宜宾地区气溶胶垂直结构地基空基联合监测分析

宜宾地区气溶胶垂直结构地基空基联合监测分析

孙伟;刘志红;张洋;张娟;吕朝阳

【摘 要】Using the Cloud-Aerosol LIDAR with Orthogonal Polarization

(CALIOP) orthogonal polarized cloud-aerosol satellite Lidar Level1B data

and the LGJ-01 aerosol lar radar data,the vertical distribution of the

backscattering coefficient and the depolarization ratio optical parameters

of aerosol decay in Yibin the winter of 2016 was comparatively analyzed,in

the period of non-pollution,partly cloudy slight pollution and cloudy heavy

pollution. The results showed: CALIOP data and LGJ-01 data could detect

mid-high altitude clouds without pollution,among which the CALIOP data

detected that the altitude of clouds was 3.0-4. 0 km and the range of

backscatter was more than The data of LGJ-01 monitored that the altitude

of the cloud was 3.0-5.0 km, and its extinction coefficient ranged from 1.0

altitude clouds better. Combined two of them,a comprehensive detection

under different weather conditions could be achieved,which might provide

more comprehensive and objective obrvations and rearch data for the

study of the vertical aerosol structure.%利用Cloud-Aerosol LIDAR with

Orthogonal Polarization(CALIOP) 正交极化云-气溶胶星载激光雷达Level1B 资

料和LGJ-01 型号气溶胶地基激光雷达资料对宜宾地区2016 年12 月-2017 年2

月无污染时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期气溶胶的衰减后向散射系数

和退偏振比光学参数的垂直分布进行对比分析研究.结果表明: 少云轻度污染时

期,CALIOP 数据监测到海拔高度为0. 2～ 1. 0 km 范围内气溶胶颗粒集中分

布,LGJ-01 数据监测到厚度约为0. 2 km的近地面气溶胶层,2 个激光雷达监测结果

基本一致; 重度污染时期,LGJ-01 地基激光雷达能够较好地探测近地面气溶胶

层,CALIOP 星载激光雷达能够较好地探测到高空云层,若将两者结合,则能实现不同

天气状况下的综合探测,以期较全面客观地为研究气溶胶垂直结构提供观测及科研

数据.

【期刊名称】《中国环境监测》

【年(卷),期】2019(035)002

【总页数】12页(P150-161)

