沙尘气溶胶观测及消光系数的反演

沙尘气溶胶观测及消光系数的反演

某市是多发生沙尘天气的地区之一。本文利用某大学半干旱气候与环境监测

站的微脉冲激光雷达CAMLTM（CE-370-2，CIMEL&CNRS）观测资料，分析某市不

同天气条件下的气溶胶（沙尘气溶胶）垂直分布特征。并利用雷达方程对其进行

反演，得到了气溶胶的光学参数—消光系数和光学厚度。

本文通过分析激光雷达资料和消光系数的变化特征，总结出以下的结论：

春季晴朗天气中，沙尘气溶胶浓度低，随时间变化不明显，随高度变化比较

稳定。大气中的气溶胶集中在2000m以下，500m以下的浓度最高。气溶胶最主

要来源是人类活动。

沙尘天气中，气溶胶浓度很高，时空变化很明显，气溶胶最主要来源是沙尘。

沙尘气溶胶集中在2000m以下，沙尘过境前后的浓度时空变化彼此不同，分布范

围不稳定。

关键词 ： 沙尘气溶胶，激光雷达，消光系数

I

第一章 引言

1.1 简介

气溶胶是浮在大气中的固体和液体微粒与气体载体组成的多相体系，例如：

尘埃、烟粒、云雾滴、冰晶和雨雪等。沙尘气溶胶的来源是土壤、岩石风化、火

山喷发的尘埃等，对西部地区来说，以土壤为来源的气溶胶最多，西部地区比其

它地区容易发生沙尘暴，西部干旱地区的沙尘气溶胶浓度比其他地区的沙尘气溶

胶浓度高。每年的春季是西部地区沙尘高发的季节，原因是春季的气温逐渐回升、

但降水仍然很少、气候干燥、风力较强、土壤解冻后造成表面疏松，容易被气流

带起进入到大气中，严重者形成沙尘暴。

沙尘气溶胶的观测，一方面能够表示该地区大气中颗粒物的污染程度，另一

方面则能够表示该地区的天气现象的发展变化和气候变化。它的影响主要有：1.

沙尘气溶胶对太阳辐射的影响。气溶胶对太阳辐射具有反射、散射、吸收等作用，

无沙尘和有沙尘的情况下太阳辐射变化很大，对沙尘气溶胶光学特征参数的研究

能够助于研究沙尘气溶胶对太阳辐射的影响。2.沙尘气溶胶对天气过程的影响。

在湿度足够的条件下，气溶胶粒子是成云到降雨过程中非常重要的因素，它起着

凝结核、冰核、冰冻核、冰化核等作用。3.沙尘气溶胶对能见度的影响。沙尘气

溶胶能够导致可见度降低，引起地面交通事故。4.沙尘气溶胶对人体健康的影响。

沙尘气溶胶浓度越高对人类健康越有危害，它带来的健康损害是多方面的。所以

现在对沙尘气溶胶的研究越发地引起学者的关注

1.2 国内外研究现状

近年来，国内外学者对沙尘气溶胶开展了多方面的研究。其中Gautam等

[11]

人，于2008年利用卫星数据和地面辐射测量相结合的方法，Gangetic-Himalayan

地区的雾霾与污染物（沙尘）的关系进行了研究，结果表明，在污染严重的地区

尤其是在沙尘浓度高的地区容易发生雾霾，且比较严重，这表明，沙尘气溶胶在

污染物和水汽的相互作用过程中起到了非常重要的促进作用。

此外，国内的诸多学者也针对沙尘气溶胶开展了广泛的研究：我国白宇波

[1]

等人于2000年7月对拉萨气溶胶的垂直分布特征进行了研究，结果表明拉萨大

气气溶胶呈现明显的随高度递减的形式，由人类活动造成的沙尘气溶胶，主要集

1

中在边界层内。李韧等人于2004年6月对敦煌地区大气中气溶胶的辐射效应

[3]

进行了研究，结果表明：太阳直接辐射随着气溶胶透射比的增大而线性增大；总

辐射随着气溶胶透射比的增大呈指数增长；气溶胶透射比与气溶胶对辐射衰减存

在线性负相关，随着气溶胶对辐射衰减的增大而减小。林常青等人于2013年5

[4]

