激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性

第5卷第3期

Vol.5No.3

三峡生态环境监测

EcologyandEnvironmentalMonitoringofThreeGorgesSep.2020

2020年9月

DOI：10.19478/.2096-2347.2020.03.03

激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性

刘文婷，陈昂，杨屹松，王慧琴，陈莲，徐艳格，余友清

*

（长江师范学院绿色智慧环境学院，重庆408100）

摘要：

为了研究气溶胶光学特征及其时空演变规律，利用激光雷达对重庆市涪陵区2018年6—8月气溶胶的消光系数、后

向散射系数等光学参数进行监测。研究结果表明，在观测时间和区域范围内气溶胶后向散射系数和消光系数的日

平均变化趋势相同。在0.15~20km高度范围内做垂直平均，夏季的消光系数和后向散射系数最大平均值分别为

关键词：

激光雷达；气溶胶；后向散射系数；消光系数

中图分类号：文献标识码：A文章编号：2096-2347（2020）03-0024-07

X51

17.3Mm·sr

-1-1-1

和0.43Mm。这一差异可能与重庆市涪陵区2018年夏季大气环境对流较强有关。

OpticalCharacteristicsofSummerAerosolasObrvedbyLidar

LIUWenting,CHENAng,YANGYisong,WANGHuiqin,CHENLian,XUYange,YUYouqing

*

（

GreenIntelligenceEnvironmentalSchool,YangtzeNormalUniversity,Chongqing408100,China)

Abstract:Inordertounderstandtheopticalcharacteristicsandspatio-temporalpatternsofaerosol,theopticalparameters,suchas

aerosolextinctioncoefficientandbackscatteringcoefficient,havebeeninvestigatedusinglidarinFulingDistrictofChongqingfrom

JunetoAugust2018.Theresultsshowthatthedailyvariationtrendsofaerosolbackscatteringcoefficientandextinctioncoefficient

arethesame.Themaximummeanvalueofbackscatteringcoefficientandextinctioncoefficientover0.15~20kmaltitudewere

inginthesummerof2018.

17.3Mm·srand0.43Mm,respectively,whichmightbeassociatedwithstrongsummerconvectioninFulingDistrictofChongq⁃

-1-1-1

Keywords:lidar;aerosol;backscatteringcoefficient;extinctioncoefficient

气溶胶是指悬浮于大气中相对稳定的固体或成、烟雾事件的发生等密切相关，也会对人体健

液体微粒。它们通过散射和吸收太阳辐射改变地康产生重要影响。不同污染类型气溶胶对应不同

气系统的辐射平衡，在全球和区域气候变化中扮的化学组分，具有相异的吸收/散射特征。在快

[1][3]

演着十分重要的角色。气溶胶的特性取决于它们速的工业化与城镇化进程中，中国城市地区的气

的物理、化学和光学性质，与其在大气中的非均溶胶排放复杂多变，对气候、环境变化产生关键

相化学反应有着密切的关系，在空间和时间上都而不确定的影响。然而目前针对城市灰霾气溶胶

具有很大的差异。此外，气溶胶还与酸雨的形光学特性的观测仍然十分有限。

[2]

收稿日期：2020-03-20

基金项目：重庆市自然科学基金项目（cstc2018jcyjAX0189）；重庆市教委科学技术研究项目（KJ1601201）；重庆市涪陵区科委科技计划

项目（FLKJ2018BBB3019）；长江师范学院校级科研项目（2015KYQD02）。

作者简介：刘文婷（1997—），女，主要从事大气环境监测研究。E-mail:*****************

*通信作者：余友清（1980—），男，副教授，博士，主要从事大气化学及大气污染控制方面的研究。E-mail:*************

引用格式：刘文婷，陈昂，杨屹松，等.激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性[J].三峡生态环境监测，2020，5（3）：24-30.

CiteFormat:LIUWT,CHENA,YANGYS,etal.OpticalcharacteristicsofsummeraerosolasobrvedbyLidar[J].EcologyandEnvironmental

MonitoringofThreeGorges，2020，5（3）：24-30.

