文|史说百家

编辑|史说百家

气溶胶、云和水蒸气的动力学相互作用构成了一个活跃的研究领域，因为它们通过参与能量转移过程影响地球大气的辐射收支，从而影响气候，激光雷达测量可以提供准确的垂直分辨信息，包括云和气溶胶的多层场景。

已经报道了几个基于激光雷达的观测结果，假设激光雷达比值（LR）与距离无关然而，这种假设与实际的大气气溶胶分布不一致，因此可能导致信息丢失。

在拉曼激光雷达的情况下，拉曼通道回波可以与弹性通道一起分别确定消光系数和反向散射系数，正如不同作者所报道的那样。

那么，拉曼激光雷达还有其他什么作用？它的检测真的准确吗？

通过与参考高度的分子主导信号进行比较，从拉曼回波中获取气溶胶背散射系数，气溶胶反向散射系数以及Mie LIDAR距离校正信号（RCS）和优化LR用于计算气溶胶消光系数。

通常，LIDAR系统用于获取光学和微物理参数，这可以被认为是两步反演过程。使用测得的反向散射功率来估计光学参数，然后在反演中使用这些参数来获得微观物理参数。

例如数粒分布，折射率等，拉曼通道的气溶胶消光系数检索方法涉及拉曼通道返回RCS的数值微分，由于RCS的噪声敏感性而产生误差，为了避免这种错误，可以使用信号平滑技术，使用近距离参考高度可以进一步改进检索技术，合适的参考高度可以使用信噪比和归一化标准差来确定，

世界各地关于使用地面激光雷达观测进行气溶胶和云表征的文献中有几项研究，LR用于粉尘气溶胶的化学表，光谱去极化比显示可将冰与纯尘埃和烟雾区分开来，还发现它使用不同波长的去极化比来表征大气花粉和不同的尘源，弹性通道和拉曼通道用于表征气溶胶的微观物理性质。

在留尼汪岛的一个高海拔站报告了水蒸气混合比（WVMR）测量结果，并通过卫星数据进行了验证，

在另一项研究中，使用自动算法从拉曼激光雷达和无线电探空仪测量中检索气溶胶和湿度参数以及温，在瑞士Payrene地区进行的首次长达十年的WVMR剖析中检测到温度和水蒸气的巨大变化，其中发现可见水蒸气的变化与表面相对湿度密切相关。

图4.显示了来自激光雷达数据的未校准WVMR的散点图和来自再分析数据的比湿度

使用线性去极化比（LDR）和云顶温度（CTT）对云的热力学相进行了广泛的研究，与卫星观测相比，地面激光雷达测量在区分冰云和水云方面更有效，通过明显观察到过冷水的存在，在南非德班的一项研究中。

可以清楚地区分层积云和卷云，使用地面激光雷达观测对卷云特征进行了几项深入研究还使用拉曼激光雷达和多普勒激光雷达详细研究了气溶胶诱导的高积云微物理变化。

在印度，最近使用地面激光雷达观测进行的一些重要研究值得一提，印度次大陆的空气污染“地图集”是使用CALIOP数据编制的，CALIOP数据是一种星载激光雷达，用于显示次大陆的三维气溶胶分布。

发现印度气溶胶消光系数的垂直剖面，随海拔高度的增加而从宽层结构逐渐变为指数减小，据报道，在2000米的高度内，烟雾在印度东北部占主导地位，而污染的灰尘则在印度次大陆的其他地区占主导地位，在印度南部的大都市海得拉巴，也研究了顺风运输的农作物残茬燃烧和相关辐射强迫的影响。

研究了气溶胶和云特性的季节性变化，并使用激光雷达的弹性通道确定了气溶胶光学深度（AOD），并与喜马拉雅西部地区高海拔站马诺拉峰（84 masl）上从AERONET和MODIS获得的光深（AOD）进行比较，在印度南部的热带沿海地区也对气溶胶的季节性特征进行了微脉冲激光雷达观测。

