文摘
我们提供的概述光探测和测距(激光雷达)功能描述和描述沙尘。本文总结了激光雷达技术,观察,和消极后果的沙尘激光雷达测量。主要目标是提供科学界,包括nonpractitioners激光雷达观测的参考论文尘埃激光雷达测量。特别是,它将填补当前研究型激光雷达社区之间的沟通差距和潜在的沙尘数据用户,如空气质量监测机构和航空咨询中心。当前的能力不同的激光雷达技术的特性、特别是沙尘气溶胶的。技术方面,需要假设这些技术进行了讨论,为读者提供每个技术的优缺点。沙尘信息收集使用激光雷达技术最新的研究进展。气溶胶激光雷达技术特征有一个成熟度级别适合解决空气质量和交通问题,证明了一些第一次的结果报道。
1。介绍
灰尘的主要组件之一是大气气溶胶装载。据估计,尘埃颗粒占大约75%的全球大气气溶胶负载(1)年率约1 - 2 Tg的尘埃漂浮到大气中(2]。灰尘的主要来源是世界的大干旱地区:非洲大陆,特别是撒哈拉沙漠,阿拉伯半岛,亚洲大陆(东部地区)3- - - - - -8]。尘粒,起源于这些干旱地区可以被大风长距离运输和对流过程(9]。撒哈拉沙漠的尘埃粒子,例如,可以穿过北大西洋和达到美国东南部[7,10]。
沙尘粒子有很多影响。他们会影响气候,降水周期和人类健康。像所有的气溶胶类型,沙尘粒子辐射的预算有直接和间接的影响。直接效应的机制气溶胶散射和吸收短波和长波辐射和改变地球大气层的辐射平衡系统。最新的报告政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告范围总直接辐射效应的灰尘从−0.56 + 0.1 W / m2,中低水平的科学理解(11]。大对间接气溶胶对辐射的影响依然存在不确定性的预算。间接影响是气溶胶修改云属性的机制。矿物粉尘可以作为云凝结核(CCN),从而确定初始液滴的浓度,反照率、降水的形成,和一生的云(12- - - - - -14]。所有这些参数影响云反射和/或吸收辐射的能力,从而改变地球辐射的预算。特别是,矿物气溶胶与云液体通过抑制降水(15和改变云的冰内容16,17]。引起的不确定性的影响矿物气溶胶辐射强迫是高粉尘浓度的变化在时间和空间,形状、大小分布、折射率和垂直分布18]。不完整的理解过程负责生产、运输、物理和化学进化,和删除矿物气溶胶在不同空间和时间尺度进一步的灰尘影响辐射预算的不确定性来源(18,19]。
粉尘对环境和人类健康构成严重风险的国家粉尘来源地区和周边地区20.]。心血管、呼吸道和肺部疾病可吸入造成的亚微米粒子半径因为这些可摄入人体深处[20.- - - - - -24]。眼部感染和疾病,如脑膜炎和裂谷热”一直在记录期间和之后强沙尘事件在一些地区(23,25- - - - - -27]。在干旱地区更大的距离,在空气中粉尘浓度升高大众运输通过风可以超过限制建立了空气污染空气质量管理当局(28- - - - - -30.]。这样超过数点由于灰尘会导致法规限制车辆运输和工业活动。研究发现证据的不良健康影响的小颗粒直径小于10μm和2.5μ米,称为点10和点2。5分别在撒哈拉沙漠的沙尘爆发(31日- - - - - -33),建议老年人呼吸道死亡率之间的关联和撒哈拉沙漠的尘土暴发34]。
此外,突然和严重的沙尘暴会影响空气和公路安全通过减少可见性(20.]。沙尘也可以通过影响导致重大问题在航空飞机引擎和可见性(20.,35]。这种重定向现象导致飞机由于低能见度,干扰在机场操作由于延误和大规模的定期航班取消,和机械飞机引擎的侵蚀和腐蚀等问题。
