激光雷達實測氣溶膠對臭氧探測的誤差分析

謝銀海，曹念文，楊思鵬，何星庭

(1.四川省氣象探測數據中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；3.南京信息工程大學，大氣物理學院，南京 210044)

0 引言

四川氣象觀測站目前仍存在探測種類少、垂直探測能力不足的問題。差分吸收激光雷達(DIAL)是探測臭氧濃度廓線十分有效的手段，因其具有高分辨力、高精度和實時觀測等優點而被廣泛采用[1，2]。為了加強激光雷達的觀測站網布局，提高氣象綜合觀測能力，文章對DIAL(差分吸收激光雷達)和Dual-DIAL(雙重差分吸收激光雷達)兩種方法探測臭氧的誤差進行了討論。常規的差分吸收激光雷達方法由于忽略了大氣消光與后向散射的影響，在氣溶膠含量較高的環境中將產生較大誤差，探測精度會受到很大的影響[3-6]。為了減小探測誤差，一些學者提出了Raman方法測量臭氧[7，8]，但是其信噪比太小不利于計算，對去噪要求很高。隨后又有學者提出了四波長雙重差分測量大氣臭氧的方法[9]，發展了三波長雙差分法(Dual-DIAL)[10，11]，這種方法能有效克服大氣氣溶膠對探測結果的影響。

1 探測原理

1.1 氣溶膠激光雷達探測系統

Dual-DIAL測量臭氧的技術己經較為成熟，其中比較關鍵的是消除氣溶膠對實驗造成的影響，而不同地區的氣溶膠分布與特性有差異，文章通過激光雷達實測的氣溶膠數據計算其對臭氧探測的影響。氣溶膠探測使用的激光雷達是三通道激光雷達(圖1)。

圖1 Rayleigh-Raman-Mie激光雷達結構

將雷達系統的發射單元(激光發射器等)和接收單元(接收望遠鏡等)置于實驗室內的水平工作平臺上，實驗室內保持恒溫。試驗采用激光雷達的發射單元是SureliteII型激光器，其發射的激光波長為532 nm，激光通過發射單元的擴束器擴束并調試光路，經過全反射鏡的反射后，垂直向上進入大氣。在大氣傳輸過程中，激光光束會與大氣分子和氣溶膠粒子發生相互作用，其中一部分返回地面的后向散射回波信號由卡塞格林望遠鏡接收，經過會聚透鏡過濾后進入信號采集通道。其中氮氣分子的Raman散射信號(607 nm)經過分色鏡后進入Raman光子計數采集通道；高空532 nm散射信號經過半反半透鏡后進入Rayleigh光子計數采集通道；低空532 nm散射信號經過全反鏡后進入Mie散射光子計數采集通道，該通道接收低層Mie散射信號。3種信號通過以上處理后，經過光電轉換系統得到電信號，最終由數據采集系統存儲在主控計算機中。

1.2 數據分析原理

根據DIAL方法和Dual-DIAL方法探測臭氧時的臭氧計算表達式，可知激光雷達差分吸收方法的探測結果受大氣(大氣分子和氣溶膠)的后向散射和消光影響，而由于大氣氣溶膠分布的不確定性，計算時往往忽略這2項的影響從而導致誤差的產生。因此差分吸收激光雷達測量臭氧的系統誤差可以分為兩部分，即后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差，可以分別表示為：

式中，Δz是距離分辨力，取Δz=30 m；εSB和εSE是大氣總的(大氣分子和氣溶膠)后向散射和消光造成的誤差；N(z)是距離z處的臭氧濃度，假設為1×1012cm-3；Δδ為臭氧在λon與λoff波長處的吸收截面之差，Δδ=2.7×10-18；βλ(z)與αλ(z)是距離z處的后向散射系數與消光系數；C是為了消除氣溶膠影響而引入的常數項。使用Dual-DIAL方法探測臭氧時選取合適的C值可以有效削減誤差，而令C=0時計算得到的誤差即為DIAL方法的探測誤差。Dual-DIAL方法使用波長對266 nm，289 nm，308 nm計算對流層臭氧探測的誤差，相對的DIAL方法所用的波長對為266 nm，289 nm；式中，大氣分子采用1976年美國大氣模式，氣溶膠的激光雷達比設為55。在Dual-DIAL方法中C值的選擇上，文章沒有使用傳統的計算方法C=(λ1off-λ1on)/(λ2off/λ2on)得到的C=23/19，而是通過對南京當地的實際氣溶膠分布進行模擬得到更加適合當地氣溶膠分布情況的C值1.7。

