气溶胶激光雷达比的迭代反演

基于Fernald法研究了激光雷达比设定值与激光雷达有效探测范围内气溶胶光学厚度之间的函数关系。针对函数的连续性，提出了以光学厚度为收敛判据，采用二分法反演低层气溶胶激光雷达比的新方法。2014年7月下旬，利用太阳光度计和西安理工大学自主研发的拉曼-米氏激光雷达对西安局部地区大气进行了实验观测，并利用所提出的方法进行了数据反演。实验结果表明，西安局部地区气溶胶激光雷达比在观测期间比较平稳，基本为44或45。降雨当天，受大气湿度影响，激光雷达比值较大为51。利用激光雷达米氏散射回波信号和太阳光度计探测数据，提出了采用迭代反演算法开展气溶胶激光雷达比精细反演新方法，对研究气溶胶光学特性的精细反演算法具有重要的意义。

探测大气气溶胶消光系数的便携式米散射激光雷达

介绍了一种新型的便携式米散射激光雷达的总体结构及其各部分的功能，分析讨论了该激光雷达在夜晚与白天探测大气气溶胶消光系数垂直廓线的性能

米-拉曼散射激光雷达反演对流层气溶胶消光系数廓线

介绍了基于米-拉曼散射激光雷达的南京北郊大气气溶胶观测实验, 采用小波分析中的软硬阈值方式处理拉曼散射激光雷达回波信号, 选取不同的阈值和不同的小波函数处理拉曼散射激光雷达回波信号, 得到了平滑的拉曼散射激光雷达信号。根据拉曼散射激光雷达原理反演对流层高空大气气溶胶消光系数廓线, 借助弗纳尔德方法并利用米散射激光雷达气溶胶观测数据, 反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。实验观测系统中有瑞利、米散射和拉曼散射3个接收通道, 重点研究了米散射和拉曼散射通道接收到的观测数据, 对南京北郊2011-12-08晚间拉曼散射激光雷达的气溶胶观测数据进行4种不同阈值处理。选择合适的阈值对实验观测数据进行去噪, 然后利用反演原理公式并结合距离矫正信号对观测数据进行反演, 得到对流层高空大气气溶胶消光系数廓线; 利用其中一处的气溶胶消光系数可以反演得到对流层低空大气气溶胶消光系数廓线。利用米-拉曼散射激光雷达联合反演对流层气溶胶消光系数廓线, 可以清晰看出气溶胶的分布特征, 对流层低空自由大气的气溶胶消光系数最大值一般为0.1 km-1左右, 表明对流层低空自由大气比较干净; 对流层高空大气气溶胶

激光雷达反演气溶胶后向散射系数误差估算

激光雷达是探测大气强有力的工具，其误差估算是数据处理的一个重要内容。在气溶胶后向散射系数的反演公式中，气溶胶后向散射系数对各直接测量量的偏导数是很难求的，传统的误差传递公式难以发挥作用。针对这一困难，提出了一种直接的误差传递方法，通过比对计算检验了它的合理性和可靠性。并用该方法估算大气分子消光系数、参考点气溶胶后向散射系数、气溶胶激光雷达比和测量信号分别独立变化时引起激光雷达反演气溶胶后向散射系数误差的大小及总误差的大小。

南京北郊对流层气溶胶激光雷达观测

介绍了中国气象局南京综合观测基地拉曼瑞利米氏激光雷达(RRML)系统。为了获得对基地上空气溶胶的可靠观测数据，利用该系统米氏通道回波信号对南京北郊对流层气溶胶进行观测，反演得到不同天气条件(晴、多云)下的典型气溶胶消光廓线，观测了一次无风时气溶胶扩散过程。分析了南京北郊气溶胶光学厚度随时间、风向的变化特征。观测南京地区多云天气的云底高度和层云内部消光结构，并对层云进行实时监测。结果表明：利用激光雷达能够很好地对气溶胶实现监测，多云或者有污染天气气溶胶光学厚度明显偏大，全年气溶胶光学厚度先增大后减小，同时由于地理位置原因，对流层气溶胶光学厚度受到偏南北方向风影响较大。对层云的观测表明层内部的消光结构呈现对称和不对称两种情况。而通过对气溶胶的监测发现，在无风时，边界层处气溶胶向下扩散，使得整个边界层内下方气溶胶消光系数增大，而整个边界层内光学厚度保持不变。

转动拉曼米氏散射激光雷达反演气溶胶消光系数

利用激光雷达米氏(Mie)散射回波信号与转动拉曼(Raman)回波信号的差值，结合已知的大气分子消光系数，构造纯气溶胶回波用以反演气溶胶消光系数。假设气溶胶消光后向散射比在相邻高度上相近，即微分为零，根据纯气溶胶回波信号公式推导出反演大气气溶胶消光系数的积分公式。该方法利用转动Raman散射信号与气溶胶后向散射无关的特性去除Mie散射信号中大气分子后向散射部分，降低了大气分子数密度波动对反演结果的影响，用积分反演提高了结果的稳定性。最后用自行研制的转动拉曼米氏(Raman-Mie)散射激光雷达(RRML)回波信号对该方法进行验证，结果表明该方法能有效地反演气溶胶消光系数廓线。