因为灰尘的多方面的影响,协调都极有兴趣观察和努力尘埃调查在国际层面上。2007年,世界气象组织(WMO)建立了沙尘风暴警报咨询和评估系统(SDS-WAS) (http://www.wmo.int/pages/prog/arep/wwrp/new/Sand_and_Dust_Storm.html40)的欲望世界气象组织成员国提高能力更可靠的沙尘风暴预测(20.]。SDS-WAS联盟伙伴围绕两个区域节点:北方北非、东欧节点节点(由西班牙)和亚洲(中国)主办。SDS-WAS集成研究和用户社区(如医疗、航空、农业用户)。SDS-WAS的使命是实现全面、协调和持续观察和沙尘风暴的建模能力,以提高他们的监控,增加沙尘过程的理解,提高粉尘预测能力。特别是,从大气尘埃模型实时数据强烈可能导致减少风险不同的影响。因为这个原因,SDS-WAS主要目标是提高运营尘埃模型通过评估/验证和观测数据的同化。
从观察的角度来看,卫星观测等被动传感器的中分辨率成像光谱仪(MODIS),旋转增强可见红外成像仪(SEVIRI) Multiangle成像光谱仪(MISR),臭氧监测仪器(OMI),在过去,总臭氧映射光谱仪(汤姆斯)[7,36- - - - - -43)是非常重要的工具来跟踪沙尘来源和识别灰尘。现在为这些传感器开发的高级检索算法提供高度可靠的信息气溶胶光学深度(AOD)及其细/粗模式部分(例如,44])。观察从星载被动传感器扩展到大型水平距离,便于识别的尘埃发生和交通工具。尽管有些被动传感器能够识别多层常压塔,激光雷达(光探测和测距)提供了最高的垂直分辨率(的几十米)的调查与云交互,分层和其他一些相关的应用程序的可能性。在这种背景下,激光雷达技术的独特功能提供信息的垂直分布粒子必须解决这些问题。激光雷达主动遥感技术是基于信息从大气结构和成分的原则可以从如何获得激光传输到大气中与大气的相互作用和由各种反散射目标(气体、颗粒和云滴)之前被收集到一个适当的光学接收系统设计。激光器和探测器技术的快速发展是快速进步的主要推动力在激光雷达技术从1963年第一个激光雷达大气研究应用散射层69至140公里时检测到(45]。一开始,气溶胶激光雷达的应用主要限于研究活动的发展第一个地面气溶胶激光雷达(例如,46- - - - - -50])和相关反演程序(例如,46,47,51- - - - - -57])。从太空中第一个激光雷达观测的尘埃在LITE实验记录(58,59),之后,由格拉斯卫星(60),明确承诺能力从太空尘埃的激光雷达观测。如今激光雷达已经达到一个高度的可靠性和使用区域网络产生长期的、有条理的,校准测量气溶胶的特性。这些包括欧洲气溶胶激光雷达研究网络(EARLINET) (http://www.earlinet.org/)[61年),几个欧洲的联合研究小组建立了产生自洽气溶胶气候学;亚洲尘埃网络(AD-Net) (http://www-lidar.nies.go.jp/AsiaNet/),成立于1998年获得亚洲粉尘的4 d视角运输使用分布式激光雷达站点在亚洲国家62年];肪冲激光雷达网络(MPL-Net) (http://mplnet.gsfc.nasa.gov/),联合网络微脉冲激光雷达(MPL)系统设计测量气溶胶和云的垂直结构63年]。所有这些网络参与全球大气的手表(衣服上的破处)气溶胶激光雷达观测网络(GALION)由世界气象组织的主要长期目标提供气溶胶的垂直分量分布通过先进的网络中的激光遥感地面电台(64年]。
除了这些研究性网络之外,还有大量的测云仪分布全球。测云仪(通常称为低功率激光雷达)是非常健壮的系统连续操作,可以对气溶胶层提供有用的信息。在这个领域是特别有趣的40-networked测云仪德国气象局(DWD) [65年]。广泛分布的测云仪也可能导致气溶胶水平分布的特征。
全球信息在垂直的气溶胶和云光学特性和分层是由CALIOP(“正交极化),激光雷达在卡利普索(“激光雷达和红外探路者卫星观测)卫星,2006年6月以来一直在测量近连续(66年]。