月利用激光雷达对北京地区的气溶胶进行观测，研究了激光雷达的反演算法，结

果表明，通过合理的调整计算边界，并结合太阳光度计的观测，能有效提升雷达

反演精度。

1.3 本文的研究目的及意义

上述研究表明，目前国内外学者已经从多方面对沙尘气溶胶的特性进行了研

究，本文基于现有的观测仪器及数据，拟将从激光雷达观测入手，来研究西北复

杂下垫面的城市地区沙尘天气的演变过程，并利用雷达方程对其进行反演，进一

步研究沙尘气溶胶的光学特性。

通过本文的研究，能够剖析沙尘气溶胶在某城市地区的扩散特征及光学特

性，从而为进一步研究某沙尘气溶胶的辐射特性提供基础参数。

2

第二章资料与方法

2.1 背景介绍

我国的西北地区是每年沙尘暴最多的地区，尤其是某地区。某市处在东经

103°40′，北纬36°03′，是半干旱地区。每年春季是某最干燥的时候，干燥

的气候是沙尘气溶胶浓度变高的原因之一，而且土壤基本上没有明显的腐殖质

层，土质疏松，缺少水分，土壤剖面的主要是砂砾。因此本文以某为实验地点，

以2011年春季晴朗天气为背景，观测某2011年春季的沙尘天气的沙尘气溶胶。

2.2 方法介绍

激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的，工作在红外和可见光波段

的雷达，是新型的主动式大气遥感仪器，它有激光具有短脉冲、高准直、高度量

等特性，具有很多气象仪器不具备的优势，理论上它能观测到任何尺度谱上的粒

子信息。目前激光雷达在气象中主要应用是探测气溶胶和云的光学特性与时空分

布，特别是对沙尘气溶胶的探测。沙尘气溶胶与人类生存的关系很密切，通过激

光雷达的观测会找到它们彼此的作用。

本文利用CAMLTM（CE-370-2，CIMEL&CNRS）微脉冲激光雷达的观测资料，

研究某市的沙尘气溶胶的演变过程及垂直分布变化，观测地点是某大学本部校

园，激光雷达安装在某大学本部科学馆楼顶（36.05°N，103.86°E，海拔1525m）。

本文用的这种雷达的体积和质量小，使用方便。激光雷达每一次观测后获取信号

强度随高度变化的五条廓线，每一条廓线对应一分钟时间内的回波信号强度变

化。本文分析每分钟时间内的回波信号强度变化和五分钟内的平均值来研究沙尘

过境前后沙尘气溶胶在大气中的垂直分布变化特征。为了研究沙尘气溶胶的影响

程度，本文通过晴天和沙尘天气的雷达数据来对比分析不同天气条件下气溶胶浓

度特征及其光学特性。

本文选用的资料为2011年3月9日（晴天）和12、13日（沙尘天）的激光

雷达实时观测数据。

2.3 数据处理

2.3.1 雷达方程

3

我们在本文使用的单波长米散射激光雷达方程如下：

P（z)PCZ[(z)(z)]T(z)T(z)

01212

222



式中是激光发射能量，是激光雷达系统常数；和分别是气

P(z)(z)

012

C





溶胶粒子和空气分子的后向散射系数；和

T(z)exp[(z)dz]

11





z

T(z)exp[(z)dz]

22





分别为气溶胶透过率和空气分子透过率；和是



12

(z)(z)



0

z

0

高度Z处的气溶胶粒子和空气分子的消光系数。

如果事先知道高度Z处的气溶胶粒子和空气分子消光系数，则Z处以上各高

度的气溶胶粒子消光系数（前向积分）为：



12

(z)(z)

ss

12

s

2

X(z)exp[2(1)(z')dz']

zz

X(z)

c

2X(z')exp[2(1)(z'')dz'']dz'



zz

cc

s



1c2c

(z)(z)

1

s

2

z

s

1





2

z

c

s

1



2

s

2

2

X(z)P(z)Z

在上述式子中，，和即为气溶胶粒子和空气分子的消光后向

SS

12

散射比。根据不同的气溶胶粒子谱及折射指数而事先给出，。空气

SS8/3

1

2



分子的后向散射系数（或）使用美国标准大气模式获得空气分子密度



22

(z)(z)