【关键词】CALIOP;地基激光雷达;气溶胶;垂直结构;对比分析

【作 者】孙伟;刘志红;张洋;张娟;吕朝阳

【作者单位】成都信息工程大学,四川 成都 610072;成都信息工程大学,四川 成都

610072;中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100101;成都信息工程大学,四川

成都 610072;成都信息工程大学,四川 成都 610072

【正文语种】中 文

【中图分类】X87

大气气溶胶是指直径为0.001～100 μm的悬浮于大气中的多项体系，其液态微粒

呈球形，固态微粒呈不规则形态[1]，它作为地球大气组成的重要成分之一，对环

境污染、气候变化、交通运输、人体健康、大气对地球表面热辐射平衡等诸多方面

产生至关重要的影响[2]。卫星观测具有大空间尺度特点，能够很好地实现对气溶

胶的观测。1999年NASA发射的Terra卫星上的MODIS中分辨率成像光谱仪以

及2008年9月中国发射的环境一号卫星等传统多光谱平台能够观测水平面上气溶

胶的分布，但这2种数据并不能实现对气溶胶垂直结构的观测，因此，研究者开

始利用激光雷达观测气溶胶的垂直结构。使用激光雷达反演大气气溶胶特征参数实

际就是将雷达观测数据带入方程，对大气散射方程求解的过程。此方法之所以有效，

主要因为激光在空气中传输时可以同空气中的分子、原子及颗粒物等相互作用，产

生散射和吸收，且不同粒子与激光雷达的作用机制不同，产生的回波信号也不同。

按照此原理可以从雷达后向散射信号的光强、频率、相位等信息中分析气溶胶粒子

的物理光学特性。雷达接收到大气后向散射回波光子数，将此回波光子数处理后带

入雷达方程就可以求出所需参量。采用激光雷达测量气溶胶颗粒物的时空分布特征，

带有退偏通道的激光雷达用于有效区分云、雾和一般气溶胶颗粒物，由于气粒转换

后生成的气溶胶颗粒物小粒子多是球形粒子，所以退偏振比的数值也是分析颗粒物

转换过程的重要工具。在现实观测应用中，无论是空基激光雷达还是地基激光雷达

都存在各自的优势与劣势，地基激光雷达可以从地向空方向上提供气溶胶的全天不

间断观测结果，时间上具有很好的连续性，但其探测范围较窄[3]，仅凭独立点位

的观测结果很难精确表示出气溶胶的区域分布状况[4]；空基激光雷达从空向地进

行探测，其视角范围广，但无法对同一地点进行长期不间断的连续监测[5]。2010

年，王静等[6]基于当年3、4月份Cloud-Aerosol LIDAR with Orthogonal

Polarization(CALIOP)激光雷达后向散射数据对北京地区春季沙尘天气大气分布状

况开展了相关研究。2012年刘琼等[7]利用CALIOP气溶胶产品数据与地基观测资

料研究了上海地区干霾天气的大气垂直结构，为研究上海地区干霾天气的大气垂直

结构信息提供了有利支持。2013年吕阳等[8]对北京地区的气溶胶垂直分布特征进

行观测研究，利用法国CE370-2激光雷达进行测量，并对雷达信号进行反演得出

后向散射系数与消光系数，对不同高度数据进行对比分析。2016年温春等[9]利用

兰州大学半干旱气候变化教育部重点实验室自行研制的地基偏振拉曼激光雷达，将

2014年3月6、22日的观测资料与CALIOP星载激光雷达的观测资料进行对比

研究。使用单一的地基雷达数据或空基雷达数据时，如果遇到气溶胶层较厚或云层

较厚的情况，激光雷达的回波信号会被较厚云层或气溶胶层阻挡而变弱，不能完全

将气溶胶垂直结构表达出来[10-16]，为避免因此造成的观测误差，研究者选择空

基雷达结合地基雷达的方法，这种方法可对气溶胶垂直结构进行更为全面、详细和

准确的观测，已经成为大气气溶胶垂直结构研究的主要方式[17-24]。

川南城市群是成渝经济区的重要组成部分，也是四川盆地大气污染最严重的地区之

一，宜宾作为川南城市群中的主要城市，其大气状况不容乐观。宜宾市气候条件为

亚热带季风气候，四季分明，地形整体呈西南高、东北低态势，市境内最高海拔为

2 008.7 m，最低海拔为236 m，全市地貌以中低山地和丘陵为主。根据宜宾市环

