星載激光雷達CALIOP功能、產(chǎn)品和應(yīng)用

鄭韶青，徐峻，何友江，孟凡，畢方，易鵬，王繼康

1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

星載激光雷達CALIOP功能、產(chǎn)品和應(yīng)用

鄭韶青1，徐峻2*，何友江2，孟凡2，畢方2，易鵬2，王繼康2

1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心，北京 100012

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

星載激光雷達CALIOP實行對地例行的垂直切片式掃描，形成對地球大氣中氣溶膠和云高分辨的立體監(jiān)測網(wǎng)。系統(tǒng)介紹星載激光雷達CALIOP的功能、特性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、反演過程、產(chǎn)品和不確定性，CALIOP資料和產(chǎn)品在示蹤沙塵和污染物輸送，驗證模型模擬的云和氣溶膠空間分布，云和氣溶膠相互作用，氣溶膠和云空間分布三維結(jié)構(gòu)的長期平均狀態(tài)，更新有關(guān)氣溶膠和云特性的認(rèn)識等方面的應(yīng)用，以及在我國區(qū)域空氣質(zhì)量研究中的應(yīng)用前景。

氣溶膠；云；星載激光雷達；垂直分布

氣溶膠和云的物理和化學(xué)性質(zhì)、空間分布以及輻射效應(yīng)一直是區(qū)域空氣污染［1］和氣候變化研究中的熱點和最不確定的因素［2］。氣溶膠等污染物的空間分布除水平方向存在差異外，還具有垂直方向上的分布結(jié)構(gòu)［3］，體現(xiàn)在氣溶膠、云層發(fā)生的高度和厚度，各層氣溶膠的濃度和光學(xué)性質(zhì)，不同區(qū)域氣溶膠垂直分層結(jié)構(gòu)的差異等。相比空間代表性有限的地面原位觀測，衛(wèi)星遙感手段能夠提供云、氣溶膠乃至某些空氣污染物大范圍的水平分布狀況，如目前常用的衛(wèi)星資料：靜止氣象衛(wèi)星、中分辨率成像光譜儀（MODIS）、臭氧檢測儀（OMI）、對流層污染物檢測儀（MOPPIT）等，并不能體現(xiàn)污染物的垂直分布狀況。目前的空氣污染監(jiān)測大多限于大氣低層，對污染物達到的高度及其分層狀況了解甚少，因而無法精確界定區(qū)域空氣污染的三維分布狀況和區(qū)域污染輸送發(fā)生的高度等，盡管地基激光雷達能夠獲得所在地氣溶膠的垂直分層結(jié)構(gòu)，但并不能代表區(qū)域上的狀況；此外，氣溶膠的垂直結(jié)構(gòu)通過輻射效應(yīng)改變大氣中輻射加熱率的垂直分布狀況［4］，將對大氣層結(jié)、動力過程等產(chǎn)生影響。迄今為止，對氣溶膠和云在區(qū)域尺度上的垂直分布特征及可能引發(fā)的效應(yīng)都缺乏了解，相應(yīng)研究亟待開展。

2006年由美國航天航空局（NASA）和法國國家航天中心（CNES）聯(lián)合研制的星載激光雷達CALIOP投入運行［5］，實行對全球大氣垂直切片式掃描，獲得區(qū)域尺度上的云和氣溶膠在垂向剖面上的分布狀況，為區(qū)域空氣污染和氣候變化等領(lǐng)域研究提供了新的科學(xué)素材和視角，迄今為止已積累了覆蓋全球6年以上的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)公布以來，一些國內(nèi)外的研究中用到該資料，但對其較深度的發(fā)掘有待開展，尤其對國內(nèi)研究而言。由于星載激光雷達基于特殊的原理，其反演過程復(fù)雜，產(chǎn)品繁多，反演過程和產(chǎn)品某些地方存在不確定性，筆者通過對這些方面較詳細的介紹，指出產(chǎn)品使用中需注意之處，并討論CALIOP產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

1 CALIOP功能和特性

美國NASA和法國CNES聯(lián)合研制的帶偏振的云和氣溶膠探測激光雷達（cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization，CALIOP）搭載云－氣溶膠激光雷達和紅外探測衛(wèi)星（cloud-aerosol lidar and infrared pathfinder satellite observations，CALIPSO）于2006年4月28日發(fā)射，在太陽同步軌道上運行，離地高度705 km，傾角98.2°，CALIOP為該衛(wèi)星上主要探測器。