激光雷达技术的潜在应用测量沙漠灰尘很多。侵入到行星边界层(PBL)的沙尘和混合过程的尘埃和其他气溶胶类型可以使用垂直详细调查分析能力的激光雷达(例如,67年- - - - - -75年])。远程传输的尘埃可以通过地面激光雷达监视和跟踪网络或星载激光雷达(76年- - - - - -81年]。激光雷达测量与其他技术相结合是理想调查大气成分的某些方面,运输和沉积的灰尘。此外,激光雷达测量可用于研究气溶胶和云的属性(例如,17,47,60,82年- - - - - -89年):分析能力许可的同时检测气溶胶和云层。这方面与高时间分辨率的典型气溶胶/云交互研究激光雷达是最优的,特别是对于调查云形成过程的函数气溶胶的内容。因此,气溶胶间接,特别是二级间接辐射强迫影响预算可以利用激光雷达研究分析能力(90年,91年]。激光雷达/雷达协同方法是一种新型的和有前途的研究领域在这种背景下92年]。
激光雷达技术是一个重要的工具不仅对尘埃调查研究,还对实际应用有关,比如,空气质量和交通(例如,20.,28,30.,35])。然而,激光雷达在粉尘监测和调查能力和潜力不知名的还更广泛的社区激光雷达观测和数据分析。本文旨在为读者提供一个有用的参考激光雷达的功能和尘埃调查结果提交给激光雷达专家以外的更广泛的用户群体。尘埃调查的不同的激光雷达技术中所描述的部分2。本文文档气溶胶激光雷达功能测量暂时和垂直解决属性和属性如气溶胶分层和打字,气溶胶来源和季节性变化,远程运输,并侵入边界层。这些功能是通过增值的描述激光雷达测量活动期间(部分3)。尘埃地面激光雷达,提供的信息网络和星载激光雷达报道关注目前可用的最先进的观测(部分4和5)。特别是,协调测量内执行网络允许差异的调查由于灰尘通过网络传输。气候分析可能由于长期的测量中可用的网络和卫星测量。首先评估模型和同化的例子在尘埃的激光雷达系统的观测模型尘埃报告部分6。节7,我们审查潜在应用的激光雷达尘埃测量相关空气质量和交通。最后,结论和未来的角度给出了部分8。
2。激光雷达技术
1963年首次开发(45),大气激光雷达技术研究是当今公认的最有力的工具为研究大气的垂直结构和成分在高分辨率。激光雷达技术允许range-resolved调查大气水蒸气(48,93年,94年)、温度(95年,96年)、风(97年,98年)、臭氧(96年),污染物(99年)、碳氢化合物(One hundred.],气溶胶[47,49,53,66年),和云47,66年,101年)与空气质量评估的重要应用程序(例如,30.气候变化[]),11),和气象领域102年]。激光雷达技术提供垂直的气溶胶光学特性与高分辨率在时间和空间和气溶胶来源识别非常有效(75年,85年,103年- - - - - -105年)和long-range-transported气溶胶检测的入侵到行星边界层(PBL)(例如,(74年,75年])。
值得注意的是,有不同的技术调查的气溶胶特性使用激光雷达从最简单和广泛分布的简单的弹性后向散射激光雷达、复杂和先进的多波长拉曼激光雷达和高光谱分辨率激光雷达(HSRL)。在下一节中,常见的方案和差异对气溶胶激光雷达技术中应用最广泛的调查简要描述。激光雷达技术和他们的应用程序的完整评估报告(106年]。在这里,经过短暂的引用基本单散射激光雷达方程,注意力集中在定量数据从各种检索技术的多样性。
基本方程描述了激光雷达探测到的信号是 两个主要部分组成。第一部分包含以下常量和工具性因素:(我) 是一个激光脉冲的平均功率;(2) 是光速,是时间脉冲长度,所以呢的长度是背散射光的体积在即时收到时间;(3) 是知觉的立体角的光散射激光雷达的距离从探测器,表示该望远镜区域;(iv) 代表系统的整体效率的波长。