的垂直分布廓线，再由分子Rayleigh散射理论计算得到。

2.3.2 消光系数

本文提到的消光系数是沙尘气溶胶把太阳辐射散射、吸收而衰减太阳辐射的

时候，表示衰减程度的参数，太阳辐射的衰减表现在太阳辐射某个波段的单位面

积和单位长度上。气溶胶的散射系数、吸收系数和光学厚度系数都影响消光程度，

所以讨论沙尘气溶胶的消光系数的时候要考虑它们。利用激光雷达提供的数据通

过编程序算出消光系数和光学厚度。200米以下的区域是雷达的盲区，可以舍略。

一般情况下，沙尘气溶胶垂直扩散基本上聚在5000米以下的大气中，本文主要

分析边界层内200米～2000米范围的激光雷达回波信号。

第三章结论分析

本文通过激光雷达观测了某城市地区2011年3月的晴朗天气和沙尘天气的

4

气溶胶浓度分布。

3.1. 晴天气下的气溶胶观测及反演

3.1.1雷达观测分析

（1）时间的选择

本文选用某市的2011年3月9日晴朗天气作为背景，利用激光雷达观测得

到的回波信号，来研究某地区春季晴朗天气条件下的气溶胶浓度垂直分布特征，

本文所选的观测时段详见表1所示。

表1 观测时刻表（北京时间）

序号 选择的时间 说明

1 03:47 为了说明晴朗天气下气溶胶的浓

2 07:59 度特征，本文共选择5个不同时

3 13:59 刻，来研究气溶胶浓度的日变化

4 16:58 特征

5 19:32

（2）晴朗天气气溶胶浓度日变化特征观测

观测中利用激光雷达得到的回波能量图形如下：

图（1） 3月09日北京时间03:43激光雷达回波能量

5

图（2） 3月09日北京时间07:59激光雷达回波能量

图（3） 3月09日北京时间13:59激光雷达回波能量

图（4） 3月09日北京时间16:58激光雷达回波能量

图（5）3月09日北京时间19:32激光雷达回波能量

（3）雷达回波能量图形的分析：

①从上述雷达回波信号图的日变化可知，春季晴天的雷达回波能量强度相对

稳定。图（1）表示03:43时刻的回波能量变化特征。凌晨，人类活动对气溶胶

的影响小，但，逆温层控制下的空气层不利于气溶胶的扩散，引起近地面层的气

溶胶浓度增高，因此，500米以下高度的回波能量比500米以上的回波能量比较

大，500～2000m高度的回波能量随高度减小。

②图（2）是早晨07:59的回波能量变化图，这时候，人类要上班（当天是

周三，正常工作日），排放的车辆尾气比较多，逆温层开始减弱，但是，未完全

6

消失，所以近地面的气溶胶扩散速度慢，在500米以下，气溶胶浓度稍微减小，

回波能量同时减弱，取值变化小；同理，随着逆温层的逐渐减弱，500～2000m

之间的气溶胶浓度比03:43时刻的同样高度的气溶胶浓度稍微大，雷达回波能量

稍微强，取值变化不大。

③从图（3）可知，在13:59时刻，500米以下和500～2000m高度的回波能

量比以上两张图同一高度的回波能量比较大，原因是，由于当时人类上班工作，

车辆尾气排放量多，还有可能空气中存在早晨逆温层消失了以后还未彻底扩散完

的气溶胶颗粒物，因此500m以下的回波能量比较大；夜间和凌晨累积在近地面

层的气溶胶随着逆温层消失而扩散上升，500m～2000m高度范围的气溶胶浓度会

增大，因此在这个高度之内，13:59时刻的回波能量比较强。

④图（4），（5）的500米以下的回波能量比以上三张图上的回波能量大，原

因是一样的，由于16:58左右是下班时间，车辆尾气排放量比较多，引起气溶胶

浓度增高和激光雷达回波能量变强；通过查看资料，发现当天在某19:10左右日

落，因此可知，在19:32时刻，逆温层逐渐形成，由于气溶胶无法抬升，集中在

近地面层，近地面层的气溶胶浓度会增高，引发激光雷达回波能量增大。从这两

张图上来看，图（5）的500m～2000m的回波能量比图（4）的回波能量稍微减弱，