CALIOP的激光發(fā)射系統(tǒng)為二極管Nd：YAG激光器，同時發(fā)生1 064和532 nm 2個波段的激光脈沖，發(fā)射頻率為20.16 Hz，脈沖長度為20 ns，2個波段的脈沖能量都是110 mJ，其中，532 nm波段激光脈沖為偏振光，偏振純度大于1 000∶1。發(fā)射激光脈沖到達地球表面時其光柱的直徑約70 m。由于需要探測大氣中分子、氣溶膠和云的后向散射，而它們之間信號強度的差異非常大，CALIOP接收系統(tǒng)能探測到的信號強度跨度達到6個量級，覆蓋從地面以上30～35 km的無氣溶膠情況到濃密云層情況下散射的信號。接收系統(tǒng)中的偏振分離裝置將532 nm波段的回波分裂為水平和垂直2個部分，得到該波段的偏振分量。

與傳統(tǒng)的被動式遙感探測（如MODIS）不同，CALIOP不斷發(fā)射和接受激光脈沖，為主動遙感方式，優(yōu)勢在于能夠探測到明亮地表之上和薄的層云之下的氣溶膠層。CALIOP在高速移動中高頻率發(fā)射和接收激光脈沖，探測衛(wèi)星移動軌跡和地面星下點軌跡間垂向剖面的信息，垂直分辨率達到15 m，由激光脈沖接收裝置的采樣頻率決定（10 MHz），水平分辨率為333 m，由激光發(fā)射頻率和衛(wèi)星移動速率決定。

CALIPSO是對地衛(wèi)星探測群“午后列車”（afternoon-train，簡稱A－Train）的成員［6］，它們的地球表面掃描軌跡于當(dāng)?shù)貢r間午后1：30開始陸續(xù)經(jīng)過同一地點，前后相差僅15 min，實現(xiàn)多顆不同性能衛(wèi)星對地球表面同一位置的同步觀測。A－Train系列衛(wèi)星由于各自配備不同的遙感儀器，探測項目以及探測所及的空間范圍各有側(cè)重，能夠形成較完備的資料互補，也使得探測結(jié)果之間相互映證。其中，Aqua搭載的MODIS和Aura搭載的OMI探測器實行對地的寬角度掃描，單次地表掃描幅度達2 000 km以上，獲得氣溶膠特性（光學(xué)厚度、氣溶膠細顆粒、氣溶膠指數(shù)）、氣態(tài)物種、云等的大范圍水平分布狀況，而CALIOP探測到其中某幾個垂向剖面上高分辨率的云和氣溶膠的垂直分布結(jié)構(gòu)，二者配合將獲得污染物空間分布的三維結(jié)構(gòu)。Aqua之后是星載云廓線雷達Cloudsat，探測由衛(wèi)星至地面軌跡剖面上云的垂直分布狀況，水平和垂直分辨率分別為1 100和240 m，它與緊隨其后的CALIPSO掃過地表同一地點的時間相差15 s。由于二者給出的是同一垂直剖面的狀況，Cloudsat側(cè)重于云的探測和反演，正好驗證CALIOP反演的氣溶膠和云的空間分布，并形成互補，較好地展現(xiàn)云和氣溶膠大范圍區(qū)域尺度的空間分布的同時，具很高的分辨率。

2 CALIOP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、反演過程和產(chǎn)品

CALIOP數(shù)據(jù)處理中的期望是：信息盡可能覆蓋廣闊的空間范圍，反映足夠多的細節(jié)，而數(shù)據(jù)量盡量小。真實大氣的探測結(jié)果表現(xiàn)為：高度越高，大氣在更廣闊的空間上表現(xiàn)出均一性，高層較弱的信號需在較大范圍進行平均，才能識別出有意義的信號；低層氣溶膠和云的信號明顯，且空間分布的差異也顯著，需用較高的分辨率體現(xiàn)。基于這種思想，CALIOP設(shè)計了獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既有效地反映大氣中的真實狀況，又極大地壓縮了數(shù)據(jù)量。CALIOP的原始采樣空間分辨率為：垂向30 m，水平333 m，由接收器帶寬和激光發(fā)射頻率決定。原始數(shù)據(jù)量龐大，針對不同高度層在不同空間范圍進行平均，將處理后的反映一定空間范圍的平均值下傳到地面，數(shù)據(jù)量大大下降。