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第5卷第3期

刘文婷，等：激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性

25

卫星和地基遥感技术是目前研究气溶胶光学于重庆主城和远郊区县结合部，为三峡水库腹地，

特性和辐射效应最常用的手段。近年来，我国基兼有浅丘、山地和大江（长江和乌江），同时有我

[4]

于地基遥感研究气溶胶光学特性大多是在经济快国最大、世界第三的页岩气开采区，下垫面、气

速发展的城市地区进行的，这些地方通常都具有象和污染排放条件独具特性。因此，本文以重庆

较高的气溶胶负荷。在垂直方向上对气溶胶进行市涪陵区为研究对象，利用气溶胶激光雷达对本

不同时间长度的观测，目前的技术手段主要包括地区夏季气溶胶光学参数进行研究，以期对本

高层建筑、铁塔、激光雷达和系留飞艇观测。前地区气溶胶特点及时空演变规律有更深入了解，

[5]

两者受到高度的限制，不能探测到边界层高层进而为本地区大气污染防治提供可靠的基础数据

（1km以上）污染情况，而系留飞艇难以做到实时支持。

快捷的监测。激光雷达系统观测高度能够到达对

流层顶，以定量的方式测量气溶胶的光学属性，

能评估气溶胶粒子的主要微物理属性。因此，

[6-7]

激光雷达具有其他方法不能比拟的优势，被广泛采样点位于重庆市涪陵区长江师范学院校内，

地应用于气溶胶的观测研究。采样器安置于学校致远楼楼顶（107.266°E，

近年来，越来越多的观察利用激光雷达研究

大气气溶胶特性，以期得到其在特定地区的光学地面不产生烟尘，四周均为长江师范学院教学办

和理化特征及时空演变规律。张朝阳等利用微脉公区，无明显局部源污染。采样时间为2018年

[8]

冲激光雷达探测网监测气溶胶，建立了激光雷达

气溶胶垂直分布反演方法。在利用激光雷达探测点周边没有工地建设、工业生产，仅仅在周边道

气溶胶光学参数特性方面，国内开展了一系列短路上存在车辆流动，确保了本研究激光雷达系统

期观测特定地区或者特定气候条件下气溶胶光学观察到的数据的可靠性。

性质的研究。

[9-11]

重庆市地形条件特殊，兼有东部的平原、中在本次研究中，采用气溶胶激光雷达（北京

部的浅丘、西部的山地及三峡库区的特大河道型怡孚融和科技有限公司，EV-Lidar）对重庆市涪

水库，大气环境在下垫面、气象和污染排放等方陵区2018年夏季气溶胶消光系数等光学参数进行

面显著不同。由于地形、地势和气象条件的复杂监测。激光雷达参数如表1所示。

性，对该地区大气气溶胶的特点及时空演变规律该雷达由激光器、光学部分和主机组成。激

的研究具有重要意义。在重庆地区的相关研究光雷达工作波长为532nm，单脉冲输出能量为10mJ，

中，主要利用激光雷达对重庆市主城区冬季的典脉冲重复频率为2500Hz，空间分辨率为15m，

型灰霾天气进行监测，以及对周边区县气溶最大探测高度为30km。激光雷达数据进行反演之

[12]

胶日均昼夜的变化进行监测。而针对涪陵地前需对驻留脉冲、背景噪声、低层重叠因子、距

[13]