所有信息关于大气的状态而不是嵌入到最后的三个因素(1)。特别是:(我) 后向散射系数,代表光散落在吗波长在远处的气氛从接收器激光脉冲时波长注入大气本身;(2)指数项。是透射率与探测器之间的距离在波长。在这个表达式在波长消光系数并表明损失或衰减的波长的光在距离。
该产品被称为减毒后向散射和直接测量后向散射激光雷达。
这是所有的激光雷达技术的基本方程。特定的变化是为每一个应用的具体技术在下面讨论。
气溶胶激光雷达技术的基本产品是气溶胶后向散射,。检索的准确性取决于所使用的激光雷达技术。图1显示了激光雷达技术的日趋复杂,相应地,越来越多的直接产品。
(一)
(b)
气溶胶研究弹性最简单的激光雷达后向散射激光雷达。它的简单性和相对较低的成本使其成为全球最常见的地面激光雷达。另一方面,CALIOP,第一个专门为气溶胶和云设计星载激光雷达的研究,是一个弹性后向散射激光雷达和不断提供气溶胶消光后向散射,和去极化率在全球近2006年6月以来不断。因此,最常见的剖面测量气溶胶的研究目前所提供的弹性后向散射激光雷达。这些信息会显示在左边的锥体结构的基础图1。的影子这种结构的基础是测云仪,低功率弹性后向散射激光雷达装置,利用激光源确定云的基础的高度,或所谓的“云天花板。“云高计也可以用来测量大气中的气溶胶层高度,如下简要地讨论了。
在简单的弹性配置,(1)可以解决使用检索方法(例如,51- - - - - -54,107年),通过两个主要的假设:后向散射配置文件需要校准,气溶胶消光和后向散射之间的线性关系。后向散射校正,通常是校准零值在海拔范围气溶胶内容可以忽略。系统误差与这种假设取决于气溶胶负载和自由对流层(可以达到60%108年]。通常情况下,假设某些消光后向散射比,以后激光雷达比(),基于值以来的文学,使检索报告(1)是欠定的。在气溶胶激光雷达比是一个重要的光学参数特征,因为它取决于密集气溶胶特性,如化学成分、粒度分布的粒子,和颗粒形状109年- - - - - -111年]。一个常数,高度独立的价值往往是假设。这种假设的结果在一个不确定性的主要产品技术,气溶胶后向散射系数配置文件。这种不确定性可能高达150%108年),可以减少限制派生的总列气溶胶光学深度(AOD)等独立传感器获得的值sunphotometers(例如,112年])。然而,应该注意的是,激光雷达资料通常不到达地面,因为不完整的激光雷达望远镜的视场重叠和激光束的最低高度范围。即使一些方法存在重叠校正功能评价方面(例如,113年,114年]),一个假设需要的最低海拔大气激光雷达资料的大气气溶胶评价。这些假设所带来的不确定性是强烈依赖于每个激光雷达系统的重叠校正和大气条件。在这方面,一个低重叠和稳定的混合培养条件减少对激光雷达的错误评估大气气溶胶(113年]。
在任何情况下,不同层的激光雷达比预计值不同的气溶胶类型(例如,109年,111年,115年,116年])。在某些情况下,相同的激光雷达比可以不同气溶胶如果大气气溶胶和/或属性(如密度、折射率、形状、化学成分、和湿度)内不同层(115年]。除了第一次改善后向散射检索通过集成与sunphotometer测量(例如,117年]),最常见的应用程序,例如,在CALIOP检索,是把一个特定的激光雷达比价值与每个气溶胶层后的气溶胶类型已被确认。模拟和理论研究提供一些参考的值不同的气溶胶类型也相对湿度的函数(例如,111年,115年,116年,118年])。到目前为止,很少有尝试推导aerosol-type-dependent激光雷达参数以系统的方式。·et al。119年)发表了五个关键气溶胶激光雷达参数的类型(海洋、城市、生物质、灰尘,东南亚气溶胶)源自AERONET sunphotometer测量。然而,这些值的可靠性是有限的,因为sunphotometer不能测量粒子后向散射系数,但估计从产品的反演。这导致不可以忽略不确定性尤其是nonspherical粒子的情况下,尘埃一样大。此外,AERONET气候研究是基于列测量,因此假设一个单一类型的气溶胶存在于列,在大多数情况下这是不可能的。此外,研究假设单个气溶胶物种占据了常压塔基于地理位置的时间,和季节性事件。所有这些假设没有量化的不确定性导致重大但气溶胶激光雷达比报道。