文章使用了激光雷達實測的4種氣溶膠分布來計算大氣氣溶膠對臭氧探測誤差的影響，4種氣溶膠的分布如圖2所示。

4次實驗的探測環境如表1所示，氣溶膠分布1，2均為晴天探測結果；氣溶膠分布3探測于多云環境，從圖2中可見2～4 km處有云的存在；氣溶膠分布4探測于雷陣雨后，圖2中8 km處有卷云的存在，是由鬃積雨云頂脫離母體而成的偽卷云。對流層中高層氣溶膠主要受云的影響，因此所用數據分別代表了對流層不同高度氣溶膠對探測結果的影響。

圖2 氣溶膠消光系數分布

表1 探測時間及環境

2 數據分析及結果

2.1 DIAL與Dual-DIAL誤差對比

文章分別計算了不同氣溶膠分布下DIAL與Dual-DIAL臭氧探測方法的總誤差(后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差之和)，并進行了對比，計算結果如圖3所示。從圖中發現，DIAL方法的探測誤差普遍大于Dual-DIAL方法，一般大于10%，在氣溶膠分布4的8 km附近DIAL方法誤差甚至達到了190%；兩種方法的誤差均隨著高度變化而頻繁波動，但Dual-DIAL方法的誤差波動幅度遠小于DIAL方法。當氣溶膠濃度較為穩定且氣溶膠均勻分布時，DIAL方法的誤差呈現隨著高度增加而減小的趨勢，Dual-DIAL方法的探測誤差穩定且接近于0。在氣溶膠空間變化率較大處誤差增加迅速，如氣溶膠分布1的8 km以上區域，氣溶膠分布3的4 km以下區域和氣溶膠分布4的8～9 km處，兩種探測方法的誤差都有較大的增幅，即使Dual-DIAL方法有效減少了誤差，誤差極值也達到了40%。對比大氣氣溶膠的消光系數廓線和臭氧探測的誤差廓線，發現DIAL方法的誤差受氣溶膠含量及空間分布的影響都很大，當氣溶膠含量高或是氣溶膠空間變化率較大時會產生較大的誤差，而Dual-DIAL方法的誤差與氣溶膠含量的聯系較小，主要受氣溶膠空間分布的影響，只有當氣溶膠空間變化率極大時才會產生較大的誤差，否則誤差一般小于10%。

圖3 總誤差(后向散射項造成的誤差與消光項造成的誤差之和)廓線(a)氣溶膠分布1；(b)氣溶膠分布2；(c)氣溶膠分布3；(d)氣溶膠分布4

2.2 C值削減誤差效果討論

C值對Dual-DIAL方法探測臭氧的精度至關重要，合適的C值能夠有效減小探測誤差。文章選取的C值為1.7，為了探究C值的誤差削減效果及其對消光誤差和后向散射誤差的作用，文章計算了其誤差分布情況。由圖4(a)可知，DIAL方法的探測誤差中消光誤差占88%，即其探測誤差主要由消光項引起，而后向散射項的貢獻只有12%；而圖4(b)顯示Dual-DIAL方法進行臭氧探測的誤差中消光誤差的貢獻較小，只有34%，后向散射項的貢獻卻達到64%。

圖4(c)中DIAL方法的消光誤差占總誤差的比例主要在85%～95%，而比例低于80%的都是離散度較大的異常值，與之相對后向散射誤差占總誤差的比例主要在5%～15%，比例高于20%的也是離散程度較大的異常值，這些異常值位于大氣氣溶膠空間變化率較大的區域，此時的后向散射誤差可能遠大于消光誤差，但是這些點的數量不及所有數據的1/4。圖4(d)是Dual-DIAL方法兩種誤差比例的盒須圖，與DIAL方法相比其消光誤差與后向散射誤差之間的差異較小，消光誤差所占的比例主要在10%～65%，而后向散射誤差的比例主要在40%～90%，總體高于消光誤差。文章所選取的C值有效削減了DIAL方法的探測誤差中占主導地位的消光誤差，對后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。

3 結束語

文章通過對比研究得出，Dual-DIAL方法能夠有效削減大氣氣溶膠對臭氧探測的影響，Dual-DIAL方法探測誤差遠小于DIAL方法。Dual-DIAL方法有效削減了DIAL方法中占主要地位的消光誤差，對后向散射誤差也有一定程度的削弱作用。其中消光誤差主要與氣溶膠含量有關，而后向散射誤差受氣溶膠的空間分布影響。此項研究為激光雷達在氣象綜合觀測業務中的應用奠定了良好的基礎。