激光雷达工作原理 3
4.气溶胶光学特性的反演算法 5
4.1利用斜率法反演气溶胶的光学特性 5
4.2利用Klett方法反演气溶胶的光学特性 5
4.3利用Fernald法反演气溶胶的光学特性 6
5.资料处理及分析计算 6
5.1雷达数据的处理 6
5.2气溶胶消光系数的反演结果 7
5.2.1瑞利散射信号的气溶胶消光系数分析 7
5.2.2米散射信号的气溶胶消光系数分析 9
6.结论 11
参考文献 12
致谢 14
气溶胶光学参数的数据分析
虞历尧
，China
Abstract：Based on the laser radar of Nanjing University of Information Science and Technology, the National Meteorological Bureau of China and the Nanjing comprehensive observation experimental base, the atmosphere of northern suburb of Nanjing was observed. Anti-performance of atmospheric aerosol extinction coefficient profiles based on Klett inversion algorithm. Through the analysis of the experimental data, we can know that: Rayleigh scattering is mainly used for the observation of high altitude. The aerosol extinction coefficient of Rayleigh scattering is between 0~0.025 km-1.The aerosol extinction coefficient in the middle and upper level will be slightly more volatile. The upper atmosphere is relatively clean. And more to the top, the more clean the atmosphere. Extinction coefficient at 20 km is only 0.002 km-1.Aerosol extinction coefficient is greater than 1 km-1in the northern suburb of Nanjing in 1.5 kilometers between 20:19 from 20:53 at night of December 2, 2011. From 20:19 to 21:18 the extinction coefficient of 0.8 km over northern suburb of Nanjing during this period of time is 0.18km-1.The cloud between 0.5 kilometers from 1.5 kilometers are growing during the period from 20:53 to 21:18 at night of December 2, 2011. Aerosol extinction coefficient is between 0.14~0.18 km-1.
Key words：Lidar; aerosol; aerosol optical properties; extinction coefficient profile
1.引言
大气气溶胶是由悬浮于大气中的直径为0.001-100μm的固体或液体颗粒物组成的体系。大气气溶胶不但种类繁多而且它的来源也很复杂。大气气溶胶主要有两种来源分别为自然源和人工源。自然源主要包括被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等；人工源主要是化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的废气尘埃等 [1]。虽然大气中气溶胶的含量很少，但其与大气中所发生的一些物理现象有着很大的联系[2]。
大气气溶胶能够影响到辐射的传输，从而影响到地球的辐射收支平衡进。一旦地球的辐射收支平衡改变，地球的气候也将随之改变。气溶胶的辐射贡献由两部分构成：一部分是直接辐射贡献，是由于气溶胶对太阳辐射进行吸收、散射进而影响到行星反照率和气候系统；另一部分是间接辐射贡献，是由于参与大气化学过程和作为云凝结核，造成大气成分的改变，间接地影响对太阳辐射能的吸收。作为云凝结核的气溶胶，还会影响云的寿命，降水特性也将受到影响[3-6]。
