大气气溶胶微物理参数的三波长拉曼激光雷达探测研究

大气气溶胶的直接和间接辐射效应一直是研究气候变化的热点问题，但是目前人们对它的认知程度还很低，其重要的原因是缺乏基础观测数据，尤其是垂直分布信息更难获得。随着气溶胶气候效应研究的深入发展，其微物理参数显得更加重要，如气溶胶粒子的单次散射返照率是气候模式中气溶胶的关键输入参数。本项目将在现有可移动式三波长（355nm，532nm和1064nm）激光雷达的基础上增加355nm和532nm波长的拉曼探测通道，在国内首次实现五通道激光雷达（ ）的米和拉曼散射同时探测，使用355nm、532nm和1064nm波长后向散射系数和355nm、532nm波长的消光系数，通过自行研制的数值方法来反演气溶胶粒子谱分布和复折射指数，再由米散射理论计算得到粒子单次散射返照率。并对合肥上空的大气气溶胶进行昼夜连续观测，得到光学和微物理参数垂直分布统计特征。

大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。气溶胶在地球-大气辐射收支过程中扮演了重要的角色。它不但通过散射吸收短波和长波辐射，直接影响地-气之间的辐射收支平衡；它还会作为凝结核参与云的形成，从而改变云的光学、微物理特性、生命周期和降水。气溶胶已经成为影响全球气候变化的最敏感的强迫因子，也是气候变化机制研究和制定减排政策时必需考虑的新的视角和切入点，是当今科学研究前沿。目前人们对于气溶胶的科学认知程度仍比较低，其重要原因是缺乏气溶胶的物理、化学与光学特性的基础观测数据，特别是气溶胶的垂直分布信息很难获得。.本课题在原有可移动式三波长（355nm，532nm和1064nm）激光雷达的基础上，增加分别接收387nm和607nm的氮气拉曼回波信号通道，在国内首次实现三波长发射和五通道接收的气溶胶探测激光雷达系统。通过与模式廓线比较，以及与类似激光雷达对比探测的验证，其总体技术指标达到了其设计指标要求，满足气溶胶光学和微物理垂直廓线探测和反演的要求。同时在数据处理和反演方法上，也做了大量的具有创新性研究工作。针对较为成熟的532nm波长可见光波段气溶胶消光系数垂直廓线的反演方法，进行了扩展和修正，使其应用到355nm和1064nm波长的反演上。同时又研制了拉曼散射反演算法，应用到387nm波长和607nm波长氮气拉曼信号上，减少了激光雷达比的假设，同时反演消光系数和后向散射系数垂直廓线，再利用多波长的探测特点，分别可以得到355nm，532nm和1064nm波长的后向散射系数廓线，355nm波长和532nm波长消光系数廓线。这5组光学参数变量为反演气溶胶的微物理参数奠定了基础。基于贝叶斯理论的最优化方法的应用，经过正演模型，模拟反演和实时反演三个阶段，实现了气溶胶粒子谱分布和复折射指数垂直廓线的反演获取，完成了本课题既定的研究目标。.本课题充分利用激光雷达遥感先进技术手段，通过米、拉曼散射、多波长联合探测技术，不仅获得了气溶胶的光学参数，在此基础上还反演了其微物理参数，迈出了从光学参数到微物理参数垂直廓线反演的关键一步。微物理参数的获取，尤其是其垂直廓线，将进一步提高人们对气溶胶的认知程度，推动其在环境、气象、气候和健康等领域的研究进展。也可为当前国内雾霾研究实时定量获得其主要成分比例结构排序，确定有效的短期和长期治理措施提供依据。