反映在CALIOP資料的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，它的空間分辨率隨高度變化，在各高度區(qū)間，水平和垂向分辨率都是變化的。低層分辨率較高，地面到8.2 km高度段的資料達到原始分辨率，垂向分辨率30 m，水平為333 m；越向高層，垂直和水平分辨率均越低，如30～40 km高度段，資料的垂向分辨率為300 m，水平分辨率為5 km。各高度區(qū)間水平和垂向分辨率的具體情況、包含的垂直廓線特征等見表1。可見CALIOP資料的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較其他衛(wèi)星資料復(fù)雜，也給資料讀取造成一定的難度。

表1 CALIOP資料按高度區(qū)間設(shè)置的垂直和水平分辨率以及廓線特征Table 1 CALIOP vertical and horizontal resolution，and vertical profile properties at different height interval

CALIOP目前只有一級產(chǎn)品（Level 1）和二級產(chǎn)品（Level 2）。Level 1產(chǎn)品中，Level 1B產(chǎn)品在科學(xué)研究中較常用，主要包括532和1 064 nm 2個波段衰減的后向散射、532 nm波段退偏比、2個波段衰減的后向散射顏色比等，上述產(chǎn)品為后向散射的直接觀測值，并不能反映具有高后向散射性質(zhì)目標(biāo)層的類型以及定量化光學(xué)特性。Level 2產(chǎn)品主要為CALIOP資料的反演結(jié)果，產(chǎn)品反映出各種目標(biāo)層的類型，以及它們量化的光學(xué)特性，因此，在科學(xué)研究中具有更廣泛的用途。

CALIOP資料反演算法的主要部分源自1994年進行的激光雷達的太空技術(shù)實驗（LITE）［7］，在11天航天飛機航程中取得的激光雷達探測數(shù)據(jù)的反演基礎(chǔ)上形成，反演過程分3步依次進行，對應(yīng)3個模塊算法：1）目標(biāo)層搜索模塊（selective iterated boundary locator，SIBYL）［8］，就是識別并界定云或氣溶膠層的空間范圍，模塊設(shè)計了智能算法，做空間平均時能自動調(diào)整，既反映出信號強的目標(biāo)層，也不遺漏信號較弱的目標(biāo)層；由于云和氣溶膠存在在垂直方向上重疊的情況，目標(biāo)層的搜索自上而下，并不斷訂正后向散射的垂直廓線，以界定出垂向重疊的目標(biāo)層。2）目標(biāo)層類型識別模塊（scene classification algorithms，SCA）［9-10］，算法先確定目標(biāo)層為云還是氣溶膠，之后再細化云的類型（水云、冰晶）和氣溶膠類型，判別氣溶膠類型依據(jù)氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)、高度、氣溫、地理位置、下墊面類型等信息，反演的氣溶膠類型有沙塵、生物質(zhì)燃燒、城市污染、沙塵和污染混合氣溶膠、背景氣溶膠和海洋氣溶膠6種。3）混合反 演 算 法 模 塊 （hybrid extinction retrieval algorithm，HERA）［11］，它不是一個獨立的算法，反演中利用前2個模塊的輸出結(jié)果，包括SIBYL界定的目標(biāo)層、識別出的目標(biāo)層類型、相應(yīng)的激光雷達比和多次散射訂正系數(shù)等，而反演結(jié)果可能又會對識別的目標(biāo)層類型、激光雷達比、目標(biāo)層的消光程度等做出訂正，因此被稱為混合反演算法，反演中涉及迭代計算，去擬合探測到的衰減的后向散射垂直廓線，最終得到的較為合理的云和氣溶膠的后向散射系數(shù)、消光系數(shù)等光學(xué)性質(zhì)的垂直分布。

上述3個模塊處理過程的中間結(jié)果和最終產(chǎn)出形成CALIOP Level 2產(chǎn)品。因此，CALIOP Level 2產(chǎn)品內(nèi)容最豐富，除包含云的分類和氣溶膠類型、光學(xué)性質(zhì)在垂向剖面上的分布等以外，還包括識別目標(biāo)層過程中進行空間平均的水平范圍長度、目標(biāo)層識別可信度等的分布狀況。Level 2產(chǎn)品分為層產(chǎn)品、廓線產(chǎn)品和反演類型三大類，具體產(chǎn)品內(nèi)容和空間分辨率等特征見表2。CALIOP Level 2產(chǎn)品的反演流程及與相應(yīng)二級產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)見圖1。CALIOP的Level 1和Level 2產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)以單次軌道數(shù)據(jù)的形式歸檔，一次白天或黑夜的掃描結(jié)果形成1個文件，包含了沿掃描軌道的垂向剖面上的探測和反演結(jié)果，文件格式均為hdf4。

