气溶胶颗粒物质量浓度激光雷达探测方法研究

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大气中高浓度的颗粒物对人类的生活和健康有严重影响,对其进行监测和控制是当前我国乃至全世界公众的关注热点。颗粒物质量浓度的监测目前基本上局限于定点监测,急需空间大尺度、高空间分辨率的检测技术与手段。  为了获得颗粒物的质量浓度廓线,本文提出一种基于多波长激光雷达的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的计算方法。该方法通过多波长激光雷达的回波信号数据反演气溶胶消光系数与后向散射系数,同时计算分析气溶胶体积谱分布与气溶胶数密度谱分布,并将气溶胶数密度谱与由米散射理论得到的消光效率理论相结合,提出颗粒物质量消光效率的计算方法,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法,实现颗粒物质量浓度廓线的探测。  在该方法实验验证的过程中,利用多波长激光雷达系统对西安地区上空大气气溶胶进行实时探测,通过Klett法反演大气气溶胶的相关光学参数,同时,利用气溶胶粒子谱的反演算法,对不同天气情况下的气溶胶体积谱以及气溶胶数密度潜进行了反演计算,获得不同高度上的气溶胶体积谱及气溶胶数密度谱随粒子半径变化的分布情况。最后,利用消光效率与气溶胶数密度谱分布相结合的反演算法获得颗粒物质量消光效率,并将其与气溶胶消光系数相结合反演得到颗粒物随高度变化的质量浓度分布情况。实验验证结果表明,该算法可以对不同典型天气情况下的颗粒物质量浓度进行较好的计算与分析,具有一定的可行性,为解决污染源和污染物的区域传送等亟待解决的关键科学问题提供技术支持,为大气科学研究及空间环境监视、行政决策提供科学依据和方法论。
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