因为，图（5）上的时间是逆温层逐渐形成阶段的时间，近地面层的气溶胶颗粒

物无法垂直扩散或扩散速度很慢，所以500m以上高度的气溶胶受到近地面层的

影响减小，大气的自净作用和湍流作用下，上空的气溶胶浓度开始减小，因此激

光雷达回波能量比较弱。

⑤从以上5张图可知，晴朗天气条件下，影响激光雷达回波能量的是人类活

动为源的排放大气中的扬尘、烟尘、汽车尾气等小颗粒物和大气自身的运动，它

们虽然会影响气溶胶浓度变化，但，影响不大。该天气条件下，大气中没有影响

雷达回波的天气过程，所以气溶胶分布比较稳定，浓度低。

3.1.2 反演分析

1.消光系数计算

（1）消光系数变化特征

利用以上的雷达信号图形和雷达方程，反演计算得到一天内不同时刻的消光

系数随高度的变化详见图（6）所示。

7

图（6） 2011年3月9日不同时刻的消光系数随高度的变化

（2）消光系数变化特征图的分析

①图（6）是晴朗天气的消光系数不同时刻随高度的变化图，由于200m以下

是激光雷达的盲区，本文利用的数据是200m以上的数据，横坐标的零点是实际

上的200m高度之处。

②从图可以看到在200m高度上，03:43时刻的消光系数最大，取0.155，13:59

时刻的消光系数最小，取0.097，原因是在这两段时刻的气溶胶浓度受到的人类

活动的影响和逆温层的影响。凌晨人类活动影响很小，但逆温层存在，空气中的

气溶胶无法扩散，浓度增高，雷达回拨能量比较强，因此反演得到的消光系数比

较大，下午13:59时刻的原因却相反，逆温层不存在，人类活动影响大，但大气

的湍流扩散作用下近地面的气溶胶浓度不断调节，因此回波能量比其他时刻的较

弱，反演得出的消光系数会小。

③从图可以看到，整体上来看，在同一时刻，消光系数基本上随高度增高而

减小。离地最近处的消光系数最大，如：图（6）上的13:59时刻的200m高度上

的消光系数值将近0.1,同一时刻在2.5公里高度上的消光系数值为0.05，两个

值的差别比较大。

2.光学厚度计算

（1）光学厚度变化特征

利用以上的雷达信号图形和雷达方程，反演计算得到一天内不同时刻的光学

厚度详见表2所示。

表（2）2011年3月9日光学厚度随时间的变化

8

序号 时间 光学厚度

1 07:59 0.326383

2 13:59 0.200388

3 16:58 0.178734

（2）光学厚度分析

①从表2可以知道，光学厚度在07:59时刻取最大值，在下午16:58时刻取

最小值。

②气溶胶光学厚度是反映大气气溶胶的浓度程度的参数，表示的是单位载面

的垂直气柱的透过率，它越高，大气透明率越低。凌晨，逆温层的作用下气溶胶

不易扩散，累集在近地面层，则浓度增大，在07:59时，太阳刚出来，逆温层未

完全消失，气溶胶浓度高，则光学厚度比较高。在16:58时，没有逆温层，大气

扩散比凌晨较快，空气中的气溶胶浓度较小，则光学厚度较小。

3.2. 沙尘天气的气溶胶观测及反演

3.2.1雷达观测分析

（1）时间的选择

本文选用某市的2011年3月12、13日一次沙尘过程作为背景，利用激光雷

达观测得到的回波信号，来研究某地区沙尘天气条件下的气溶胶浓度垂直分布特

征，本文所选的观测时段详见表3所示。

表3 观测时刻表（北京时间）

序号 时间 说明

1 3月12日10:01 为了说明沙尘过境的每一个阶段的气溶胶的

2 3月12日14:44 浓度特征，本文共选择8个不同时刻，来研究

3 3月12日20:18 气溶胶浓度的日变化特征

4 3月12日22:00

5 3月13日04:00

6 3月13日08:16

7 3月13日14:16

8 3月13日20:15

（2）气溶胶浓度变化特征

观测中利用激光雷达得到的回波能量图形如下：

9

图（7） 3月12日北京时间10:01激光雷达回波能量

图（8） 3月12日北京时间14:44激光雷达回波能量

