研发的高性能激光雷达实现沙尘质量浓度和光学特性同时探测你都知道哪些？

近日，浙江大学光电科学与工程学院刘东教授团队，联合俄罗斯科学院基础物理研究所、巴西能源与核能研究所、南非夸祖鲁-纳塔尔大学、武汉大学、北京大学、中国气象科学研究院等单位，共同进行了基于偏振高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的沙尘气溶胶质量浓度和光学特性同时探测研究。该研究首次利用HSRL实现了昼夜连续的沙尘气溶胶质量浓度和光学特性的观测，并发现了利用气溶胶退偏比(PLDR)直接评估沙尘气溶胶后向散射、消光、光学厚度(AOD)和质量浓度占比的通用解析关系，为量化沙尘气溶胶贡献提供了一种新的可行方案。

研究成果以“Simultaneous profiling of dust aerosol mass concentration and optical properties with polarized high-spectral-resolution lidar”为题在2023年2月8日发表于遥感领域顶级期刊《Science of The Total Environment》。

背景介绍

沙尘气溶胶占大气气溶胶总质量~35%，是大气中最丰富的气溶胶类型。源自干旱沙漠地区的沙尘颗粒可以远距离传输，对源区和顺风地区的气候、环境、社会经济和人类健康构成严重威胁。昼夜连续精确探测垂直分布的沙尘气溶胶光学及微物理特性对加强沙尘气溶胶在气候、环境中影响的理解至关重要。目前已经开展了一些激光雷达观测实验用于测量撒哈拉、美洲以及亚洲沙尘气溶胶。但这些观测主要集中于沙尘气溶胶的光学特性，只有少量的Raman激光雷达观测能同时提供反映沙尘负载强度的质量浓度。然而，Raman激光雷达受到信噪比的限制无法全天时工作。一直缺乏对沙尘气溶胶垂直分辨的质量浓度和光学特性的昼夜连续观测。高光谱分辨率激光雷达兼具理论精度高和回波信号强的优势，能实现大气气溶胶昼夜连续观测。因此，迫切需要利用HSRL对沙尘气溶胶的质量浓度和光学特性进行昼夜连续探测，以促进气溶胶分类、沙尘气溶胶与本地气溶胶的混合过程以及沙尘气溶胶对环境贡献的量化研究。

图1 研究内容示意图

文章亮点

浙江大学光电科学与工程学院刘东教授研究团队，首次利用HSRL实现了昼夜连续的沙尘气溶胶质量浓度、气溶胶退偏比、后向散射系数、消光系数和雷达比的高精度探测。如图2(a)所示为浙江大学自主研发的高性能偏振双视场HSRL(ZJU-HSRL)在北京外场实验地点以及对应的辅助数据站点。图2(b)为ZJU-HSRL在北京大学站点的照片。

图2 (a) ZJU-HSRL在北京外场实验地点及辅助数据站点;(b) ZJU-HSRL照片

ZJU-HSRL观测到的沙尘气溶胶入侵边界层事件时气溶胶的时空演变如图3所示。根据光学特性的变化趋势，我们发现，由于沙尘气溶胶的影响，边界层底部气溶胶退偏比，后向散射系数、消光系数以及质量浓度均随着时间而增大。气溶胶类型从城市气溶胶转变为污染沙尘气溶胶(城市气溶胶和沙尘气溶胶的混合)再到纯沙尘气溶胶，且该变化是从边界层顶部开始再逐渐影响到近地面。

图3 2021年1月10日-13日，沙尘气溶胶入侵边界层事件中ZJU-HSRL观测到的气溶胶光学特性及质量浓度时空演变

为了验证反演气溶胶光学特性和质量浓度的可靠性，分别利用地表PM10浓度和太阳光度计的光学厚度验证了ZJU-HSRL的观测结果，如图4所示。结果表明，反演的粒子质量浓度和光学厚度与地表PM10浓度和太阳光度计的观测结果高度一致，相关系数分别为0.90和0.94。

图4 ZJU-HSRL反演的(a)质量浓度和(b)光学厚度与辅助数据的对比

为了进一步验证ZJU-HSRL观测结果的准确性，我们将观测的沙尘气溶胶的气溶胶退偏比和雷达比与Raman激光雷达历史观测资料进行了比较，如图5所示。ZJU-HSRL测量的沙尘气溶胶的气溶胶退偏比和雷达比在532 nm分别为0.31±0.02和39±7 sr，与顺风地区的历史观测结果基本一致。

图5 ZJU-HSRL反演的(a)雷达比和(b)气溶胶退偏比与历史数据的对比

团队进一步分析了观测的气溶胶退偏比与沙尘气溶胶的占比关系。通过分析ZJU-HSRL的观测结果(如图 6)，团队发现了一个通用的解析关系，通过该解析关系可以直接利用气溶胶退偏比来评估沙尘气溶胶后向散射、消光、光学厚度和质量浓度的占比，这为沙尘气溶胶贡献的量化提供了一个简单而有效的手段。

图 6 沙尘气溶胶占比与气溶胶退偏比之间的关系