境保护局发布的数据，宜宾市中心城区2016年冬季PM2.5超过《环境空气质量

标准》(GB 3095—2012)二级限值的天数占总监测天数的比值(超标率)为67.4%，

超标情况较为严重。

空基激光雷达和地基激光雷达可以有效探测大气气溶胶的垂直结构，利用LGJ-01

型号地基激光雷达对宜宾地区2016年冬季(2016年12月—2017年2月)无污染

时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期的气溶胶特性进行探测，将CALIOP

空基激光雷达探测数据与LGJ-01型号地基激光雷达数据进行对比分析，能够更加

全面地得出宜宾地区气溶胶的衰减后向散射系数和退偏振比光学参数的垂直分布。

因宜宾地区的大气污染比较严重，大气气溶胶垂直结构的研究对该地区环境监测有

着重要的应用价值和科学意义。

图1 研究区地形图Fig.1 The topographic map of study area

1 资料与研究方法

1.1 地基激光雷达监测

LGJ-01型号气溶胶激光雷达安装在宜宾市五粮液酒厂(地理坐标为

28°47′24″N,104°36′0″E)，监测时间为2016年12月7日—2017年2月28日

(图1)。该地基激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与大气相互作用的辐射信

号来遥感大气中的颗粒物信息，激光器同时发射出355、532、1 064 nm等波长

的激光，接收望远镜收集气溶胶和沙尘粒子对激光的后向散射信号，再结合相关算

法可解析出大气中粒子的属性，得到气溶胶粒子的垂直廓线等相关信息，具体技术

指标见表1。

表1 LGJ-01型号气溶胶激光雷达技术指标Table 1 LGJ-01 aerosol lar radar

specifications参数参数值测量距离/km0～15距离分辨率/m3.75工作波长

/nm355、532、1 064脉冲能量/mJ≥30测量通道4通道脉冲重频/Hz20时间分

辨率/min1～5(可调)接收口径/nm≥160采样频率/Hz20 M采样精度16 bit

1.2 空基激光雷达监测

空基激光雷达是指将激光雷达系统安置在地球轨道平台上，用于探测大气参数和地

表特征的一种系统装置，由于不受人为因素的影响和地面条件的限制，它能长期探

测大范围内的大气动态。1998年，美国NASA与法国国家航天中心(CNES)合作

实施了“云-气溶胶激光雷达系统对全球大气气溶胶探测计划(CALIPSO)”，主要

任务是提供覆盖全球的云和气溶胶的高度、覆盖率及种类信息，用于研究其对全球

气候变化的影响[25-27]。CALIPSO加载的CALIOP激光雷达发射与接收系统位于

T 型光学平台上，以保证系统的稳定性。发射波长为1 064、532 nm(倍频产生)，

532 nm波长具有高偏振性，用于偏振特性的测量，接收望远镜直径为1 m，采用

铍元素制造，最大化的降低热效应。望远镜接收通道分为1 064 nm后向散射强度

和 532 nm 后向散射信号正交极化部分，其他参数见表2和表3。

表2 CALIOP激光雷达技术指标Table 2 CALIOP lidar specifications参数参数

值直径/m1线宽/pm30工作波长/nm532、1 064脉冲能量/mJ110脉冲重频

/Hz20.16脉冲长度/nscc20偏振度>1 000∶1(532 nm)采样频率/Hz10 M

表3 CALIOP激光雷达 Level 1B数据空间分辨率Table 3 CALIOP lidar level 1B

data spatial resolution海拔高度/km容积号水平分辨率/km532 nm垂直分辨率

/m备注30.1～40.01～335.00300气溶胶稀薄20.2～30.134～841.67180气溶

胶分布均匀8.3～20.289～2881.0060有利于薄卷云的检测-0.5～8.3289～

5780.3330—-2.0～-0.5579～5830.33300检测地表回波信号延迟