表2 CALIOP Level 2產(chǎn)品類型和特征列表Table 2 CALIOP Level 2 products list and characterization

圖1 CALIOP Level 2產(chǎn)品的反演流程Fig.1 Flow chart of CALIOP Level 2 product retrieval

3 CALIOP產(chǎn)品的不確定性

經(jīng)過訂正的CALIOP Level 1產(chǎn)品為直接的探測結(jié)果，可信度較高。相比之下，Level 2產(chǎn)品由于涉及反演過程，存在一定不確定性，主要來源于反演過程中目標(biāo)層識別、云和氣溶膠的區(qū)分、氣溶膠類型識別、多次散射效應(yīng)和消光系數(shù)廓線的迭代等步驟，其中最大的不確定性來自云和氣溶膠的區(qū)分和氣溶膠類型識別2個反演步驟。

上述2個步驟造成反演過程的不確定性體現(xiàn)在以下方面。首先，這2個反演結(jié)果本身具有一定的不確定性：1）云和氣溶膠的區(qū)分通過二者的概率分布函數(shù)（PDF）計算的置信函數(shù)決定，該PDF由3個直接的探測結(jié)果計算，即目標(biāo)層中間高度、整層平均衰減的532 nm后向散射強度和整層平均顏色比，為根據(jù)以往的經(jīng)驗（主要是LITE實驗的結(jié)果）總結(jié)出來的判據(jù)，由于實驗的樣本和區(qū)域代表性有限，不能涵蓋實際大氣中可能出現(xiàn)的所有情形，實際反演中，云和氣溶膠的誤判可能會發(fā)生，如Choi［12］發(fā)現(xiàn)在塔克拉瑪干沙漠上空，沙塵經(jīng)常被誤判為云；2）氣溶膠類型的識別主要依據(jù)CALIOP探測的光學(xué)特征、目標(biāo)層出現(xiàn)的地理位置（高度、經(jīng)緯度等），探測的時間等因素，設(shè)計出篩選和識別流程決定各氣溶膠層最可能的類型，可見氣溶膠類型的識別主要基于以往的經(jīng)驗，主觀判斷的成分較重，實際應(yīng)用中對氣溶膠類型的誤判將可能發(fā)生。

另一方面，后續(xù)的反演過程恰恰要用到上述2個反演結(jié)果，它們的不確定將可能造成偏差在反演中的傳遞。反演顆粒物（云和氣溶膠）光學(xué)性質(zhì)的垂直廓線，需先設(shè)定各目標(biāo)層的激光雷達比（Sr），反演中就面臨兩難的境地：Sr的選取取決于云和氣溶膠的區(qū)分，以及后續(xù)氣溶膠類型的確定；而區(qū)分云和氣溶膠以及氣溶膠類型，依據(jù)的恰好又是Sr。而云和氣溶膠、各種氣溶膠類型間Sr的差異較大。反演中首先區(qū)分云和氣溶膠，但如果發(fā)生云和氣溶膠的誤判，將可能造成后續(xù)反演結(jié)果不可用，可見這一步相當(dāng)關(guān)鍵。氣溶膠類型識別模塊將識別出的氣溶膠類型分為6種，其中4種氣溶膠類型的光學(xué)參數(shù)根據(jù)ARONET長期觀測研究歸納［13］，清潔大陸和海洋氣溶膠的光學(xué)參數(shù)依據(jù)典型站點和實驗的觀測數(shù)據(jù)總結(jié)得到，后續(xù)反演過程中用到的Sr因氣溶膠類型決定，而各種氣溶膠類型間Sr量值的跨度較大，氣溶膠類型的誤判可能對反演的消光系數(shù)廓線產(chǎn)生一定的影響，盡管迭代計算中也會對各氣溶膠層的Sr進行調(diào)整使得反演的氣溶膠廓線能夠擬合探測的衰減后向散射的垂直分布。