【场地描述与天气气象】

该地区有一个陡峭的楼梯地形，从山麓的西里古里上升到大吉岭，空中距离为59公里，复杂的迷宫山脉，有大胆的马刺、山脊和山谷，天气变化很大，季风降水很大。

激光雷达信号处理包括消除由于仪器仪表引起的背景大气天窗和电子噪声，通过选择信号非常稳定的范围来评估背景，并且该范围内的平均值最小。

图1.卫星图像显示了大吉岭的地理位置和研究地点的地形特征

该信号的有效范围被限制在该高度，为了产生距离校正信号（RCS），每个数据点的距离平方定律校正补偿了大气中与距离相关的衰减，应用具有可变路径的运行低通导数数字滤波器去除高频分量，并使用二阶多项式对数据集进行最小二乘拟合。

图3.355 nm的平均RCS和30分钟激光雷达轮廓方差的样本图分别由黑色和红色曲线显示

激光雷达数据是在2016年7月和5月收集的。在此期间，我们能够收集七天的夜间数据，在夜间测量的情况下，对于白天测量，仅使用弹性通道。

因为拉曼信号太弱，无法在强日光背景下检测，使用弹性通道的交叉分量和共极化分量进行线性去极化比（LDR）估计，附录A给出了从激光雷达信号中检索气溶胶和云光学特性的数学形式。

这里使用微型降雨雷达（MRR-2，METEK Technologies，德国）来检测降水起始时间及其起始高度，它是一种垂直指向的调频连续波（FMCW）雷达，以24 MHz的带宽垂直向大气中发射1.50 GHz辐射，由于该频率范围内水滴和冰聚集体的折射率不同，融化层云内部的雷达反射率增加，MRR与激光雷达一起用于云生命周期的案例研究。

图2.的斜率ln（RCS）并显示 355 nm 通道的原始信号，箭头标记的峰和底用于确定大鼠。

在本研究中，使用附录D中描述的非分层聚类分析（CA）方法估计大气边界层（ABL），在这里，最佳聚类数是通过最小化戴维斯指数方程（A18）和最大化邓恩指数来确定的，该方程测量集群之间的相似性，并最大化邓恩指数，表示紧凑且分离良好的集群方程（A19），均值RC355

这里使用了其以 30 分钟为间隔的方差，通过将每个参数的所有值除以其最大值来规范化数据。ABL顶部是通过由于ABL顶部气溶胶浓度突然降低而发生簇变化的高度估计的，这也使方差最大化。

对流混合的垂直范围称为“混合层深度”（MLD），傍晚衰减的对流混合形成中性分层残余层，在夜间，通过发射长波辐射，陆地表面冷却速度比地球大气更快，这会导致基于地表的温度逆温，从而形成稳定的边界层。

在本案中，由于激光束和望远镜视场的部分重叠，在较低高度无法检索到完整的信息，对激光雷达RCS的日间数据及其60 m至2000 m方差进行聚类分析，确定MLD，MLD被确定为重叠高度（360 m）以上的高度，在该高度发生了第一次集群变化。

对于SBL高度的确定，考虑了夜间激光雷达RCS及其在60 m至1200 m高度内的方差，一个剖面中有多个聚类变化，表明夜间有多个气溶胶层，第一个高于360 m的层是SBL顶部。

其上方高达1000 m的层被确定为残余层，残余层的深度通常被确定为SBL顶部与封顶反转底部之间的空间。

ABL中不同数量之间的相关性在表1的前两列中给出，LDR-WVMR 相关性对两组都是正的，WVMR随高度的降低可能是由于气溶胶上凝结形成液滴，这将产生更多的球形颗粒并导致LDR降低。

