【星地两种激光雷达污染观测比对分析案例1700字】

星地两种激光雷达污染观测比对分析案例1.1背景介绍星地两种激光雷达的时间和空间分辨率存在差异，CALIPSO是轨迹线观测，随着卫星的运转，测量位置时刻在改变，地基雷达是定点观测，因此两者的时间和空间不能完全契合，这给反演结果对比增加了一定的不确定度。在低空高度上，由于受到几何重叠因子的影响，地基激光雷达测量结果不准确,与CALIPSO卫星在近地面高度上观测反演后的结果存在差别。1.2数据来源CALIPSO(Cloud–AerosolLidarandInfraredPathSatelliteObservation)是NASA和CNES太阳轨道地球侦察卫星，搭载有CALIOP、IIR和WFC3个天顶视场的仪器，用来观测气溶胶和微米级的云粒。仪器自2006年美国NASA发射升空后开始观测，能对全球的气溶胶进行探测，是研究气溶胶在输运过程中垂直分布状况的一大重要手段。其携带的偏振传感器激光雷达可用于观察地球云与气溶胶的相态。图1.1为CALIPSO卫星轨道及CALIOP的主要参数REF_Ref70598731\n\h[39]，本文主要关注卫星负载的最关键的仪器——CALIOP，它能发射532mm和1064m两个波段的激光,通过三个通道我们可以得到532mm后向散射系数的垂直分量，532mm后向散射系数的水平分量，1064m的后向散射系数。另外，它能进行偏振监测，因此能被用来分辨大气中的卷云，沙尘气溶胶，烟尘等REF_Ref70706356\n\h[40]。大气分布随着海拔的升高逐渐变得有规律，探测时表现为激光信号离地表越远越弱，CALIPSO采用了不同海拔高度采用不同分辦率的方法，低对流层分辦率高，在较高的大气中分辨率则较低，具体见图1.2和图1.3,因此近地面气溶胶的光学特征也可以有效测得REF_Ref70598867\n\h[41]。图1.1CALIPSO卫星轨道以及CALIOP的主要参数图1.2CALIPSO消光系数空间分辦率图1.3CALIPSO后向散射系数空间分辦率气溶胶探测激光雷达观测点位于济南市境内，lidar采用波长1550nm进行观测、采集，垂直探测的分辨率为15米，其时间分辨率较高，不到1秒，可以对观测点上空进行24小时连续垂直观测。1.3联合观测与分析参照Liu等REF_Ref70599007\n\h[34]的气溶胶分类方法，一般把后向散射系数为0至8×10-4km-1・sr-1的颗粒定义为大气分子，将后向散射系数为8×10-4至4.5×10-3km-1・sr-1的颗粒定义为气溶胶，后向散射系数为4.5×10-3至1×10-2km-1・sr-1的颗粒定义为云。图1.4为北京时间2020年6月22日2:00-3:30星载CALIOP过境济南期间的轨迹图，扫描得到的后向散射系数垂直剖面图如图1.5所示。从图1.5中可知，卫星当天经过济南市境内，扫描的地区上空8km至10km范围内出现了高云，后向散射系数在7.0×10-3km-1・sr-1以上，说明云层厚度较厚，对激光存在较大衰减作用，在地表附近的气溶胶层不易被探测到。在2km以下高空有一层气溶胶层，后向散射系数整体在1.0×10-3km-1・sr-1至4.0×10-3km-1・sr-1，局部较高，超过4.0×10-3km-1・sr-1，说明整体空气污染情况较好。图1.4卫星轨迹图图1.5后向散射系数垂直剖面图2020年6月22日空气质量较好，由济南市地面气象微站统计的当天全市空气质量指数如图1.6和图1.7所示。济南全市空气质量为良，一整天PM10质量浓度均小于100μg/m3,PM2.5质量浓度均小于60μg/m3。0-5时空气质量指数上升，但未超过100μg/m3，随后持续下降，10点达到当日最低，之后又上升，但仍然维持在较低水平，PM2.5与PM10的趋势一致。在CALIPSO卫星过境时段，即2:00-3:30时段，PM10在80μg/m3左右，PM2.5维持在50μg/m3左右，空气污染情况较好。图1.5卫星扫描的气溶胶后向散射系数剖面图中整体后向散射系数较小，一般未超过2.5×10-3km-1・sr-1，也可以看出没有明显污染。图1.62020年6月22日PM10图1.72020年6月22日PM2.51.3.1消光系数的对比分析对于CALIPSO卫星反演的消光系数，取纬度36-37.5范围内数据，卫星过境的时间范围取UTC2020.06.21的18:30-18:45做平均，得到消光系数廓线，从卫星后向散射剖面图（图1.5）可知在8-10km有较厚的云层，使得下方的气溶胶不易探测，探测的气溶胶消光系数3公里以上没有有效数据。对于地基激光雷达的消光系数反演，地基雷达时间精度高，对卫星过境同时段的地基雷达为北京时间2020.06.22的02:30-02:45，平均以后再做背景去除、距离修正等，对距离修正信号根据第二章中激光雷达气溶胶反演方法，先用斜率法得到参考点的消光系数，再用Fernald法由远及近迭代得到各个距离的消光系数。由图1.8显示，地基激光雷达300米以下几何重叠因子很小，回波信号难以被仪器接收，所以反演出来的消光系数也很小。清洁天气的CALIPSO卫星与地基气溶胶激光雷达的消