由于CALIOP資料存在不確定性，尤其在應(yīng)用CALIOP的反演產(chǎn)品時，進行一定的驗證是必要的。例如，可以將CALIOP的反演結(jié)果與MODIS云圖、Cloudsat云廓線等結(jié)果進行對比，驗證CALIOP區(qū)分云和氣溶膠結(jié)果的真實性。CALIOP反演產(chǎn)品中的氣溶膠類型，可根據(jù)剖面中目標(biāo)層的空間位置、所處地理環(huán)境和區(qū)域特征、當(dāng)時的輸送條件等，并結(jié)合A－Train系列其他衛(wèi)星探測結(jié)果和產(chǎn)品，進一步驗證、甄別。另外，CALIOP一般難于透射較厚的云層或氣溶膠層［14］，某些情況下，探測不到低層的氣溶膠，這時如有地基激光雷達配合，將形成很好互補。一些研究將星載激光雷達和地基激光雷達二者結(jié)合［15］，既能得到氣溶膠和云垂直結(jié)構(gòu)的在較大空間范圍的瞬時狀態(tài)，還能得到定點垂直分布的時間序列。

4 CALIOP數(shù)據(jù)的應(yīng)用

4.1 沙塵輸送

使用CALIOP資料最多的應(yīng)用是有關(guān)沙塵的研究，強的沙塵暴作用下，沙塵被抬升到高空開始長距離輸送，由于濃度高、據(jù)源區(qū)較近的區(qū)域沙塵的非球形程度較高，在CALIOP資料中能被較容易地識別，能夠精確定位沙塵到達的高度、空間范圍等［16］。Eguchi等［17］運用CALIOP資料的研究發(fā)現(xiàn)，來自蒙古戈壁和新疆塔克拉瑪干源地的沙塵分別在不同高度層輸送，向下游輸送過程中在垂直方向上生出重疊現(xiàn)象；Uno等［18］運用CALIOP資料進行沙塵模擬4D－Var的同化研究，較好地揭示了沙塵輸送過程和不同階段的三維結(jié)構(gòu)。

4.2 長期平均狀態(tài)

由于CALIOP不間斷地提供大氣中云和氣溶膠的觀測結(jié)果，使研究氣溶膠垂直分層結(jié)構(gòu)的長期平均特征成為可能。Yu等［19］利用CALIOP運行前2年的資料，統(tǒng)計了全球12個代表區(qū)域氣溶膠的垂直分布狀況，中國東部地區(qū)為其中之一，作為典型工業(yè)源污染區(qū)，氣溶膠消光系數(shù)的垂直分布存在明顯的季節(jié)變化，氣溶膠層高度（定義為氣溶膠消光系數(shù)的垂直積分達到63%的高度）春季最高為2 km，冬季最低為1.3 km，沙塵在氣溶膠消光中的貢獻較顯著，尤其是冬春季，比重占到絕大部分。Kiliyanpilakkil等［20］分析了2006—2011年間CALIOP資料在全球15個代表性海域的結(jié)果，獲得清潔海洋氣溶膠的具有統(tǒng)計意義的光學(xué)性質(zhì)，并得到清潔海洋氣溶膠光學(xué)厚度和海表面風(fēng)速的關(guān)系。

4.3 示蹤污染物輸送

CALIOP資料能清晰地展現(xiàn)氣溶膠層出現(xiàn)的高度和水平方向的伸展范圍，并反演出氣溶膠類型，可對污染物輸送進行較好地示蹤。火山噴發(fā)產(chǎn)生的塵埃達到較高的高度，有時會突破到平流層，CALIOP能探測火山塵埃輸送過程中的垂直分層結(jié)構(gòu)、塵埃的非球形狀況等的演變特征［21］；Xia等［22］利用CALIOP資料證實有翻越喜馬拉雅山脈的污染物污染輸送過程發(fā)生；Sugimoto等［23］采用地基激光雷達觀測，配合CALIOP資料，清晰地顯示了對廣州地區(qū)空氣質(zhì)量造成影響的外來污染輸送發(fā)生的高度。

4.4 驗證云和氣溶膠的模擬結(jié)果

以往的模式驗證主要對比如MODIS資料，進行云或氣溶膠的水平分布的驗證。CALIOP資料能夠提供云和氣溶膠層的精確高度，反演產(chǎn)品中還包括云和氣溶膠的類型、光學(xué)特性等的垂直分布狀況，能夠驗證區(qū)域空氣質(zhì)量模型［24］、中尺度氣象模型［25］、氣候模型［26］模擬氣溶膠和云所達到的高度和垂向分層結(jié)構(gòu)，驗證采用不同計算方案對模擬效果的改進程度，比較和評估它們的優(yōu)劣。

