污染条件下气溶胶和水汽时空分布探测和数据分析研究

摘要

中国污染问题一直是中国环境最重视的问题之一，随着中国工业化的发展，各种形式的污染相继增加，造成了广泛的自然环境和人体健康问题。其中，空气污染目前已成为中国的一大问题，并对人民公众健康构成了威胁。2016年进行了一次统计，统计结果显示，中国的338个地级市中仅仅只有84个城市达到了国家规定的标准，其它城市都是污染占多数。由于人类生活在大气中，大气质量一直和人类是息息相关的，所以空气污染可能成为中国最大的健康威胁。2013年1月北京市政府的探测表明，PM2.5浓度甚至达到过1000μg/m3，特别是寒冷季节中，PM2.5含有的K+，Ca2+，NO3-，SO4会对全北京人民的健康造成非常大的影响。正是因为在这种背景下，以及在“保证重大科学研究计划973项目‘云、气溶胶气候效应的观测与模拟研究’”和“863项目‘大气参数反演及地基验证’”两个项目的支持下，中国科学院合肥物质科学研究院大气光学中心自主研发了两台激光雷达对北京地区进行大气探测。本论文第一章介绍了整个研究背景;第二章介绍了基础激光雷达探测大气特性的原理;第三章介绍了激光雷达探测大气参数的原理和方法;第四章介绍了两台激光雷达的研制;第五章介绍了两台激光雷达探测到的边界层、退偏振比、消光系数、水汽、雷达比的分析;第六章介绍了激光雷达探测的数据与其它数据的统计分析。主要研究内容如下:
　　(1)为了配合973项目以及863项目，本文主要完成了两台激光雷达的研制。第一台激光雷达为大气温度、水汽和气溶胶的三波长八通道激光雷达，探测地点为中国科学院大学雁栖湖校区;第二台激光雷达为水汽、气溶胶单波长四通道激光雷达，探测地点为北京中国气象局。同时为了保障激光雷达可以连续自动观测，在第一台激光雷达基础上研发了一套智能天窗系统，并获得发明专利。
　　(2)通过对大气边界层高度、大气气溶胶以及水汽的验证，证明两台激光雷达的可靠性与准确性。
　　(3)灰霾天、干净天以及水云天三种条件下探测激光雷达比，结果分别为75sr、45sr和18sr。
　　(4)对灰霾天、污染天以及干净天三种情况下的大气边界层高度与PM地面浓度做统计分析表明:PM2.5被灰霾天的影响变化量，约为污染天的两倍，干净天的三倍;PM10被灰霾天的影响变化量，约为污染天的两倍，干净天的两倍。
　　(5)对比分析APEC会议期间与之后的污染状况，水汽越大的时间段，相应污染也高，虽然APEC会议期间治霾力度加大，但是由于水汽增多，也出现相应的污染升高。可知水汽在大气污染治理方面具有不可忽视的作用。

目录

声明

摘要

第1章 研究背景

1．1 大气污染

1．1．1 北京大气污染

1．2 大气气溶胶

1．2．1 大气气溶胶的影响

1．3 水汽

1．4 大气边界层

1．4．1 大气边界层结构

第2章 激光雷达测量原理

2．1 激光雷达测量基础

2．1．1 瑞利散射

2．1．2 米散射

2．1．3 拉曼散射

2．1．4 共振散射

2．1．5 共振荧光效应

2．1．6 差分吸收效应

2．1．7 多普勒效应

2．2 激光雷达组成

2．2．1 发射单元

2．2．2 接收单元

2．2．3 后继光学单元

2．2．4 信号探测与采集单元

2．3 激光雷达方程

2．4 激光雷达类型

2．4．1 地基激光雷达

2．4．2 空基激光雷达

2．4．3 天基激光雷达

第3章 Raman-Mie激光雷达探测

3．1 边界层高度测量原理

3．1．1 激光雷达探测边界层高度的方法

3．1．2 大气边界层高度批处理过程

3．2 退偏振比

3．3 大气气溶胶测量原理

3．4 水汽测量原理

第4章 Raman-Mie激光雷达研制

4．1 激光器的选择

4．2 望远镜的选择

4．3 信号探测和采集单元设计

4．4 软件控制设计

第5章 Raman-Mie激光雷达探测研究

5．1 数据预处理

5．1．1 背景噪声扣除

5．1．2 高低层信号拼接

5．1．3 几何因子校正

5．1．4 数据平滑

5．1．5 美国标准大气

5．2 常见污染物对空气污染的影响

5．3 激光雷达大气边界层探测

5．3．1 大气边界层个例分析

5．3．2 大气边界层与颗粒物浓度的关系

5．4 激光雷达退偏振比探测

5．4．1 污染天的退偏振比特例分析

5．4．2 干净天的退偏振比特例分析

5．5 激光雷达气溶胶参数分析

5．5．1 消光系数分析

5．5．2 不同条件下激光雷达比分析

5．6 激光雷达水汽分析

5．6．1 水汽常数确定

5．6．2 水汽混合比分析

5．7 TWAR激光雷达对有沙无霾污染天研究

5．8 WAR激光雷达对有沙有霾污染天研究

5．9 APEC会议期间与污染天的对比

5．9．1 APEC会议期间激光雷达气溶胶、水汽分析

5．9．2 APEC会议之后激光雷达气溶胶、水汽分析

第6章 激光雷达大气统计分析

6．1 光学厚度与污染气体浓度分析

6．2 大气边界层与质量浓度的统计分析

6．2．1 大气边界层高度与PM质量浓度的统计分析

6．2．2 大气边界层高度与PM质量浓度的相关性分析

第7章 总结与展望

7．1 文章总结与创新点

7．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果