拉曼散射激光雷达反演平流层气溶胶消光系数廓线

介绍了位于南京北郊的拉曼散射激光雷达的基本结构，描述了使用拉曼散射激光雷达反演平流层大气气溶胶消光系数廓线的数据处理方法。重点研究了南京北郊2011-12-08与2011-12-09晚间平流层气溶胶观测数据，对拉曼散射激光雷达距离矫正信号进行4种不同阈值的小波去噪，选择出合适的阈值，然后利用反演原理公式，得到平流层大气气溶胶消光系数廓线，分析了平流层大气气溶胶消光系数的变化特征。

多波长气溶胶激光雷达观测北京地区持续性雾霾的典型案例

为了解雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用多波长气溶胶激光雷达在北京海淀气象局的观测数据,反演得到了2017年11月4日至7日持续性雾霾期间大气气溶胶的消光系数、退偏振比和雾霾高度等参数,实现了在雾霾期间对大气的实时监测。结合探空资料数据获取的气象参数,并利用拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)分析了雾霾期间气团的路径来源和走向,分析得出,相对湿度增大、风速低以及逆温层的存在是雾霾形成和持续存在的重要因素。河北一带的污染物输送导致此次北京海淀区的雾霾形成,而西北风为污染物向上扩散消失提供了条件。

基于动态雷达比的气溶胶消光系数及光学厚度反演

激光雷达以其高垂直空间分辨率和高时间分辨率的优势在大气气溶胶监测中具有重要作用。在利用Fernald法反演气溶胶消光系数和光学厚度的过程中，雷达比是反演结果的主要误差源。在目前的应用中雷达比普遍都是取固定值，这就必然给雷达反演带来误差。通过对污染物以及气象数据与雷达比的逐步回归分析，建立了雷达比估算模型，从而实现雷达比的动态估算。研究表明：雷达比的变化与空气中PM2.5质量浓度、相对湿度、SO2和NO2质量浓度等具有明显相关性。相比于固定值，利用动态雷达比反演的气溶胶消光系数和光学厚度精度明显提高。

探究影响南京地区大气气溶胶光学特性反演的因素

对南京地区大气气溶胶的光学特性进行了反演，讨论了影响大气气溶胶消光系数反演准确度的不同因素。采用不同的方法对信号进行去背景处理，找出合适的去噪方法；利用五点三次平滑、小波去噪、十一点平滑等方法对去噪后的信号进行再处理，找出可以得到准确反演结果的方法。分析了Klett方法中的后向消光对数比与参考高度处的消光系数对反演结果的影响，分别对k的取值范围为0.67~1.0、σm的取值在1×10-5 km-1附近的反演结果进行了分析，在Fernald方法中分析激光雷达比的取值(范围为20~70)对反演结果的影响。对Klett与Fernald两种方法的计算结果进行了对比，发现在大气气溶胶含量低的区域，两种方法反演结果有差别，而在大气气溶胶含量较高区域，两种方法反演结果几乎相同。

激光雷达探测对流层气溶胶消光系数的统计分布

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。

激光雷达反演气溶胶光学特性的k值准确度研究

激光雷达方程求解时将后向散射消光对数比k作为假设值, 推导了k与波长指数、探测波长及气溶胶消光系数之间的关系式, 提出了一种确定k值的新方法。利用532 nm 瑞利拉曼-米氏散射激光雷达及微脉冲激光雷达, 结合CE-318太阳光度计观测数据,对k在不同天气条件下的取值进行了初步研究, 引入能见度因子, 估算气溶胶消光系数, 对该方法进行验证。结果表明: 空气状况良好时, 仅在k值取1.0时气溶胶消光系数更接近能见度估算的结果; 在雾霾天气下, 由该方法计算的k值范围在0.7~0.9时所得到气溶胶消光系数反演结果与能见度估算值的相对误差达到最小, 这说明在雾霾天气下, 该方法计算k值具有一定的可靠性。

基于Madaline网络的气溶胶消光系数反演算法

运用激光雷达监测气溶胶是大气环境监测的一项重要内容, 通过激光雷达方程可以反演得到气溶胶消光系数, 并进而获得气溶胶的其他特性。然而传统方法在反演气溶胶消光系数时需要很多假设, 使得反演精度受到很大限制。提出了一种利用多层自适应线性(Madaline)人工神经网络来反演气溶胶消光系数的方法, 通过对网络进行训练, 可由激光雷达回波信号直接反演气溶胶消光系数, 从而可有效避免传统方法的诸多假设。对比实验表明该方法使反演精度大大提高, 获得了很好的反演结果。