直接测量值,如获得通过使用下面描述的更复杂的激光雷达技术,更适合作为参考的值不同的气溶胶类型和子类型(例如,[120年])。然而,直接测量表明,该参数是高度可变的相同类型的气溶胶,甚至只考虑一个测量站点(例如,(79年,121年- - - - - -123年])。这意味着应该合理的假设后向散射轮廓剖面来减少误差。最后,不确定性影响后向散射不容忽视,因为它可以达到50%的差异20 sr取决于气溶胶光学厚度(108年]。由于气溶胶消光随wavelenght在哪里通常是积极的,后向散射更敏感紫外线波长的变化(例如,355海里)比长波长。
气溶胶消光档案检索通过简单的弹性后向散射激光雷达通常发表在文学和历史·凯尔特的方法提供了解决方案的灭绝53]。然而,实际上很难检索灭绝概要文件通过这个方法51,53,64年灭绝),典型的错误可以在反向散射因素五个错误(64年]。因此,当·凯尔特的(或类似)方法用于反相激光雷达方程,该方法中使用的后向散射形式。的基础上这些考虑,气溶胶消光系数不是报道作为测量的简单的后向散射激光雷达技术参数表1。
测云仪,通常被称为低功耗后向散射激光雷达显示的影子基地激光雷达技术金字塔图1。最初设计为云顶和基础识别、测云仪后被证明是一种有效的工具识别和远程传输的火山排放在埃亚菲亚德拉冰盖火山喷发在2010年(124年]。自动和24小时7天运行这些工具一起全世界大量的可用测云仪让他们合适的候选人运营低成本的监控系统。没有做什么直到现在在测云仪效率的定量评价和评估气溶胶层检测和表征(65年,125年- - - - - -128年]。自云高计是基于一个简单的后向散射激光雷达的原理,相同的讨论气溶胶后向散射系数检索适用于测云仪在低信噪比在检索技术的应用带来了额外的挑战。特别是,红外信号的校准通常是不可能的,因为低信噪比(信噪比)和在某些情况下厚低大气中气溶胶层减弱低强度测云仪信号,这样上层不检测126年]。因此,测云仪适合气溶胶研究的标准产品是规范化的time-altitude进化图range-corrected(背景减去)信号。这些情节,可用于各种激光雷达系统,提供气溶胶垂直分布的快照,尽管,在定性层面,提供有价值的信息没有从被动传感器。
唯一的弹性激光雷达的方法,可以获得灭绝概要文件从弹性散射信号没有假设激光雷达比卡诺提出的概要文件的方法(56)和汉密尔顿(57)与扫描激光雷达数据的反演。
对于multiangle激光雷达(1)稍有变化:项是有关特定观察角用于每个扫描和透射率项是角的依赖。通过观察在不同的角度,灭绝概要文件可以被检索假设水平层的后向散射项是不变的。不幸的是,multiangle方法可以产生差反演的结果(例如,50),主要是因为的同质性假设129年]。出于这个原因,multiangle方法很少用于激光雷达测量。最近开发的数据处理技术提出Kovalev et al。130年]高度创新的在这种情况下:这种技术拒绝的信号,不遵守条件大气同质性或有重大的系统性的扭曲。这项新技术使歧视thin-stratified层(130年]。
两种类型的激光雷达技术,即拉曼激光雷达和HSRL可供灭绝的独立检索配置文件。这两个直接测量气溶胶消光配置文件,可以插入(1sans)计算气溶胶后向散射系数的假设。