4.5 云和氣溶膠相互作用

氣溶膠和云的相互作用是氣候變化研究中最不確定的因素，在觀測中尋找由人為氣溶膠改變云滴尺度證據(jù)，并且量化比較困難。Costantino等［27］根據(jù)CALIOP探測的云層和氣溶膠層的垂直分布結(jié)構(gòu)，確定待研究的氣溶膠和云相互混雜的層次，不同于以往采用垂向平均的云和氣溶膠微物理特性進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，人為氣溶膠降低云滴有效半徑，但也使云層的整層的液態(tài)水含量降低，云滴有效半徑與凝結(jié)核個數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系與理論推算一致。

4.6 更新云和氣溶膠特性的認(rèn)識

CALIOP資料除識別和區(qū)分云和氣溶膠以及它們的微物理特性、垂直分層結(jié)構(gòu)以外，還發(fā)現(xiàn)了和以往認(rèn)識不同的新的觀測事實。Reverdy等［28］的研究發(fā)現(xiàn)，50%以上的CALIOP探測中都發(fā)現(xiàn)高空卷云，被動式遙感如MODIS并不能探測到這種卷云，因此被稱為“看不見的卷云”，根據(jù)同時同地CERES、MODIS、CALIOP的探測結(jié)果，計算得到該“看不見的卷云”在白天平均反射的短波輻射可達到約2.5 W/m2。Hu等［29］2010年利用CALIOP資料反演的云層中液態(tài)水含量的研究發(fā)現(xiàn)，云溫在－40～0℃的情況下，云層中液態(tài)水比例和液態(tài)水柱濃度遠高于以前被動式遙感得到的量值，過冷水云在高緯海洋風(fēng)暴路徑中最常見，在陸地上的過冷水云含水量最高。

4.7 多種探測平臺、手段聯(lián)用揭示污染物空間結(jié)構(gòu)

許多研究中綜合利用A－Train系列中多種衛(wèi)星資源以及地基監(jiān)測等手段獲取大氣中污染物全方位的信息［30-31］，對區(qū)域污染和輸送的空間結(jié)構(gòu)進行多視角的探測和分析，并配合區(qū)域空氣質(zhì)量模型的模擬分析等，全面揭示污染物的三維空間結(jié)構(gòu)、來源、轉(zhuǎn)化、演變和作用機制等特征，已成為研究區(qū)域污染空間結(jié)構(gòu)及輸送全過程的趨勢。

4.8 討論

由于CALIOP提供了前所未有的大范圍高分辨率垂直剖面掃描圖像，作為新興的觀測資料，已經(jīng)在示蹤沙塵和污染物的區(qū)域輸送、展示氣溶膠三維空間結(jié)構(gòu)，揭示云和氣溶膠的微物理特性和相互作用過程和效應(yīng)，驗證云和氣溶膠模擬結(jié)果等方面有所應(yīng)用。

大多數(shù)研究僅利用了一級產(chǎn)品中衰減的后向散射強度和積分的偏振比等CALIOP直接探測結(jié)果，對污染物和沙塵輸送影響的空間范圍進行示蹤，確定輸送發(fā)生的高度等，主要為研究發(fā)現(xiàn)提供第三方資料的佐證。對于二級產(chǎn)品，一些研究中至多用到的是垂向剖面上云和氣溶膠、以及氣溶膠類型的空間分布等，用以驗證其研究發(fā)現(xiàn)，由于該類CALIOP資料本身是反演產(chǎn)品，需進行必要的驗證，所以應(yīng)用方面與一級產(chǎn)品的利用要少很多；而對反演的氣溶膠和云的微物理性質(zhì)等的應(yīng)用則更少。

從目前的應(yīng)用效果看，CALIOP資料對于沙塵輸送的示蹤最有效，而對氣溶膠類型的識別并不是在所有時刻都合理，需要其他資料和分析進行進一步確認(rèn)。有的研究就CALIOP資料進行了某些區(qū)域長期的氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計，得到諸如氣溶膠消光系數(shù)廓線等信息，基于前述氣溶膠類型識別中的不確定性及可能帶來的偏差傳遞，應(yīng)用該類結(jié)果時需謹(jǐn)慎。

單獨應(yīng)用CALIOP資料，其價值并不能完全體現(xiàn)，如今在眾多可用的衛(wèi)星資料及其他資源的前提下，同時與A－Train其他衛(wèi)星資料以及氣象衛(wèi)星云圖等的聯(lián)用，多種資料綜合運用，并相互佐證，成為研究趨勢。實際上，對CALIOP資料的應(yīng)用尚處于初始階段，資料的潛在利用價值巨大，諸多方面的研究和應(yīng)用有待開發(fā)。