图（9） 3月12日北京时间20:18激光雷达回波能量

10

图（10） 3月12日北京时间22:00激光雷达回波能量

图（11） 3月13日北京时间04:00激光雷达回波能量

图（12） 3月13日北京时间08:16激光雷达回波能量

11

图（13） 3月13日北京时间14:16激光雷达信回波能量

图（14） 3月13日北京时间20:15激光雷达回波能量

（3）雷达回波能量图形的分析：

①从以上的图可以知道沙尘的过境前、过境时刻和过境后等三个阶段的演变

过程。图（7）是沙尘过境前的回波能量图，的回波能量与晴朗天气的回波能量

一致；在图（8）～图（12）的500m以下的回波能量一直很大，500m以上的区

域开始出现很强的回波能量，离地最近处的回波能量达到晴天的回波能量的两

倍，1000m以上区域的回波能量超过其两倍；在图（13）、图（14）的500m以下

区域的回波能量比以上的5片图的回波能量明显地减弱了，1000m以上的持续加

强；图（14）的回波能量已经减弱到晴朗天气的回波能量一样，离1000m以下的

回波能量基本上稳定下来了。

②在分析图形的过程中，可以知道沙尘刚出现时500m以下的能量开始加强，

这高度以上的区域基本上没有变化；在沙尘达到高峰时间段，500m以下的回波

非常大而且出现沙尘过程中的最大值，1000m以上的回波能量加强，离地最近区

域的能量减弱；这一系列过程发生的原因是大气的湍流扩散作用和自净作用。

12

3.2.2反演分析

1.消光系数计算

（1）消光系数变化特

利用以上的雷达信号图形和雷达方程，反演计算得到不同时刻的消光系数随

高度的变化详见图（15）所示，（前四条线为3月12日的，后四条线为3月13

日的）。

图（15）2011年3月12、13日不同时刻的消光系数随高度的变化

（2）消光系数变化特征分析

①图（15）是沙尘天气不同时刻的消光系数随高度的变化图。从图可以看到，

当天的消光系数在不同时刻、不同高度的变化都很大，变化趋势很明显。12日

10:01时间的水平（垂直）变化不明显，200m高度的消光系数约为0.1，此刻沙

尘还没出现；在14:44到22:00时刻，消光系数变大，200m高度的消光系数约

为0.1、0.2，沙尘气溶胶浓度增大，此刻沙尘在发展；在12日22:00到13日

04:00，消光系数在200m高度的消光系数约为0.2、0.45，消光系数增大，在08:16

时刻的在200m的消光系数约为0.4、虽然消光系数稍微减小，此刻沙尘气溶胶

浓度还是很大，0.45为沙尘高峰阶段的消光系数；14:16、20:15时刻200m高度

的消光系数值约为0.3和0.12，从这两个值可知，消光系数明显减小，沙尘气

溶胶浓度减低，此刻沙尘退缩阶段。

②图上，13日14:16条线的变化趋势跟其他三条线不太一样，尤其是在800～

1600m高度范围内消光系数取值变化很大，消光系数最大值约2.3,08:16的1800m

以上的消光系数变化非常大，最大值约2.3。出现这种情况的原因可能是在这范

围的垂直扩散缓慢，空中的沙尘粒子形成一层雾，因此这范围内的回波能量很强。

13

2.光学厚度计算

（1）光学厚度特征

利用以上的雷达信号图形和雷达方程，反演计算得到一天内不同时刻的光学

厚度详见表4所示。

表（4） 沙尘天气不同时刻的光学厚度

序号 时间 光学厚度

1 3月12日10:01 0.135088

2 3月12日14:44 0.103773

3 3月13日08:16 1.350378

4 3月13日14:16 1.044266

（2）光学厚度特征分析

①从表（4）的数据可以知道光学厚度整体上随时间先增后减，最小值约

0.104，最大值约1.350。

②表里的14:44的光学厚度是沙尘过境前的光学厚度，是最小值；沙尘的高