区气溶胶光学参数的研究还没有报道。涪陵区位离和近端填充效果进行校正。

表1EV-Lidar系统运行的主要技术参数

设备设备主要参数主要参数

1研究方法

1.1采样点

29.751°N）。致远楼周围地面材质为水泥、地砖，

6—8月。在开展气溶胶垂直结构观测期间，观测

1.2仪器设备及数据处理

EV-LidarsystemspecificationsTable1

接收望远镜透射式激光器

口径工作波长

滤光片带宽单脉冲输出能量

探测器单光子计数探测器激光器脉冲重复频率系统

数据采集系统光子计数器偏振度

160mm532nm

0.3nm10μJ

Nd:YAG激光器

2500Hz

100∶1

光束发散角

50μrad

脉冲宽度

10ns

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三峡生态环境监测/

第5卷

激光雷达以连续采样的方式采集数据，时间

分辨率为3min。主要针对气溶胶的后向散射系数

（backscatteringcoefficient,BS）、粒子消光系数

（extinctioncoefficient,Ext）及其次生产品气溶胶光通过实验观测，可以得到重庆市涪陵区2018年

学厚度（aerosolopticaldepth,AOD）和大气边界层夏季气溶胶光学属性特征。在150~20000m高度

厚度（planetboundarylayer,PBL）开展研究。后范围内，气溶胶粒子后向散射系数、消光系数、

向散射系数和消光系数可以通过Fernald后向积分气溶胶光学厚度、大气边界层厚度这4个光学参数

法得到，详细计算过程见文献[14]。在夏季的最大值、最小值与平均值如表2所示。

表2激光雷达观察的重庆市涪陵区夏季气溶胶粒子光学特征

Table2TheopticalpropertiesofsummeraerosolobrvedbylidarinFulingofChongqing

2结果与讨论

2.1夏季气溶胶光学性质

夏季（6—8月）粒子属性要素特征

171（242/105）·sr

6846（9666/4191）

1.3166(3.3194/0.4323)

1235.65(2874.1/261.4)

后向散射系数BS（Mm）：平均（最大/最小）

-1-1

消光系数Ext（Mm）：平均（最大/最小）

-1

气溶胶光学厚度AOD：平均（最大/最小）

大气边界层厚度PBL/m：平均（最大/最小）

2.2夏季气溶胶粒子光学参数日均值变化特征

气溶胶性质可以通过后向散射系数与消光系查阅当地气象资料发现，6月4—9日及22—30日分别

动太大，可能与气温变化和空气湿度的变化有关。

有一次升温过程。6月4—9日最高气温从4日的数这两个光学参数的细节特征进行研究。消光系

25℃升高到6日的33℃，然后回落到9日的29℃；

6月22—30日最高气温从22日的30℃升高到27日

的35℃，然后回落到30日的32℃。且6月降雨天射系数又叫作雷达散射系数，指的是入射方向

数达到15d，空气湿度偏大，导致气溶胶粒子吸上目标物单位截面的雷达反射率，这个系数代表

湿性增强，粒子尺寸变大。入射方向散射强度。2018年重庆市涪陵区夏季气

[17]

11000

10000

9000

消

光

系

数

/

M

m

-

1

8000

7000

6000

5000

4000

213132123

000

000000

677

/////////

667888

/////////

000000000

数是大气中各种气溶胶成分对太阳辐射衰减的综

合描述，消光系数越大，能见度越低。后向散

[15]

[16]

溶胶激光雷达监测数据显示后向散射系数与消光

系数的日均值变化趋势基本保持一致（图1）。

涪陵区夏季的日平均消光系数在4191~9666Mm

-1

范围内变化，后向散射系数为105~242Mm。

-1-1

·sr

消光系数在较大范围内波动可能与重庆市涪陵区

夏季相对湿度较高有关。随着大气环境湿度的增

加，气溶胶粒子吸湿增长，而折射率则逐渐减小，

这导致颗粒物的消光系数产生显著变化。如图1

[17]