结合弹性/拉曼激光雷达,inelastically(拉曼)背散射激光雷达信号测量除了弹性背散射(一个46,47]。特别是,由于分子的拉曼信号密度在大气中是众所周知的,如氮气或氧气、许可证的决心气溶胶消光概要文件。在这些情况下,后向散射项(1)是已知唯一未知是灭绝的概要文件。气溶胶消光系数的检索需要一个假设的波长依赖气溶胶消光(称为Ångstrom指数),因为(1)包含在这种情况下的透射率在激光波长和波长对应的拉曼位移。怀特曼(131年)表明,微分透射率变化约4%的Ångstrom指数在0.8和1.2之间变化的光学深度为1.0。灭绝的系统误差由于假设依赖波长低于4%Ångstrom指数变异的100%,比1%Ångstrom指数0和1之间的不同,分别对气溶胶消光和后向散射检索(46]。这可以进一步减少系统误差如果埃指数测量可从独立源(例如,Sun-photometer)。可能的系统误差的另一个来源是大气密度轮廓的假设(1)。然而,密度误差小于5%的气溶胶消光和后向散射配置文件使用标准大气概要文件时(46]。这个错误可以使用集中的同时减少无线电探测时可用。
弹性/拉曼激光雷达是罕见的,直到1990年代,当探测器和干扰的过滤设备的进展允许的进步传播这种气溶胶特性的系统。低信噪比(信噪比)相比,弹性背散射信号通常有限弹性/拉曼技术的应用夜间条件在过去。如今,拉曼激光雷达的测量是可能在白天条件下用适当的时间和空间信号平均(132年]。
结合弹性/拉曼激光雷达技术有一个巨大的优势是允许的决心气溶胶消光配置文件没有任何重要的假设,因此决心气溶胶后向散射轮廓与不确定性明显低于简单的后向散射激光雷达(47]。此外,独立测量气溶胶消光和后向散射配置文件允许直接测量激光雷达比概要文件。测量该参数是很重要的,因为它是检索所需的光学性质的广泛使用的标准elastic-backscatter激光雷达。此外,激光雷达比是一个非常重要的参数表征和打字的气溶胶。这种测量传输模型的支持下许可的详细调查气溶胶类型和混合过程(例如,85年,121年,133年,134年])。
高光谱分辨率激光雷达的原理,对于拉曼技术,使用两个独立的激光雷达方程,而不是一个后向散射激光雷达(55]。在这种情况下,产生的多普勒频率变化的不同光子散射分子(随机运动)和微粒(运动由风和湍流)是利用。速度的差异这两个类的散射粒子产生明显不同的多普勒频移对分子和粒子。粒子在大气中产生一个窄峰值附近的频率由激光传播。相反,大气分子产生一个更广泛的分布。
HSRL利用很窄的带宽滤波器从分子选择背散射信号。特别需要注意的稳定性和纯度激光发射频率。通过这种方式,类似于两个截然不同的方程(1)获得:一个用于分子后向散射,另一个用于颗粒后向散射。在两者中,积分因子包含了气溶胶和分子贡献灭绝。因此,对于弹性/拉曼技术,两个方程两个未知数的可用性(即。,aerosol extinction and backscatter coefficient) permits the independent measurements of these parameters and consequently of the lidar ratio. The systematic error in the aerosol backscatter coefficient is derived from the internal calibration and is estimated to be typically less than 2.5% [135年]。在拉曼激光雷达技术,气溶胶消光系数检索需求假设空气密度轮廓。因此,灭绝与不确定性相关的系统误差密度轮廓是相同的发现拉曼激光雷达系统(135年]。