5 在我國區(qū)域空氣質(zhì)量研究中的應(yīng)用前景

當(dāng)前我國以京津冀、長三角和珠三角為熱點區(qū)域的區(qū)域空氣污染問題嚴(yán)重，灰霾事件頻發(fā)，PM2.5往往成為首要污染物。對于各種重污染事件，確定其污染的空間分布特征——水平和垂直方向上的區(qū)域分布狀況，解釋污染成因——區(qū)域污染、局地排放造成或氣象條件等方面仍然是亟待解決的問題。盡管在上述區(qū)域設(shè)置了一定數(shù)量的地面監(jiān)測站，受限于財力和人力，該類監(jiān)測站空間覆蓋度尚不足以精確反映區(qū)域污染的分布狀況，盡管也有一些地基激光雷達的布置，畢竟數(shù)量較少，并不能形成有效立體的觀測網(wǎng)。

CALIOP對地觀測中覆蓋全球的星下點軌跡每16天重復(fù)1次，圖2顯示了CALIPSO 16天中穿越我國國土范圍的掃描軌跡，盡管軌跡并不通過任一特定的地理位置，掃描路徑上的探測結(jié)果仍可反映云和氣溶膠的區(qū)域分布狀況，且具較高的空間分辨率。由于衛(wèi)星周而復(fù)始地運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不間斷的對地監(jiān)測，從而形成覆蓋全國區(qū)域范圍、例行的立體監(jiān)測網(wǎng)，每一次掃描形成的垂直剖面，既反映云和氣溶膠的區(qū)域分布特征，又展現(xiàn)出精細的垂向分布結(jié)構(gòu)的細節(jié)。CALIOP的產(chǎn)品在我國的區(qū)域空氣質(zhì)量研究中理應(yīng)具備非常好的應(yīng)用前景。

圖2 CALIPSO星下點16天中經(jīng)過我國地表的掃描軌跡Fig.2 CALIPSO ground track during 16 days over Chinese territory

目前國內(nèi)利用CALIOP資料研究區(qū)域空氣質(zhì)量的個例較少。Tao等［32］利用CALIOP資料配合其他衛(wèi)星資料等研究京津冀地區(qū)幾次重污染的成因，但著重強調(diào)高層沙塵對京津冀區(qū)域氣溶膠光學(xué)性質(zhì)和空氣質(zhì)量的影響。Chen等［33］統(tǒng)計了上海臨近區(qū)域干霾事件期間CALIOP一級數(shù)據(jù)直接探測光學(xué)變量的垂直分布狀況，雖然可以在一定程度上展現(xiàn)氣溶膠層發(fā)生的高度，由于低層氣溶膠后向散射會受到其上層氣溶膠的影響，由一級數(shù)據(jù)中衰減的后向散射所體現(xiàn)的氣溶膠層發(fā)生高度和強度都不夠確切。總體而言，這些研究對區(qū)域尺度的垂直剖面上的氣溶膠空間結(jié)構(gòu)和成因的分析不夠充分，并未完全利用CALIOP資料能體現(xiàn)的優(yōu)勢。

基于CALIOP資料的優(yōu)勢所在，它在我國區(qū)域空氣污染研究中的具體應(yīng)用將表現(xiàn)在以下幾個方面。

5.1 獲得區(qū)域尺度上長期平均的氣溶膠三維分布特征

CALIOP例行的探測剖面形成對我國大氣的立體監(jiān)控，統(tǒng)計分析長期的剖面資料，將獲得我國上空氣溶膠三維的分布特征，空間分辨率高，且反映區(qū)域分布狀況。由于CALIOP已積攢了7年以上的資料，可用于研究氣溶膠分布的變化趨勢，如我國空氣污染熱點區(qū)域京津冀、長三角、珠三角等地區(qū)近年來氣溶膠三維區(qū)域分布特征和長期的變化特征。與以往被動遙感方式（MODIS等）反演的整層氣溶膠光學(xué)特征相比，CALIOP產(chǎn)品能反映分層的氣溶膠光學(xué)特征，體現(xiàn)出不同高度層氣溶膠對整層AOD的貢獻情況；還能反映不同氣溶膠類型在各高度層的出現(xiàn)頻率，及其對整層AOD的貢獻狀況。

