【微课堂】基于超级站多仪器联合观测的大气气溶胶遥感研究进展
大气气溶胶在气候变化、大气环境和人体健康等多个方面产生重要影响。遥感是获得气溶胶时空分布信息的重要手段，并且具有非破坏性、观测瞬时性、可获取整层大气信息等特点。
基于超级站多仪器联合观测研究大气气溶胶，在环保、气象等行业得到越来越多的应用。
遥感地球所于2009年开始建立的大气气溶胶遥感研究超级站，目前配置有太阳-天空-月亮光度计、激光雷达、颗粒物监测仪、黑碳仪、消光仪以及气象站等仪器设备，从大气整层、垂直和近地面三个维度对气溶胶的光学、物理和化学性质进行连续观测。
图1. 大气气溶胶遥感研究超级站
太阳-天空-月亮辐射计
全自动太阳-天空-月亮辐射计（Sun-sky-lunar radiometer）由法国某公司生产（型号为CE318-T），主要由光学头、双轴步进马达系统和控制系统三部分组成。仪器在紫外到近红外波段共设有9个光谱通道（340，380，440，500，675，870，936，1020，1640 nm），340 nm、380 nm、1640 nm波段的带宽分别为2 nm、4 nm和25 nm，其余波段的带宽均为10 nm。偏振版本的仪器在每个通道还带有偏振观测功能（936 nm除外）。仪器的视场角约为1.3°。它既可以自动进行太阳/月亮直射辐射观测，也可以进行平纬圈和太阳主平面天空光扫描观测。CE318-T测得的太阳或月亮直射辐射数据可以用来计算昼夜气溶胶光学厚度（AOD）和大气柱水汽总量等信息，可应用于卫星气溶胶产品验证等业务。主平面和平纬圈天空扫描数据可以用来反演整层大气气溶胶的单次散射反照率、粒子尺度谱分布、散射相函数、复折射指数等光学和物理参数，根据这些参数可以进一步估计气溶胶化学成分信息。表1给出了全自动太阳-天空-月亮辐射计可反演的主要光学、物理、化学成分参数。
激光雷达
云和气溶胶激光雷达是一种主动遥感仪器，通过激光器发射一束窄光束激光，激光在大气中传播时遇到空气分子、气溶胶等成分会发生散射、吸收等作用，散射中的小部分能量（后向散射光）作为回波信号落入接收望远镜视场。将激光脉冲从发射到被反射回的传播时间转换为距离，从而实现大气颗粒物的垂直分布探测。大气气溶胶遥感超级站采用CE370-2微脉冲激光雷达，仪器主要由激光器、发射及接收望远镜系统、光电转换系统、高速数据接收处理系统和软件系统组成。仪器通过光子计数来提供精确的后向散射信号探测，通过高重复性激光器(4.7 kHz)，窄视场(55µrad)和窄带通滤光片(20±0.2 nm)优化信噪比，从而实现对大气颗粒物的实时快速监测。仪器的主要参数见表2。
消光仪
激光光腔衰荡消光仪（XG-1000型）可对气溶胶颗粒物消光系数进行在线高频观测。光腔衰荡技术 (Cavity Ring-Down，CRD)是由O’Keefe在1988年提出的测量技术，由于这一技术将样品的消光路径增加到几十公里，因此与其它传统的消光光谱技术相比，光腔衰荡消光仪有较高的灵敏度。该仪器是由激光器、反光镜、三通阀、真空泵等组成，脉冲激光（532 nm）从高反镜一端进入光腔，光束在两片高反镜之间多次反射，在另一侧利用光电倍增管监测激光衰减过程，并通过激光光强在腔体内的衰减方程推算激光衰荡时间。通过分别测量环境空气和背景气体（N2）的衰荡时间，可计算出空气中气溶胶颗粒物的消光系数。仪器激光脉冲周期为1 ms，获得的气溶胶颗粒物消光系数对应波长为532 nm，数据输出时间间隔为1 s。
颗粒物在线监测仪
颗粒物在线监测仪（型号BAM-1020）利用β射线法测量收集在滤膜上的样品对射线的衰减作用，获得颗粒物的质量浓度信息。β射线吸收式监测仪主要由颗粒物捕集、滤纸供给、β射线源、监测单元和计算控制单元组成。监测器测量滤纸捕集颗粒物前后β射线衰减程度的差异，之后将监测信号送入运算控制部分进行信息处理计算。仪器以1小时为一次观测周期，通过滤膜带的初定标、样本采集、样本测量等过程对气溶胶颗粒物质量浓度进行监测。仪器可配合撞击式或旋风式切割头，获取空气动力学直径小于10、2.5或1μm的颗粒物的质量浓度。在采集样本的过程中，仪器利用加热装置控制样本湿度低于40%，这样可有效去除颗粒物中的水分，提供干粒子质量浓度，便于开展不同站点、不同环境下颗粒物浓度的对比分析。
