激光雷达与太阳光度计精细反演气溶胶光学及微物理特性研究

摘要

气溶胶在大气辐射和气候变化的研究中占有重要地位,研究气溶胶光学及微物理特性有利于分析气溶胶对环境气候、雾霾形成机制等的作用.多波长激光雷达和太阳光度计是研究气溶胶光学和微物理参量的有效仪器,两者相结合可以取长补短,对大气气溶胶光学及微物理特性进行研究. 本论文主要围绕两部分内容展开,第一部分是基于太阳光度计数据的微物理参量反演算法研究.根据米散射理论,建立了基于最小偏差准则的正则化方法和选取先验值来反演气溶胶粒径谱分布.根据该算法,通过分析不同模型的误差数据,提出了可以实现稳定输出结果的平均化思路与方法.利用实测粒径谱数据对本算法进行了可靠性仿真验证,该算法可以实现对半径0.1pm-10μm粒径谱的准确反演,微物理参量的最大反演误差在32%以内,雷达比反演误差可以控制在34%以内.利用不同模型数据对算法进行了分类验证,结果显示该算法稳定可靠.根据反演算法对近三年西安地区的太阳光度计数据进行了处理,分析了典型天气变化过程中雷达比与粒径谱分布的变化,分析了2015-2017年雷达比的季节变化,统计分析了西安地区雷达比出现的频率变化. 第二部分主要基于激光雷达与太阳光度计数据反演并分析气溶胶光学及微物理特性.结合太阳光度计数据研究了反演多波长米散射激光雷达光学参量的边界值选取方法,基于Fernald法实现了355nm、532nm、1064nm三个波长在低探测距离时的边界值选取和光学参数的高精度反演,反演结果与拉曼法反演结果进行了比较,反演误差在20%以内,反演效果较好.分析了激光雷达与太阳光度计联合反演数据,结果显示,大气柱总消光的44%-72%由1.2-6.2km内的气溶胶粒子提供.计算并分析了垂直高度内气溶胶光学及微物理参量,对比了激光雷达各层气溶胶粒子的有效半径与整层大气柱的有效半径.初步对比了整层与分层气溶胶粒径谱分布.

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大气气溶胶光学及微物理特性研究进展

1.2.1 多波长激光雷达

1.2.2 太阳光度计

1.2.3 激光雷达与太阳光度计联合分析

1.3 多波长米散射激光雷达反演技术研究进展

1.4 气溶胶粒径谱反演算法研究进展

1.5 论文主要内容

2 反演气溶胶光学及微物理特性理论基础

2.1 气溶胶光学及微物理特性

2.1.1 气溶胶粒径谱分布

2.1.2 波长指数

2.2 米散射理论

2.3 太阳光度计数据反演技术

2.4 多波长米散射激光雷达反演技术

2.5 本章小结

3 基于太阳光度计的粒径谱反演算法研究

3.1 仪器描述

3.2 用于粒径谱分布反演的波段选择

3.3 消光+先验值反演大气气溶胶粒径谱

3.3.1 正则化反演算法

3.3.2 粗模态粒径谱的反演

3.4 双峰对数正态谱分布仿真与验证

3.4.1 参数选择

3.4.2 仿真结果

3.5 地面粒子谱仪实测数据验证

3.5.1 晴天实测谱验证

3.5.2 雾霾天实测谱验证

3.5.3 雨天（雨后）实测谱验证

3.6 算法抗噪性计算与分析

3.7 本章小结

4 激光雷达与太阳光度计反演气溶胶光学及微物理特性

4.1 基于太阳光度计数据的粒径谱反演与雷达比分析

4.1.1 典型天气过程中粒径谱的分布与雷达比变化

4.1.2 雷达比与波长指数关系分析

4.1.3 雷达比季节变化特征分析

4.1.4 雷达比频率变化分析

4.2 多波长米散射激光雷达边界值算法

4.2.1 常用的边界值算法验证

4.2.2 边界值算法描述

4.2.3 多波长米散射激光雷达边界值算法仿真分析

4.3 激光雷达与太阳光度计联合反演与分析实例1

4.3.1 联合反演与验证

4.3.2 垂直高度内微物理参量反演与分析

4.3.3 整层与分层气溶胶谱分布对比

4.4 激光雷达与太阳光度计联合反演与分析实例2

4.4.1 联合反演与验证

4.4.2 垂直高度内微物理参量反演与分析

4.4.3 整层与分层气溶胶谱分布对比

4.5 本章总结

5 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果