所示，在夏季6—8月这三个月中都有不同程度的

最高值存在，消光系数和后向散射系数的日均最

高值大小顺序依次为7月、8月、6月。

1日至6月6日均呈现下降的趋势，并在6月6日均出

现最小值，分别为4191Mm和105Mm。月

·sr

-1-1-1

-1

消光系数（Mm）

后向射光系数（Mm）

·sr

300

后

向

散

射

系

数

（

/

M

m

-

1

·

s

r

-

1

）

270

240

210

180

150

120

90

111111111

888888888

222222222

000000000

6月的消光系数和后向散射系数的变化，从6月

图12018年6—8月气溶胶消光系数和后向散射系数日均

日期

值变化

DailyaverageofaerosolextinctioncoefficientandFig.1

平均消光系数为6987Mm，后向散射系数平均为

175Mm·sr

。6月4—9日和6月22—30日消光波

-1-1

backscatteringcoefficientintheperiodofJunetoAugust2018

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27

也有很强的一致性。7月的气溶胶消光系数为范围为262.3~2874.6m。7月27日到8月10日大气

4000~8000Mm

-1

，对应的后向散射系数在100~边界层高度低于500m，对照2018年的天气预报来

140Mm·sr

-1-1

范围内变化。7月2日至7月10日波看，该变化可能与当时持续的高温气候有关。夏

有关。查阅当地气象资料发现，当地气温从7月2内均有峰值。

日34℃降低到6日的27℃，然后又升温到10日的

7月消光系数和后向散射系数的波动趋势

大气边界层高度大约为1200m，边界层高度变化

季AOD日均值大多数都大于1.0，在观测的三个月动较大，可能与该时间段当地大气温度变化较大

明显。当AOD呈上升趋势时大气边界层高度呈下

降的趋势，在6月26日，AOD和PBL分别达到日的趋势，在7月27日两者均达到本月的最大值，分

均值最低值和最高值，分别为0.5891和2874.1m。别为9666Mm和242Mm。在7月20日出现

在6月1—25日，AOD的变化趋势较为平稳，但从了本月最小日均值，分别为4356Mm和109Mm。

整个6月来看PBL波动较大。PBL超过1000m的查阅气象资料发现，7月20—27日当地风力较强，

天数有7d，而AOD超过2.0的天数有9d。6月的污染物扩散速度快。7月消光系数日均值在4000~

AOD和PBL总体处于较高的日均值范围内，大气6500Mm

边界层高度越高越利于近地层空气的垂直混合，在5000Mm以下的有7d。

大气污染物扩散效果就越好，因此，污染物的浓

度会降低。势也具有很强的一致性，均在8月1—13日期间呈

[19]

看来和6月的变化趋势相似，AOD和PBL均呈现值，分别为9524Mm和238Mm。8月13—

7月的AOD和PBL的日均值变化趋势从总体上

6月的AOD和PBL日均值波动较大，相似性不

34℃。7月20日到7月27日消光系数呈现一个上升

-1-1-1

·sr

-1-1-1

·sr

-1-1

天数最多，在8000Mm以上有的6天，

-1

8月的消光系数和后向散射系数日均值变化趋

-1-1-1

·sr

现下降的趋势，但在8月3日两者都出现了最大

30日波动较大，在短时间内剧升和剧降，结合涪

负相关。AOD日均值除去7月2—6日波动范围较

大的这几天，基本处于1.0以下，而AOD的数值通陵区2018年8月的天气预报来看，这几天的降水

常在0~1之间。PBL日均值大部分处于800m以上，量相差很大，消光系数的剧增和剧减有可能是降

整个7月一直处于急剧上升和下降的状态。这可能水量变化引起。

由于7月的气候不稳定，气候的短时变化会引起气

溶胶光学厚度的变化。AOD和PBL在7月15日数。AOD是大气消光系数在垂直方向上的积分，

[14][18]

分别出现日均最小值和最大值，分别为0.4323和体现气溶胶对光衰减作用，受到降水和大气相对

2563.2m。

8月的AOD和PBL日均值变化和6、7月的变

[18]

湿度的影响。大气边界层是大气层与地面摩擦作

[4]

用最强烈的区域，其高度随气象条件、地形、地

面粗糙度的变化而变化，是反映污染物空间扩散化趋势略有不同。8月1—10日，PBL主要呈上升

条件的一个重要指标。大气边界层高度低，则不的趋势，AOD主要呈下降的趋势，AOD下降的波

利于近地层空气的垂直混合，大气污染物的扩散动程度明显比PBL上升的波动程度大。但在8月

就会变差。

图2可以看出2018年夏季重庆市涪陵区AOD急剧增加，而PBL的变化较为平稳。当AOD日均

和PBL日均值具有明显的波动性。在监测的三个值出现最大值2.1567时，PBL并没有出现日均值

月内，AOD的日均值为0.43~3.31，PBL的日均值最小值，这与2018年夏季其他两个月份明显不同。

为261.4~2874.1m。以往的研究表明，可以用拐

点法来确定大气边界层高度，因此，可取相对典涪陵区的大气透明度处于完全不透明和完全透明

型的消光系数出现明确突变的点作为大气边界层之间的天数要多，可以从侧面反映出该地区存在

高度。由激光雷达监测的数据可知，夏季日平均大气污染问题。

AOD和PBL是描述气溶胶光学特性的重要参

10—15日均呈现上升趋势；在8月21—22日AOD

8月AOD低于1.0的天数有16d，由此可以看出，

[20]

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28

3.5

3.0

2.5

A

O

D

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

三峡生态环境监测/

第5卷

3500

AOD

PBL（m）

其他两个月份，此时的气溶胶粒子具有很强的吸

湿性，这使得其对应的气溶胶粒子尺寸要大于其

他两个月份的尺寸。

[17]