光学黑碳仪
便携式黑碳监测仪（型号AE51）利用光学吸收原理，实时采样和计算黑碳气溶胶的质量浓度（μg/m3），具有实时性、高敏感度、宽动态粒径范围、便携（手持）等特点。AE51通过塑胶管吸入空气，将空气中的气溶胶颗粒物采集到滤膜的一个点上（直径为3 mm）。用880 nm的入射光同时穿透颗粒物采样点和参考点（无颗粒物），分别测量光学衰减。基于AE51连续的光学吸收衰减，即可实现黑碳质量浓度的实时测量。AE51的测量精度约为±0.1 μg/m3（60s均值，流量150 ml/min）。
气象站
大气气溶胶遥感超级站配有BLJW-4型自动气象站，用于测量温度、湿度、压强、风向、风速等多项大气参数。自动气象站主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成。自动气象站具有数据采集频率高，可长期无人值守等特点。
气溶胶成分遥感方法
成分遥感是当前气溶胶遥感研究中具有挑战性的研究方向。目前基于太阳-天空辐射计反演的复折射指数、粒子谱、单次散射反照率等参数，逐步形成了一些气溶胶化学成分遥感估算的方法。例如，利用复折射指数虚部区分光学吸收（例如黑碳）和非吸收性（例如硫酸盐类等）成分，利用复折射指数实部估算颗粒物含水量,利用单次散射反照率光谱信息区分沙尘类和棕色碳等。在此基础上，研究人员建立了一个基于“干/湿、吸收/非吸收”规则的气溶胶成分遥感分类模型，构建了一套大气主要气溶胶成分（黑碳BC、棕色碳BrC、粗粒子CM、硫酸铵类AS和水分AW）的遥感分析方法，下面对其进行简要介绍。
气溶胶化学成分反演首先需要假设每种成分的体积比例fBC、fBrC、fCM、fAS和fAW，然后利用Maxwell-Garnett(MG)有效介质近似理论，可计算出440-1020nm范围内混合成分的气溶胶等效复折射指数，具体如下。
MG有效介质近似理论将气溶胶看做由溶剂（水）和悬浮在溶剂中的溶质（干成分）组成，根据溶剂和溶质的介电常数和体积比可计算其等效介电常数：
其中fi为第i种（BC、BrC、CM或AS，共m种）溶质的体积比例，εw和εi分别是溶剂（水）和第i种溶质的介电常数。获得混合气溶胶的等效介电常数后，其等效复折射指数的计算如下：
其中n和k分别为混合气溶胶的等效复折射指数实部和虚部，εn和εk分别为气溶胶等效介电常数的实部和虚部。
在此基础上，通过迭代改变不同气溶胶化学成分的比例，使得气溶胶的等效复折射指数（式2）、单次散射反照率等与辐射计反演的结果最接近（残差最小），此时得到气溶胶化学成分比例的最佳估计（fbestBC、fbestBrC、fbestCM、fbestAS、fbestAW）。进一步，通过气溶胶总体积和成分典型密度可以获得各成分的质量浓度，并通过黑碳仪等在线测量对相应成分的遥感估算结果进行验证。相关反演及验证过程的数据流程见图2。
图2. 气溶胶成分遥感及验证数据流程
近地面PM2.5遥感方法
大气气溶胶遥感超级站可支持开展近地面大气细颗粒物（PM2.5）遥感研究。近年来，逐渐形成了近地面PM2.5质量浓度遥感（PMRS）模型，该模型可基于超级站监测的四个重要参数驱动：来自太阳-天空辐射计的AOD和细粒子比（fine-mode fraction，FMF），从激光雷达观测获取的大气边界层高度（planetary boundary layer height，PBLH）以及自动气象站观测的近地面相对湿度（relative humidity，RH）。在PMRS遥感模型中，通过对整层遥感观测的AOD进行粒子“尺寸约束”、“高度订正”和“湿度订正”，以及“体积转换”和“质量变换”环节，可获得近地面PM2.5质量浓度，具体由公式（3）表示：
其中，VEf是FMF的函数，ρfdry是PM2.5干物质质量密度。