另外，大气气溶胶也会影响到大气环境从而影响人们的身体健康[7]。在城市大气中,由汽车尾气和燃煤排放出大量污染气体可通过气-粒转化过程形成二次气溶胶,由于二次气溶胶粒子小、持续时间长,已对城市大气环境产生显著影响。高浓度的气溶胶可以降低大气的能见度而影响城市的正常生活，例如会影响正常的公共交通；微米级的气溶胶粒子会对人的呼吸系统产生重要影响,危害人类健康。气溶胶也与酸雨、能见度和世界许多城市的烟雾问题有密切的关系。
近年来，气溶胶不但给人们的生活带来了巨大的影响而且其产生的气候效应也越来越受到人们的关注，成为了全球气候研究的一个热点问题[8]。无论在国内还是国外很多研究人员通过不同的手段和方法对气溶胶进行了全面的研究，他们利用气象能见度资料[9]、太阳辐射资料[10]、太阳光度计和卫星遥感资料[11]从不同的角度研究气溶胶光学特性，初步了解了气溶胶的某些特性。随着研究人员对气候效应研究的深入，对气溶胶研究的内容与要求也越来越高。因此本文采用的是利用激光雷达对气溶胶的光学特性进行连续监测,不仅可以用来研究气溶胶气候效应，对研究预报大气能见度以及污染物扩散 [12-13]也很有帮助。这对我国的气溶胶研究具有重要意义。
2.气溶胶研究方法进展
早期中国气溶胶研究工作主要是利用采样方法对采样得到的气溶胶粒子进行分析，研究气溶胶粒子的谱分布及其与地理环境、天气条件的关系。利用地面采样方法观测气溶胶及监测空气质量虽然能够提供代表地面以及区域性的大气气溶胶特性，但这只是用于研究水平方向上的气溶胶特性，却无法解释分析垂直方向上气溶胶分布的特性。后来人们开始利用飞机或气球，主要做法就是把相应的仪器装载在飞机或者是气球，这样在仪器上升的过程中就可以对气溶胶进行测量，这种做法就实现了对垂直方向上气溶胶的观测，但是这种方法的成本较高而且观测范围小，观测时间短。
随后人们开始把遥感技术运用于气溶胶的探测，利用遥感技术对气溶胶进行探测的方法可以对垂直方向上的气溶胶特性进行长时间的观测。地基激光雷达就是运用遥感技术实现对气溶胶的观测的，地基激光雷达可以根据所接收到的后向散射回波反演出气溶胶的消光系数廓线，进一步的研究气溶胶的光学特性。激光雷达所获取的回波信息还可用来确定边界层高度、监测边界层顶高随时间的变化情况[14]。激光雷达是一种主动遥感设备，具有高时空分辨率、能连续监测大气变化的特点。因为激光具有高亮度、高准直、短脉冲等特点，所以用激光雷达探测大气可以拥有其它仪器设备不具备的优点。激光雷达可以探测大气温度[15]、风廓线[16]、气溶胶消光系数垂直廓线[17]、云的廓线[18-20]以及污染物浓度等。
在20世纪30年代就有人开始利用探照灯光束研究高层大气密度、探测云底高度。20世纪60年代世界上第一台红宝石激光器出现后，激光雷达就开始用于测距。同时，激光技术被迅速地应用于大气探测。激光技术的不断发展以及先进资料处理系统的采用，使得利用激光雷达进行大气探测变得越来越准确[21-23]。
现如今激光雷达的种类有许多，在众多类型的激光雷达中，最为常用的一种雷达就是米散射激光雷达。可通过计算雷达所接收的散射回波来得到散射粒子的某些特性。吕达仁等[24]利用中国科学院大气物理研究所研制成功的激光雷达配合太阳光衰减的测量，对北京地区晴空低层3km以下大气消光系数分布及光学厚度作了定量测量和分类整理。刘诚等[25]利用微脉冲激光雷达在西藏那曲和北京郊区测量并分析了大气气溶胶的分布特性。以上都是介绍地基激光雷达的应用，其位置相对固定，对某一固定地点行气溶胶长期观测可以累积具有代表性的资料。而车载激光雷达具有便于移动的特点，可以方便应用于外场科学实验、短期流动观测。谢晨波等[26]利用一种车载式拉曼-米氏散射激光雷达探测了对流层气溶胶。除了地基、车载激光雷达外，机载激光雷达的探测资料可以用来研究大气气溶胶、云以及大气边界层在航行范围内的时空变化特征，也可以用于研究污染物的起源、输送等问题[27]。而星载激光雷达能长期提供大范围的大气气溶胶观测资料，不受地面条件的限制和人为因素的影响，可以实现全球观测，且具有高分辨率和高测量精度[28]。
如上所述，各站点对气溶胶的观测都比较独立、分散。而对全球的气溶胶进行连续观测对于研究气溶胶的变化尤为重要。观测全球气溶胶光学特性的全球网络，除了有美国国家航空航天局(NASA)的AERONET地基观测网外，NASA还资助建立了MPLNET微脉冲激光雷达地基观测网用于监测气溶胶和云的垂直分布信息，也为卫星遥感提供气溶胶观测的校验。在我国，利用激光雷达进行气溶胶观测研究的主要单位有中国科学院大气物理研究所，中国科学院安徽精密光学机械研究所,兰州大学等单位。
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