30000

25000

20000

15000

10000

5000

0

0.00.10.20.30.40.5

-1-1

平均后向散射系数（/Mm）

·sr

June

July

August

3000

2500

P

B

L

/

m

2000

1500

1000

500

0

566678788

/////////

/////////

00000000

0

7

/

111111111

888888888

/

0

222222222

00000000

1

8

图22018年6—8月大气边界层高度和气溶胶光学厚度

Fig.2DailyaverageofPBLandAODintheperiodofJuneto

均值变化

August2018

2

0

日期

0

A

l

t

i

t

u

d

e

/

m

313211323

000000000

2

0

图3重庆市涪陵区2018年6—8月气溶胶平均后向散射

Fig.3Averageofaerosolbackscatteringcoefficientinthepe⁃

系数廓线

riodofJunetoAugust2018

2.3夏季气溶胶后向散射系数特征

通过将选择的后向散射系数在时间（每12h

的数据平均为一个数据）与空间（每150m的数据

平均为一个数据）上进行平均化处理，可以获得

气溶胶后向散射系数平均廓线。由图3可知，重庆

市涪陵区2018年夏季气溶胶的后向散射系数廓线

分布具有相似的多层结构特征。

从空间形态上看，后向散射系数的高值区域

主要位于15000m高度的范围内，在近地层

15000m位置附近依次存在3个峰值点。这同重庆

市涪陵区的气候和环境特征密切相关，如重庆市

涪陵区2018年夏季存在比较强的对流天气的天数

较多，其中降雨天气达到35d（6月15d，7月

7d，8月13d）。从地面开始，随着海拔高度的

增加后逐步减小的变化趋势，在高度达到20000m

后基本达到背景值，这同其他相关研究给出的结

果一致。

从夏季平均的后向散射系数来看，在0.15~20km

高度范围内，重庆市涪陵区6—8月最大的平均后

向散射系数为17.3Mm，这表明重庆市涪陵

-1-1

·sr

区在夏季时刻具有相对较大的湿度和较强的对流。

在15000m处均到达峰值，而8月的峰值明显大于

6—8月的后向散射系数廓线呈现出锯齿状，

图4重庆市涪陵区2018年夏季气溶胶平均消光系数廓线

Fig.4Averageofaerosolextinctioncoefficientintheperiod

0

02468101214161820

2.4夏季气溶胶消光系数特征

为了更好地了解重庆市涪陵区的光学参数特

征，对该地区的消光系数进行连续观测，得到夏

季气溶胶消光系数持续性变化廓线，如图4所示。

由图4可知，重庆市涪陵区2018年夏季气溶

胶平均消光系数廓线的变化特征和同时期气溶胶

平均后向散射系数廓线（图3）的变化特征一致。

从平均消光系数能量值角度来讲，在0.15~20km

30000

June

July

August

逐步增加，所监测到的散射系数值呈现出先逐步

A

l

t

i

t

u

t

e

/

m

20000

10000

平均消容系数/Mm

-1

ofJunetoAugust2018

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刘文婷，等：激光雷达观察的夏季气溶胶光学特性

29

高度范围内，夏季平均消光系数最大值为0.43Mm。

-1

气溶胶平均消光系数在高度为15000m左右达到

背景值。由图中可以明显地得知2018年夏季的最

大消光系数出现在8月。可能与8月当地强对流天

气有关。查阅当地气象数据发现，8月降雨天数多

达13d，其他时间则以多云天气为主，空气湿度

偏大，能见度偏低，消光系数偏大。

[4]顾人颖，廖桉桦，朱纯阳.基于激光雷达的宁波市晴天消

99-102.

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102.（inChine）

3结语

本文利用气溶胶激光雷达对重庆市涪陵区

[5]刘尚富，胡辉.国外激光雷达的发展趋势[J].舰船电子工

程，2017，37（6）：1-4.

LIUSF，HUH.Developmenttrendofforeignlarradar[J].

2018年6—8月气溶胶光学参数特性进行研究。观

察到的后向散射系数和消光系数的日平均变化趋

势相同；2018年夏季消光系数和后向散射系数最

大值分别为9666Mm和242Mm，且这两个

-1-1-1

·sr

系数时间廓线都具有显著的多层结构特征，两个

系数的最大递减均发生在17km高度范围内；在

15~20km高度范围内做垂直平均，夏季的消光

系数和后向散射系数有最大平均值，分别为

17.3Mm·sr

-1-1-1

和0.43Mm。这表明重庆市涪陵区

夏季具有比较强的对流；夏季最大的大气边界层

高度和气溶胶光学厚度分别为2874.1m和3.3194。

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