大氣氣溶膠微物理參數的三波長拉曼雷射雷達探測研究

《大氣氣溶膠微物理參數的三波長拉曼雷射雷達探測研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由劉東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大氣氣溶膠微物理參數的三波長拉曼雷射雷達探測研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉東
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

大氣氣溶膠的直接和間接輻射效應一直是研究氣候變化的熱點問題，但是目前人們對它的認知程度還很低，其重要的原因是缺乏基礎觀測數據，尤其是垂直分布信息更難獲得。隨著氣溶膠氣候效應研究的深入發展，其微物理參數顯得更加重要，如氣溶膠粒子的單次散射返照率是氣候模式中氣溶膠的關鍵輸入參數。本項目將在現有可移動式三波長（355nm，532nm和1064nm）雷射雷達的基礎上增加355nm和532nm波長的拉曼探測通道，在國內首次實現五通道雷射雷達（ ）的米和拉曼散射同時探測，使用355nm、532nm和1064nm波長後向散射係數和355nm、532nm波長的消光係數，通過自行研製的數值方法來反演氣溶膠粒子譜分布和復折射指數，再由米散射理論計算得到粒子單次散射返照率。並對合肥上空的大氣氣溶膠進行晝夜連續觀測，得到光學和微物理參數垂直分布統計特徵。

結題摘要

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系。氣溶膠在地球-大氣輻射收支過程中扮演了重要的角色。它不但通過散射吸收短波和長波輻射，直接影響地-氣之間的輻射收支平衡；它還會作為凝結核參與雲的形成，從而改變雲的光學、微物理特性、生命周期和降水。氣溶膠已經成為影響全球氣候變化的最敏感的強迫因子，也是氣候變化機制研究和制定減排政策時必需考慮的新的視角和切入點，是當今科學研究前沿。目前人們對於氣溶膠的科學認知程度仍比較低，其重要原因是缺乏氣溶膠的物理、化學與光學特性的基礎觀測數據，特別是氣溶膠的垂直分布信息很難獲得。 本課題在原有可移動式三波長（355nm，532nm和1064nm）雷射雷達的基礎上，增加分別接收387nm和607nm的氮氣拉曼回波信號通道，在國內首次實現三波長發射和五通道接收的氣溶膠探測雷射雷達系統。通過與模式廓線比較，以及與類似雷射雷達對比探測的驗證，其總體技術指標達到了其設計指標要求，滿足氣溶膠光學和微物理垂直廓線探測和反演的要求。同時在數據處理和反演方法上，也做了大量的具有創新性研究工作。針對較為成熟的532nm波長可見光波段氣溶膠消光係數垂直廓線的反演方法，進行了擴展和修正，使其套用到355nm和1064nm波長的反演上。同時又研製了拉曼散射反演算法，套用到387nm波長和607nm波長氮氣拉曼信號上，減少了雷射雷達比的假設，同時反演消光係數和後向散射係數垂直廓線，再利用多波長的探測特點，分別可以得到355nm，532nm和1064nm波長的後向散射係數廓線，355nm波長和532nm波長消光係數廓線。這5組光學參數變數為反演氣溶膠的微物理參數奠定了基礎。基於貝葉斯理論的最最佳化方法的套用，經過正演模型，模擬反演和實時反演三個階段，實現了氣溶膠粒子譜分布和復折射指數垂直廓線的反演獲取，完成了本課題既定的研究目標。 本課題充分利用雷射雷達遙感先進技術手段，通過米、拉曼散射、多波長聯合探測技術，不僅獲得了氣溶膠的光學參數，在此基礎上還反演了其微物理參數，邁出了從光學參數到微物理參數垂直廓線反演的關鍵一步。微物理參數的獲取，尤其是其垂直廓線，將進一步提高人們對氣溶膠的認知程度，推動其在環境、氣象、氣候和健康等領域的研究進展。也可為當前國內霧霾研究實時定量獲得其主要成分比例結構排序，確定有效的短期和長期治理措施提供依據。