5.2 監(jiān)控區(qū)域內(nèi)污染源排放

由于可以獲知重大的污染源和高排放區(qū)域的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)，同時也可預(yù)知CALIPSO地面軌跡，分析 CALIOP高分辨率的探測剖面結(jié)果，結(jié)合A－Train其他成員同一時刻、同一區(qū)域范圍的衛(wèi)星資料，可以精確地監(jiān)控重大源排放和區(qū)域排放狀況及其在區(qū)域形成的影響范圍。通過與現(xiàn)有排放源清單的比對，能夠識別出區(qū)域內(nèi)以前未被發(fā)現(xiàn)、未經(jīng)申報或不受重視，但對區(qū)域有重要影響的源排放。CALIOP資料應(yīng)用在科學(xué)研究的同時，也為環(huán)境管理提供技術(shù)支持。

5.3 探測區(qū)域空氣污染的精細結(jié)構(gòu)

CALIOP探測區(qū)域污染輸送發(fā)生的高度、影響范圍等，配合地基激光雷達觀測，點面結(jié)合，展示污染輸送中特定時刻的垂向剖面狀況，也有定點觀測的日變化過程。配合其他A－Train成員衛(wèi)星的資料，確定污染的空間范圍，包括水平分布和垂直分層結(jié)構(gòu)，從而獲得污染事件中氣溶膠三維的空間分布狀況，即反映區(qū)域分布特征，同時還具較高的分辨率。多種遙感資料聯(lián)用，并結(jié)合天氣過程和氣象條件分析，已是當(dāng)今探索區(qū)域空氣污染的空間分布和成因的有效研究手段和趨勢。

6 結(jié)語

星載激光雷達CALIOP作為新興遙感探測工具，采用主動式的遙感方式，提供了前所未有的大范圍高分辨率垂直剖面掃描圖像，資料的垂向分辨率為30 m，水平分辨率為333 m。CALIOP產(chǎn)品內(nèi)容豐富，包含云和氣溶膠的空間分布，6種氣溶膠類型的空間分布，分層的光學(xué)厚度、退偏比、顏色比、激光雷達比等氣溶膠光學(xué)特性，以及它們的統(tǒng)計特征值、可信度等。

CALIOP資料已經(jīng)在示蹤沙塵和污染物的區(qū)域輸送，展示氣溶膠三維空間結(jié)構(gòu)，揭示云和氣溶膠的微物理特性和相互作用過程和效應(yīng)，驗證云和氣溶膠模擬結(jié)果等方面得到應(yīng)用。在我國當(dāng)前的區(qū)域空氣質(zhì)量研究中，CALIOP資料將在獲得區(qū)域尺度上長期平均的三維氣溶膠分布，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)污染源排放，探測區(qū)域空氣污染的精細結(jié)構(gòu)和成因等方面具備廣泛的應(yīng)用前景。實際上，對CALIOP資料的應(yīng)用尚處于初始階段，資料的潛在利用價值巨大，諸多方面的研究和應(yīng)用有待發(fā)掘。

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Satellite Cloud-Aerosol Lidar－CALIOP：Capability，Product and Its Applications

ZHENG Shao-qing1，XU Jun2，HE You-jiang2，MENG Fan2，BI Fang2，YI Peng2，WANG Ji-kang2
1.Appraisal Center for Environment＆Engineering Ministry of Environmental Protection，Beijing 100012，China
2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Satellite Cloud-Aerosol Lidar（CALIOP）practices a routine vertically sliced scanning through the earth's atmosphere，forming a 3-D monitoring network with high resolution on cloud and aerosol.CALIOP was introduced systematically in terms of capability，characteristics，data structure，retrieval process，products and the uncertainty.The applications of CALIOP data to trace dust transportation，validate modeled cloud and aerosol distribution，explore aerosol-cloud interaction，exhibit long-term status of cloud and aerosol distribution，update the understanding of the aerosol and cloud properties，as well as application prospects in the study of regional air quality in China were presented.

aerosol；cloud；CALIOP；vertical distribution

X51

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2014.04.051

1674－991X（2014）04－0313－08

2014－01－22

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項（GYK5051201）；環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項（2006003037）

鄭韶青（1969—），女，研究員，研究方向為環(huán)境質(zhì)量管理和標(biāo)準(zhǔn)，zhengsq＠acee.org.cn

*責(zé)任作者：徐峻（1969—），男，研究員，博士，研究方向為區(qū)域空氣污染，xujun＠craes.org.cn