液滴的形成也可能导致α一个由多重散射引起，它会增加LR，导致LR-LDR和LR-WVMR之间的负相关。

表 1.LR、LDR 和 WVMR 之间线性相关的相关系数 （R） 如表所示，所有相关性在统计意义上均显著，概率为 <0.05。

来自印度东北地区和上空的气溶胶主要含有车辆尾气，这些气溶胶具有更高的α一个和 AOD 但类似β一个，与其他区域的气溶胶相比，粗模式和细模式的优势。增加α一个AOD似乎是由于吸收率的增加，石墨烟灰的存在，在这个波长区域是高度吸收的，可能会增加α一个。

表 2.整个研究期间气溶胶层的特征

结果表明，对于上述两种情况，粗模的LDR均低于精细模式，由于粗模气溶胶由于其较大的尺寸而更容易形成CCN，因此预计它们将更具球形，这β一个发现粗模式高于精细模式。

来自比哈尔邦经尼泊尔的气溶胶，含有生物质燃烧和人为气溶胶的主要贡献观测到的生物质燃烧的LR范围在30-60sr之间，对于这些轨迹，发现LR在60 sr以内，粗略模式的LDR显示的值高于精细模式。

溶性大颗粒与生物质燃烧气溶胶的混合可能会增加粗模式的LDR，在以前的工作中发现，将大型矿物粉尘与生物质燃烧气溶胶混合会增加LDR这α一个。

表 3.研究期内三个不同阶段的云的特征。

在本文中，我们研究了喜马拉雅山脉东部高海拔站大吉岭的垂直范围分辨气溶胶和云层及其光学特性，总共进行了34小时的测量，跨越了7个晚上，激光雷达以 1 分钟的间隔提供输出，高度分辨率为 7.5 m，我们分析了垂直和时间分辨率分别为120米和30分钟的激光雷达测量距离校正信号（RCS），因此，我们在整个分析中获得了68个RCS配置文件。

上述RCS用于计算α一个、β一个、激光雷达比 （LR） 和线性去偏振比 （LDR） 来研究大气的一般光学特性。模拟模式已用于 5 km 以下的分析，另一方面，光子计数模式已被用于观测卷云。

对气溶胶层和云层进行了鉴定，研究了它们的光学性质，同时对气溶胶源识别和云层相位检测进行了研究。

检索并校准水蒸气混合比（WVMR），WVMR与归一化标准差（NSD）一起用于了解大气动力学的影响，在云生存期内在 RCS、NSD 和 WVMR 中检测到的变化，直到降水用于评论云内的基础进程，分析了激光雷达RCS的周期性和派生量，以了解该地区地形、远程传输和行星波等不同因素引起的大气变化。

气溶胶散射和吸收的贡献，由下式量化α一个对用于评估的方法敏感，在我们的例子中，对高度箱的平均值波动最小，因此产生了更好的结果，α一个在某些情况下发现为阴性，这可能是由于气溶胶对 387 nm 拉曼回波敏感的影响2。

虽然在季风后测量的喜马拉雅山脉西部高海拔站的震级与Palampur观测到的相似，但高于新德里附近的Gawl Pahari陆地站，我们的结果表明，不同混合状态下的远距离迁移人为羽流和海洋气溶胶的丰度可能是导致α一个。

计算平均LR剖面，LR范围为0至200 sr，海拔范围为360 m（重叠高度）至2000 m，LR 的平均值和标准差 （61±20SR）是通过在360-2000米的高度范围内取平均值来计算的。

这样的LR值表明来自印度东北部的人为气溶胶和来自比哈尔邦（通过尼泊尔）的生物质燃烧气溶胶的主要贡献，其震级低于Gawl Pahari，但高于Palampur。

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参考文献;

1、穆什塔克;夏尔马;班戈特拉;高塔姆;Gautam，S.大气气溶胶：一些亮点和荧光笔，过去到最近几年。

2、Fernald，F.G.大气激光雷达观测分析

3、Klett， J.D. 用于处理激光雷达回波的稳定分析反演解决方案。

4、魏华;古贺;伊奥基贝;俄亥俄州和田;偏振激光雷达的稳定反演方法：分析和仿真。

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