注：“—”表示无相关描述。

该研究星载激光雷达数据主要选用2016年12月—2017年2月CALIPSO卫星途

经宜宾地区(27°49′48″～29°16′12″N，103°36′0″～105°19′48″E)的Level 1B数

据。CALIPSO卫星途径宜宾地区轨迹图如图2所示。具体观测数据信息如表4所

示。

图2 2016年12月—2017年2月CALIPSO卫星 途径宜宾地区轨迹图Fig.2

CALIPSO trajectory map of Yibin area, from December 2016 to February

2017

表4 2016年12月—2017年2月途径宜宾地区的CALIPSO观测数据信息Table

4 CALIPSO obrvation data of Yibin area,from December 2016 to February

2017数据名过境时间CAL-LID-L1-ValStage1-V3-40.2016-12-09T18-42-

2016年12月10日02:42:51—03:29:04CAL-LID-L1-ValStage1-V3-

2016年12月22日13:47:03—14:33:30CAL-

2016年12月26日

02:42:52—03:29:09CAL-LID-L1-ValStage1-V3-40.2017-01-07T05-47-

2017年1月7日13:47:47—14:40:15CAL-LID-L1-ValStage1-V3-

2017年1月11日02:43:52—03:30:09CAL-

2017年1月23日

13:48:53—14:41:21CAL-LID-L1-ValStage1-V3-40.2017-01-26T18-44-

2017年1月27日02:44:49—03:31:09CAL-LID-L1-ValStage1-V3-

2017年2月12日02:46:21—03:32:42CAL-

2017年2月28日

02:48:04—03:34:31

注：表中数据名所示的意义分别为CALIPSO-激光雷达-数据级别-数据版本-年-月

-日过境时间，过境时间为世界时(UTC)，表中已将过境时间统一换算为北京时间。

1.3 分析方法

米散射激光雷达有3种反演大气气溶胶的方法(Klett方法、Fernald方法和Collis

斜率法)，但都需要对激光雷达比 Sa进行假设[28]，这里使用CALIOP空基激光雷

达探测数据和LGJ-01型号地基激光雷达数据进行气溶胶垂直结构的对比，避免了

假设所带来的误差，从而提高地基米散射激光雷达反演大气气溶胶的精度，该方法

的使用前提是地基激光雷达与空基激光雷达工作波长相同，且在同一探测区域。该

研究使用的星载激光雷达和地基激光雷达的波长都为532 nm，且探测区域均为宜

宾地区。

532 nm总后向散射消光系数是532 nm垂直衰减后向散射系数与平行衰减后向散

射系数之和，总后向散射系数值越大则表明大气中颗粒物的散射能力越强，反之越

弱，其中云层和气溶胶颗粒散射能力强，呈现高红状态[29-30]。

β′532,total(γ)=β′532,par(γ)+β′532,per(γ)

(1)

式中：β′532,total(γ)表示不同高度范围的总后向散射系数，β′532,par(γ)和

β′532,per(γ)分别表示532 nm垂直衰减后向散射系数与平行衰减后向散射系数。

退偏振比是532 nm垂直衰减后向散射系数和平行衰减后向散射系数之比，它反

映气溶胶表面粗糙程度，退偏振比的值大小与其被测颗粒物的形态与浓度有关，同

时还受到被测颗粒物尺寸的影响。退偏振比值越大，颗粒物越不规则，退偏振比值

越小，颗粒物越规则。通常非球形颗粒物退偏振比的值比较大，而球形颗粒物的退

偏振比的值则比较小，退偏振比可提供有关气溶胶和云的信息，据此可从侧面分析

大气中气溶胶的垂直分布[31-33]。其退偏振比公式为

VDR(γ)=β′532,per(γ)/β′532,par(γ)

(2)