机载高光谱分辨率激光雷达探测大气气溶胶的研究

高光谱分辨率激光雷达能够在无需假设激光雷达比的情况下,实现气溶胶光学参数的高精度定量观测。研制了一台用于气溶胶光学特性观测的机载高光谱分辨率激光雷达,并将其用于机载观测试验。针对气溶胶光学参数反演算法进行相应改进,选取不同飞行区域和不同飞行架次的试验数据进行反演,结合太阳光度计、大气污染物输送扩散轨迹模型HYSPLIT和卫星数据等对气溶胶特性进行分析。分析结果表明,不同区域的气溶胶光学参数有明显差异:在城镇、工厂等人类活动频繁的区域,气溶胶的消光系数最高超过1.2 km -1,激光雷达比随高度变化较大,最大可达60 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.7~1;山区和海洋区域气溶胶的消光系数集中在0.2~0.8 km -1,激光雷达比随高度变化较小,数值集中在5~30 sr,0~3 km高度层的气溶胶光学厚度集中在0.3~0.7。气溶胶的分布受风、天气、污染过程等气象条件的影响,不同日期同一区域的气溶胶光学特性也受大气污染物输送扩散等因素的影响。

南京地区微脉冲激光雷达气溶胶观测

使用中国气象局南京综合观测基地的微脉冲偏振激光雷达(MPL)对南京北郊上空气溶胶进行观测，分析反演实测数据得到气溶胶的消光系数和退偏振比廓线，结果表明:晴天大气、雾霭大气和水相云中气溶胶的退偏振比数值相当，冰相云的退偏振比明显较前三种气溶胶大。2009 年1 月~6 月50 次实验观测数据的反演结果表明：当云底高度为4 km以下时，退偏振比数值集中在0~0.05 之间；当云底高度在4 km 以上时，退偏振比数值集中在0.05~0.15 之间，且云底越高，较大数值退偏振比出现的几率越高。对比2012 年一次夏季雾霭和一次冬季沙尘实测数据的反演结果表明：沙尘出现的边界特征明显，而雾的边界特征模糊；结合消光系数时空分布和退偏振比的变化，可以监测沙尘的爆发与消散。将MPL 结果与CE-318 太阳光度计数据进行对比，两种仪器所测气溶胶光学厚度随时间的变化趋势基本一致。

CCD激光雷达探测边界层气溶胶消光系数垂直分布

提出了一种反演边界层以下气溶胶消光系数垂直廓线的方法。设计了一种以电荷耦合器件（CCD）为探测器、激光器为发射端的收发分置激光雷达系统（CCD激光雷达）。基于此系统测量了水平激光束图像与垂直激光束从地面起0~1.2 km高度的气溶胶角散射灰度图像。利用水平散射图像得到大气散射相函数相对值，将其作为参数反演了垂直方向的气溶胶消光系数分布廓线。将得到的消光系数值与合肥大气辐射观测站的双波长偏振米散射激光雷达(DWPL)的观测结果进行了对比，结果表明两者一致性较好。同时给出了合肥地区4个夜晚连续观测的气溶胶廓线分布。CCD激光雷达优势在于无盲区，在近地面空间分辨率可达0.032 m/pixel，在边界层以下气溶胶探测具有潜力。

基于激光雷达探测的气溶胶分类方法研究

提出了利用激光雷达区分不同类型气溶胶的新方法。建立了包含背景气溶胶和云两种不同类型气溶胶光学参数（后向散射系数、消光系数）的两个激光雷达方程，并推导计算其解的表达式。反演出两种不同类别气溶胶的光学参数，以此区分背景气溶胶和云。根据两种不同气溶胶的光学参数与两种不同消光后向散射比（Saer1,Saer2）模拟激光雷达回波信号，并用该新方法反演得到两不同类别气溶胶的光学参数。反演结果与不同类型气溶胶的模拟参数一致。用该方法区分激光雷达同时探测到的大气背景气溶胶和云。模拟和测量结果都证实了该方法对不同类型气溶胶进行分类的可行性。

基于微脉冲激光雷达计算整层大气气溶胶光学厚度

基于微脉冲激光雷达测量数据，提出了利用气溶胶标高计算整层大气气溶胶光学厚度(AOD)的算法。首先利用激光雷达垂直和水平测量数据分别反演得到气溶胶垂直消光系数廓线和近地面水平方向的消光系数；然后将气溶胶垂直消光系数廓线分为4种类型，分别按照不同的方法拟合得到气溶胶标高；最后将气溶胶标高与近地面消光系数相结合，可得到整层大气AOD。将计算结果与同一地区相同时刻太阳光度计的测量结果相比较，发现二者具有较好的一致性，平均相对误差不超过6.7%。所提方法为白天少云和夜晚时段大气AOD的反演提供了一种新的技术手段。

振动拉曼散射信号反演激光雷达几何因子分析

利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。