利用激光雷达资料分析兰陵大气污染天气.docVIP

利用激光雷达资料分析兰陵县天气 申培鲁1 高安春2 冷严侠1 李军1 耿长友1 （1山东省兰陵县气象局，临沂市， 276004 2山东省临沂市气象局气象台，临沂市， 276004） 关键词兰陵县激光雷达大气污染 提要根据兰陵县 1 引言 大气污染是一种大范围立体空间里的大气现象，从地面到边界层顶，甚至往往到高空几千米都是其影响范围。所以，对于大气污染的分析需要在一个更大的时空背景下去探测和分析。但限于观测手段，目前常规的大气环境监测往往只局限于地面设备。 激光雷达作为近年快速发展的新型光波主动遥感技术，由于具有高精度、高时空分辨率的遥测特征，已经在大气及海洋环境探测等领域得到了广泛应用。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。尤其在大气探测方面取得显著发展，对各种参数的测量空间覆盖高度已经可以实现从地面到120km 的高度，其应用前景日益得到普遍关注。相对于微波、电磁波雷达，激光雷达采用的光波波长较短，与大气中存在的分子和气溶胶以及浮尘的相互作用所产生的散射效果复杂，散射形式多样，适用于陆地、大气及海洋环境监测，大气光学及物理特性、气象、气候参数高时空分辨率的精细探测。激光雷达可以实现地基、车载、机载和星载探测。也是现代雷达探测技术从厘米波、毫米波向光波探测技术的延伸，实现了遥感探测技术向高时空分辨率、高精度领域的发展[1]。鲁华章等探讨了4] 利用一台多波长激光雷达探测了对流层高云和气溶胶,并依据探测结果重点分析了北京2000 年1 月至4 月对流层上部云和气溶胶在532nm 波长消光系数分布特征。刘诚等[5] 利用微脉冲激光雷达给出了西藏那曲和北京郊区大气对流层气溶胶消光系数的垂直分布。郭本军等[6] 利用微脉冲激光雷达对大连的一次沙尘天气进行了详细分析,提出了该次沙尘天气受大气层结的影响较大,外源性特征明显。包青等[7] 利用环境监测数据、气象数据以及数值模拟结果，结合激光雷达数据反演的气溶胶消光系数，分析了2014年5月26日至6月1日南京地区一次典型的大气污染过程。焦艳等[8]利用激光雷达等多种地面观测资料研究2011年4月上海的一次典型污染过程，分析污染物的来源、生消机制以及气溶胶垂直分布的演变过程。Miffre等[9]利用激光雷达观测法国里昂地区颗粒物的垂直分布，并将结果与实测值PM10做了比较，此外还结合空气质量轨迹模型进行了污染源评价。Wu等[10]利用激光雷达、地表环境监测数据以及WRF模式模拟结果研究了南京仙林地区一次逆温引起的大气污染事件。最近几年，激光雷达在大气污染有关的浮尘、雾霾方面的探测分析日益广泛，并取得了较好的效果[11-16]。 临沂市兰陵县位于沂蒙山区和苏北的交界地带近年来大气污染环境严峻连续几年空气质量指数AQI）均在临沂市排名倒数第一第二位 2 地理环境雷达参数及观测数据 图 兰陵县地形及激光雷达布点位置 兰陵县原苍山县位于山间丘陵到山前倾斜平原的过渡地带其东北方向为东西低矮山地夹着的喇叭口状山间丘陵 2.2 雷达设备 光波的物理量可由强度、波长、相位、偏振态及指向性等来表示。光与物质相互作用主要表现为吸收及散射现象，按作用机理可以分为气溶胶等颗粒物引起的米散射，大气分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、荧光及共振散射和吸收等现象。通过对各种散射机理及效果进行分析，可以探测物质的物理及化学信息。 兰陵县大气污染的首要污染物为可吸入颗粒，因而选用了激光米散射气溶胶探测雷达。目前，气溶胶探测的激光雷达主要是以单波长或多波长（如Nd:YAG 激光器1064、532、355nm）米散射激光雷达为主，技术比较成熟。欧美及日本等国已经实现商品化。国内中国科学院安徽光学精密机械研究所等单位也先后开展该项技术的研发。兰陵县布设的激光雷达就是中国科学院安徽光学精密机械研究所无锡中科光电技术有限公司研制的双波长三通道大气颗粒物监测激光雷达。该雷达基于米散射原理，发射出532nm和355nm两种波长的激光，接收望远镜收集气溶胶和云等对入射激光的后向散射信号，通过接收355nm回波信号以及532nm的垂直和水平偏振信号，分析粒子的消光特性和偏振特性，从而分辨颗粒物的时空分布并实现沙尘、云、局地污染物的识别。 设备特点：毫焦级激光器设计，单脉冲能量高，有效提高激光雷达探测范围、时间分辨率和空间分辨率，缩短积分时间；双波长探测（355nm+532nm），有效获取颗粒物尺度分布信息，实现更小粒径的颗粒物的占有比探测，可响应的最小粒子半径5nm；偏振通道设计，可有效辨识颗粒物种类；多波长反演算法，获取更高的消