此外，验证PMRS模型所需的关键参数也可通过超级站获取：例如，近地面大气细颗粒物质量浓度可由颗粒物在线监测仪获取，近地面大气细颗粒物消光系数可由激光光腔衰荡消光仪获取。基于PMRS模型，结合各订正、转换环节关键参数的遥感反演算法，形成了一套基于“粒子大小-光学体积-垂直分布-吸湿含水-成分含量”PM2.5瞬时遥感物理（IRSP）方法。该方法面向卫星遥感应用，可基于卫星遥感瞬时数据获得PM2.5空间分布，在同类方案中具有较高的PM2.5遥感精度。PMRS方法及验证流程示意图见图3。
图3. PMRS方法及验证流程示意图
基于AOD约束的气溶胶消光系数廓线反演方法
大气气溶胶具有时空分布变化大的特点，其垂直分布变化程度远超过水平分布变化。激光雷达通过回波信号分析回路上的探测目标信息，是研究大气气溶胶垂直分布的有效手段。
气溶胶消光系数表示大气颗粒物对光的散射和吸收作用的大小，而气溶胶消光系数在垂直方向上的积分，代表整层大气柱上气溶胶对光的衰减，即为AOD：
其中，σa (z)表示z高度处大气气溶胶的消光系数。考虑到激光雷达探测限（例如30公里）之上气溶胶含量几乎为零，因此将激光雷达反演的消光系数进行高度积分后即可得到τLidar。将太阳-天空-月亮辐射计获取的τphotometer作为激光雷达消光系数反演中的约束值，与τLidar进行对比，可以实现联合反演。通过动态调整气溶胶消光-后向散射比Sa，直至τphotometer与τLidar的差异小于给定阈值，即可实现气溶胶消光系数廓线的约束迭代反演。
根据Fernald后向积分法，高度z处气溶胶消光系数为：
式中，σa (z)、βa (z)分别为气溶胶的消光系数和后向散射系数, Sm、Sa分别是大气分子和气溶胶的消光-后向散射比，根据瑞利散射相函数可以计算出Sm=8π/3。
以太阳-天空-月亮光度计观测AOD作约束，这种气溶胶消光系数求解的方法，避免了激光雷达反演中气溶胶消光后向散射比Sa（又称雷达比）的假设（在通常的研究中Sa通常设置为一个固定值），提高了气溶胶消光系数廓线反演的精度。
目前大气超级站主要在以下几个方面进行应用：1、针对沙尘、灰霾等典型过程的多仪器遥感联合观测；2、将光学遥感拓展到气溶胶成分信息等前沿应用；3、遥感获得近地面PM2.5等环境关键参数的方法；4、主被动结合的大气颗粒物垂直分布特性研究。下面以一次沙尘过程的多仪器联合观测为例做介绍。
2017年5月11日上午，沙尘影响北京地区，大气气溶胶遥感超级站对此次沙尘过程进行了监测（图4）。颗粒物采样仪显示从北京时间8：30开始，近地面处PM10浓度急剧增大，而PM2.5与PM1浓度基本保持不变，到下午16：30开始，PM10、PM2.5与PM1的浓度基本稳定下来。
新型太阳-天空-月亮辐射计的配置使气溶胶光学厚度的监测扩展到夜间，基本实现了全天时气溶胶光学厚度观测，解决了夜间气溶胶光学厚度数据缺失的问题。该仪器获取的气溶胶光学厚度图可以看出，在北京时间18：00左右有一峰值，但是在近地面颗粒物浓度这一峰值并不明显。与此对应，从激光雷达距离校正信号图上可以看出，这一时刻大约1km高空有一个明显的激光雷达信号高值区，说明沙尘的传输峰值是在高空1km附近。
图4. 一次沙尘过程（2017年5月11日）的气溶胶遥感综合监测
介绍了大气气溶胶遥感研究超级站的仪器配置、研究方法以及研究案例。从科学研究角度，超级站对一个地点的长期、综合观测，有利于促进方法研究，如在大气气溶胶遥感研究超级站基础上发展了大气气溶胶五种主要成分的反演方法，拓展了气溶胶化学特性的遥感能力，还通过地基遥感观测验证了可应用于卫星遥感的基于物理途径的PM2.5遥感模型和方法。从实际应用角度，大气气溶胶遥感研究超级站具有多仪器协同观测的优势，有利于从不同尺度、不同维度、不同参数对大气气溶胶进行全方位的观测和分析，为环境研究提供数据支撑。
总体来说，气溶胶遥感的多仪器综合观测是地基遥感领域未来发展的重要趋势，是开展气溶胶遥感前沿研究的关键工具，也是近地面在位测量类超级站的有效补充。
以上内容发表在《中国环境监测》2017年第5期。作者为李正强、李东辉、张莹、吕阳、谢一凇等。
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