峰时刻的光学厚度为1.350，是最大值，随着沙尘的减弱，光学厚度值减小。

3.3 对比分析

通过晴朗天和沙尘天天的激光雷达回波能量图和反演计算得到的消光系数

随高度的变化和光学厚度随时间的变化，可以知道不同天气条件下气溶胶的空间

分布互不相同。

1.无沙尘的晴朗天气下，气溶胶的回波能量很弱，气溶胶浓度很低，回波能

量集中在500以下的区域，变化比较稳定，气溶胶的主要来源是车辆尾气、烟尘

等；沙尘天气下，气溶胶的回波能量很强，最大能量超过无沙尘天气的5倍，时

空变化很大，气溶胶的主要成分是沙尘气溶胶，浓度很高。

2.消光系数是表示气溶胶光学特性的参数，两种天气条件下反演得出的消光

系数有区别。晴天的200m高度的消光系数最大值约0.155，最小值约0.097，变

化不大，凌晨取最大值，中午取最小值；沙尘天气的200m高度的消光系数最大

值约0.45，最小值约0.1，高峰时刻取最大值，沙尘过境前后取最小值。

3.光学厚度也是表示气溶胶光学特性的参数，两种天气条件下反演得出的光

学厚度值有区别。晴天的光学厚度最大值约0.326，最小值约0.179，随时间变

化不明显，凌晨取最大值，晚上取最小值；沙尘天气的光学厚度最大值约1.350,

最小值约0.104，随时间变化很大，沙尘过境前取最小值，沙尘高峰时刻取最大

14

值。

3.4结论

通过对某地区春季不同天气条件下沙尘气溶胶粒子在大气中的垂直分布的

分析，得出以下的结论：

1.在春季晴天，某市空气中的气溶胶浓度较低，大部分是车辆排放的污染尾

气、烟尘等一些直接或间接而形成进入空气的颗粒物。气溶胶主要集中在500m

以下高度区内，500m～2000m高度的气溶胶浓度很低，随高度增高而减小。

2.春季沙尘天气下，空气中的气溶胶浓度很大，主要来源是沙尘颗粒物。在

沙尘过境前与高峰阶段，500m以下高度的气溶胶浓度变化区别很大，沙尘过境

前后的气溶胶浓度比沙尘高峰时刻的浓度小，在500m～2000m之间的气溶胶浓度

也有不同的变化特征，在沙尘过境前到沙尘过境后，浓度增大。

3．从整上来看，春季晴天和沙尘天气的气溶胶光学特性变化之有明显的区

别，晴天的气溶胶光学特征参数—消光系数和光学厚度值比较小，气溶胶对太阳

辐射的衰减作用较小。沙尘天气中，两个光学特征参数比较大，气溶胶对太阳辐

射的衰减作用很大。

15

第四章 总结与讨论

4.1 文章总结

本文以某市为试验地点，利用激光雷达观测某的激光雷达回波能量数据，对

某市2011年3月的晴朗天气与沙尘天气对比分析，通过雷达方程，反演出消光

系数不同时刻随高度的变化和不同时刻的光学厚度，总结出来不同天气条件下的

气溶胶（沙尘气溶胶）大气中的分布情况。

从激光雷达回波能量图、消光系数随高度变化图和不同时间的光学厚度可以

结论得到某市晴朗天气的气溶胶集中在2000m以下，整体上，气溶胶浓度随高度

增高而减小，凌晨的浓度较高，中午的较小。沙尘天气条件下，空气中的气溶胶

浓度很高，沙尘过境每一阶段的浓度随高度的变化彼此不同，过境前整个边界层

的气溶胶浓度低，在沙尘来临到退减的过程，气溶胶浓度很高，由于大气的湍流

扩散作用，沙尘气溶胶在大气中的分布范围不稳定。

4.2 存在的问题与展望

文章存在的问题：

1.因为晴朗天气激光雷达容易受到太阳光和云的影响，数据肯定存在误差。

春季2月、3月份是某市气溶胶浓度比较高的时候，所以晴朗天气中也存在扬尘、

烟尘等其他气溶胶，这些情况会影响对晴朗天气的气溶胶分布特征的分析。

2.沙尘过程的分析中，风速、风向、大气湿度对观测结果有一定的影响。但

本人采集的资料不够，这部分的影响尚待分析。

3.本文主要研究边界层内气溶胶的浓度及光学特征，由于激光雷达观测中，

200米以下的范围是其观测的盲区，故本文的研究高度为200m～2000m。基于此

计算得到的光学厚度也与实际光学厚度存在一定的差异。

16