式中：VDR(γ)表示不同高度范围的退偏振比。利用532 nm总后向散射系数和退

偏振比可知探测区域大气中颗粒物的散射能力强弱和被测颗粒的不规则程度，将消

光系数与退偏振比结合起来可以有效识别污染物和云层干扰。

研究利用2016年12月—2017年2月CALIOP星载激光雷达Level 1B数据的总

衰减后向散射系数和退偏振比与LGJ-01型号气溶胶地基激光雷达观测得到的532

nm消光系数数据和532 nm退偏振比数据进行对比分析(CALIOP星载激光雷达

Level 1B除海拔为-0.5～8.3 km高度的数据垂直分辨率为30 m外，其余海拔高

度的数据垂直分辨率均大于30 m，而LGJ-01型号气溶胶地基激光雷达在该研究

中探测范围为0～5 km，距离分辨率为3.75 m，为提高2个激光雷达数据对比分

析时的准确性，笔者仅提取CALIOP星载激光雷达Level 1B垂直分辨率为30 m

的海拔0～8 km高度的数据进行分析研究，数据容积号范围为288～560)，得到

宜宾地区无污染时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期气溶胶的衰减后向散

射系数和退偏振比光学参数的垂直分布特征，相应的天气情况见表5。

表5 宜宾地区无污染时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期天气情况Table

5 Yibin situation in the period of non-polluting, partly cloudy slight

pollution and cloudy heavy时间天气气温/℃风向风力AQI污染程度2016年

12月22日多云14/4南风1～2级106轻度污染2017年 1月 7日阴14/10北

风1～2级230重度污染2017年 2月28日阴16/9北风1～2级88良

2 空基与地基激光雷达气溶胶垂直结构对比分析

2.1 无污染条件下对比分析

2017年2月28日02:48(北京时间)CALIPSO卫星过境宜宾，CALIOP星载激光

雷达记录下此时大气532 nm总后向散射消光垂直剖面图(图3)。

图3 2017年2月28日CALIOP波长532 nm总后向散射消光垂直剖面图Fig.3

The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on

February 28,2017

图3中，3.0～4.0 km的中高层呈现明显的红色后向散射系数高值区，后向散射值

范围大于0.02/(km·sr)，同期退振偏比(图4)的峰值平均值约为0.8，根据周天等

[34]的研究，退偏振比大于0.25即可认为是冰云，因此可以判定该海拔高度范围

内存在冰云云层。在0～0.4 km的近地面，则存在后向散射值在0.01～

0.02/(km·sr)范围内的气溶胶层，其退偏振比峰值约为0.5。根据黄忠伟[5]的研究，

气溶胶的退偏振比随粒子半径增大而增大，而一般人为气溶胶的退偏振比多在0.1

以下[35]，因此可判断当日区域内的气溶胶粒子大部分为自然来源。

图4 2017年2月28日LGJ-01波长532 nm消光系数时空分布图Fig.4 The 532

nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on

February 28,2017

2017年2月28日，LGJ-01型号气溶胶激光雷达监测所得的宜宾地区大气消光系

数垂直分布时空演化情况绘于图5，其中红色箭头所指的时刻为图3中对应的

CALIPSO卫星过境时刻。通过图5可以观察到，2月28日00:00—15:00宜宾地

区低空大气中存在厚度约为0.1～1.1 km的连续绿色区域，15:00—24:00中高空

大气中存在厚度约为3.0～5.0 km的连续红绿相间区域，结合退偏振比(图6)判断，

0.1～1.1 km处绿色区域是近地面气溶胶层，其消光系数值范围为0.3～1.0/km；

3.0～5.0 km连续红绿相间的区域是冰云，其消光系数值范围为1.0～2.0/km。在

地基激光雷达的结果中，对应近地面区域的退偏振比值较低，说明点位处的气溶胶

粒子为人为来源。而卫星观测的区域内气溶胶粒子以自然来源为主，同时注意到卫

星观测区域内并没有与地基点位严格重合的观测点，因此两者的观测结果并不矛盾，

并在一定程度上表明当日宜宾区域内气溶胶粒子来源的空间差异较大。

该次无污染时期监测案例表明，CALIOP数据和LGJ-01数据在无污染情况下都可

以监测到近地面气溶胶层和云层，但监测结果显示出一定的空间差异性(表6)。

图5 2017年2月28日LGJ-01波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.5 The 532

nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on February 28,2017

图6 2017年2月28日CALIOP波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.6 The

532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on February 28, 2017

表6 宜宾地区无污染时期空基与地基雷达监测对比Table 6 Comparison

monitoring of space-bad and ground-bad radar in non-pollution

period in Yibin area雷达云层海拔高度/km值范围/〔1/(km·sr)〕CALIOP数据

3.0～4.0大于0.02LGJ-01数据3.0～5.01.0～2.0∗

注：“*”表示该数据单位为1/km。

2.2 污染条件下对比分析

2.2.1 少云轻度污染时期监测对比分析

2016年12月22日13:47(北京时间)CALIPSO卫星过境宜宾，CALIOP星载激光

雷达记录下此时大气532 nm总后向散射消光垂直剖面图(图7)。如图7所示，在

海拔为2～2.5 km处，图左边有高红区域，结合退偏振比(图8)可知该范围内水云

和冰云同时存在；0.2～3.5 km为较明显的红绿黄相间后向散射系数高值区，后向

散射值范围大于0.01/(km·sr)，且2 km以上空中基本少云无干扰，结合同期退偏

振比(图8)和当天空气质量(轻度污染)得出0.2～3.5 km含有气溶胶颗粒；0.2～

1.0 km存在明显的红黄相间后向散射系数高值区，结合同期退偏振比(图8)和当天

空气质量(轻度污染)得出在该高度区间内人为气溶胶颗粒集中分布，后向散射值范

围大于0.02/(km·sr)。

2016年12月22日，LGJ-01型号气溶胶激光雷达监测所得的宜宾地区大气消光

系数垂直分布时空演化情况绘于图9，其中红色箭头所指的时刻为图7中对应的

CALIPSO卫星过境时刻。通过图9可以观察到，12月22日00:00—24:00宜宾

地区低空大气中普遍存在厚度约为0.2 km的高红区域，结合退偏振比(图10)和当

天空气质量(轻度污染)得出该区域范围为近地面人为气溶胶层，其消光系数约为

2/km；同时在1.6～3.8 km处出现高红区域，结合退偏振比(图10)识别为中高层

云层。

图7 2016年12月22日CALIOP波长532 nm总后向散射消光垂直剖面图Fig.7

The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on

December 22,2016

图8 2016年12月22日LGJ-01波长532 nm消光系数时空分布图Fig.8 The

532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on

December 22,2016

图9 2016年12月22日LGJ-01波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.9 The

532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on December 22,2016

图10 2016年12月22日CALIOP波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.10

The 532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on December 22,2016

该次轻度污染时期监测案例表明，CALIOP数据在空中少云无干扰情况下和LGJ-

01数据都监测到近地面气溶胶层和云层，且监测结果基本一致(表7)。

表7 宜宾地区少云轻度污染时期空基与 地基雷达监测对比Table 7 Comparison

monitoring of space-bad and ground-bad radar in Yibin area with

partly cloudy slight pollution雷达气溶胶厚度/km值范围/〔1/(km·sr)〕

CALIOP数据0.2～1.0大于0.01LGJ-01数据0.22.0∗

注：同表6注。

2.2.2 多云重度污染时期监测对比分析

2017年1月7日13:47(北京时间)CALIPSO卫星过境宜宾，CALIOP星载激光雷

达记录下此时大气532 nm总后向散射消光垂直剖面图(图11)。如图11所示，

2.5～3.0 km为较明显的红绿黄相间后向散射系数高值区，后向散射值范围大于

0.02/(km·sr)，结合同期退偏振比(图12)可知大部分区域存在水云和冰云；从经纬

度来看，28°00′00″～29°36′00″N范围内2.5～3.0 km高空中云层较厚，所以较

厚云层下方信号弱，对该经纬度范围内2.5 km以下的气溶胶监测效果不明显；

29°36′00″～30°00′00″N范围内2.5～3.0 km高空云层较薄，在该经纬度范围内

0.3 km高度处监测到红色后向散射系数高值区，后向散射值大于0.02/(km·sr)。

图11 2017年1月7日CALIOP波长532 nm总后向散射消光垂直剖面图Fig.11

The 532 nm total backscatter extinction vertical profile by CALIOP on

January 07,2017

图12 2017年1月7日LGJ-01波长532 nm消光系数时空分布图Fig.12 The

532 nm extinction coefficient spatio-temporal distribution by LGJ-01 on

January 07,2017

2017年1月7日，LGJ-01型号气溶胶激光雷达监测所得的宜宾地区大气消光系

数垂直分布时空演化情况绘于图13，其中红色箭头所指的时刻为图11中对应的

CALIPSO卫星过境时刻。通过图13可以观察到，1月7日00:00—24:00宜宾地

区低空大气中普遍存在厚度约为0.3 km的高红区域，结合退偏振比(图14)和当天

空气质量(重度污染)表明该区域范围为近地面较厚的气溶胶，消光系数约为2/km；

同时在0.6～1.6 km处出现黄绿色区域，消光系数范围为1.0～1.5/km。按照区

域高度，结合退偏振比(图14)，因其没有在大气消光系数垂直分布中表现出高红

状态，所以并不能识别其为中低层云层，此处可能为外来输送的污染物或者二次扬

尘产生的颗粒物；19:00处于浅绿状态，而在20:00—22:00又变成高红状态，这

种变化可能是受风速影响，根据气象资料得知，16:00开始风速加大，20:00—

22:00处于静风状态，污染物被吹散后遇到静风状态时，又开始汇聚。

该次重度污染时期监测案例表明，地基激光雷达能够较好地探测近地面气溶胶层，

但由于近地面气溶胶层较厚，其强消光作用导致激光束能量衰减，从而无法探测到

高空云层；而星载激光雷达能够较好地探测到高空云层，在云层较薄时亦能检测到

近地面的气溶胶粒子，但当云层较厚时，很难探测到近地面气溶胶。

图13 2017年1月07日LGJ-01波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.13 The

532 nm refraction polarization ratio by LGJ-01 on January 07,2017

图14 2017年1月07日CALIOP波长532 nm退偏振比时空分布图Fig.14 The

532 nm refraction polarization ratio by CALIOP on January 07, 2017

3 结论

结合CALIOP星载激光雷达和LGJ-01型号气溶胶激光雷达分析了2016年12月

—2017年2月宜宾地区无污染时期、少云轻度污染时期和多云重度污染时期的气

溶胶垂直结构，得到以下结论：

1)CALIOP星载激光雷达和LGJ-01型号气溶胶激光雷达在无污染情况下都可以监

测到中高空云层，其中CALIOP监测的云层海拔高度为3.0～4.0 km，后向散射系

数值范围大于0.02/(km·sr)，LGJ-01监测的云层海拔高度为3.0～5.0 km，其消

光系数值范围为1.0～2.0/km，2个激光雷达监测结果基本一致。

2)在空中少云无干扰和轻度污染情况下CALIOP星载激光雷达和LGJ-01型号气溶

胶激光雷达都监测到近地面气溶胶层，其中CALIOP星载激光雷达监测到海拔高

度为0.2～1.0 km范围内气溶胶颗粒集中分布，后向散射值范围大于

0.01/(km·sr)，LGJ-01型号气溶胶激光雷达监测到厚度约为0.2 km的近地面气溶

胶层，其消光系数约为2/km，2个激光雷达监测结果基本一致。

3)在重度污染时期，地基激光雷达能够较好地探测近地面气溶胶层，但由于近地面

气溶胶层较厚，其强消光作用导致激光束能量衰减，从而无法探测到高空云层；而

星载激光雷达能够较好地探测到高空云层，在云层较薄时亦能检测到近地面的气溶

胶粒子，但当云层较厚时，很难探测到近地面气溶胶，但若将两者结合，则能实现

不同天气状况下的综合探测，以得到更多的气溶胶观测数据。

4)CALIOP星载激光雷达和LGJ-01型号气溶胶激光雷达在探测大气气溶胶垂直结

构方面各有特色。CALIOP星载激光雷达的特点是卫星扫描，只能针对某一特定时

段、特定地点进行分析，无法全天时监测；而LGJ-01型号气溶胶激光雷达能够很

好地实现全天时探测某一单点近地面的气溶胶垂直分布时间演变规律。空基雷达的

观测角度是从空到地，地基雷达则是从地到空，两者在不同天气污染状况下具有不

同的探测优势，将2个激光雷达的优势结合起来，可以较全面客观地为研究气溶

胶垂直结构提供观测及科研数据。

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