与拉曼技术相比,HSRL的优点提供分子信号的信噪比远高于拉曼信号信噪比。HSRL因此更适合日间和机载/星载应用程序。另一方面,HSRL技术所需的高稳定性和一个小传输激光的线宽频率比拉曼激光雷达使HSRL更难以实现。拉曼激光雷达的技术往往是利用地面激光雷达导致更广泛的地理分布拉曼激光雷达站点至少在北半球。HSRL通常机载平台上实现测量活动,将激光雷达技术实现对ESA大气动力学任务(ADM-Aeolus) [98年)和地球上的云气溶胶和辐射Explorer (EarthCARE) ESA的使命和JAXA (136年),分别在2013年和2015年推出。
最先进的最先进的地面激光雷达利用多波长的方法。在一个典型的配置中,三个激光束传输到大气和相应的三个弹性背散射信号检测以及两个Raman-shifted信号由于大气氮。这些先进的系统,以后多波长拉曼系统,提供一个合适的数据集的气溶胶光学特性概要文件(3灭绝后向散射+ 2,3 + 2以后)的气溶胶类型(例如,75年,121年])和气溶胶微观物理学的光学属性的检索应用程序特定的反演算法(137年- - - - - -139年]。多波长拉曼气溶胶激光雷达技术已经证明有独特的能力提供range-resolved气溶胶微观物理学的属性,作为有效半径和复杂的折射率(例如,140年])。最后,这种测量结合sunphotometer观测可以允许气溶胶质量浓度剖面的决心和罚款和课程组件(141年,142年]。
粒子的形状是由信息的测量光的去极化到大气中。去极化测量激光雷达的应用程序是基于传输到大气中线性偏振激光脉冲和背散射光偏振垂直的检测组件和并行传输激光束的方向。预计很少或没有线性去极化小,球形粒子,而大型线性去极化率值被发现对于形状不规则的气溶胶和冰晶值根据不同的大小,形状,和粒子的取向101年]。线性粒子去极化率测量是可能的,当极化通道也实现,在上述各种激光雷达系统。线性极化粒子比被定义为正交偏振分量的比率的后向散射粒子平行分量(143年]。这进一步增加了强度性质(即。,independent on the quantity of aerosol particles), which has the potential of aiding aerosol typing. At the present, lidar systems in general only employ one wavelength to infer the linear particle depolarization ratio and this capability is implemented on simple one-wavelength backscatter lidars (economic solution) or on multiwavelength Raman lidar (expensive solution). The multiwavelength Raman lidar systems equipped with depolarization channel (so-called激光雷达系统)是现在最先进的系统提供最扩展数据集的气溶胶表征气溶胶光学参数。
最近,一种新型的激光雷达已经被开发出来,在拉曼从二氧化硅返回信号可以作为示踪剂的矿物灰尘。显示使用这种普适性的拉曼信号返回推断矿物粉尘浓度在东亚沙尘144年),这种技术结合做出了一个重大进步激光雷达系统(145年,146年]。
表1报告上面描述的激光雷达技术的可测量的量。此外,表明每一个相关的系统错误报告的检索技术。系统误差是错误相关的物理假设所需的检索程序;因此,他们不依赖于具体的激光雷达系统。这些系统误差提供了一个估计的内在限制每个激光雷达技术。所有激光雷达技术的常见产品分析能力,也就是说,气溶胶分层。提供详细的气溶胶分层是有限的信噪比,在低功率激光雷达等测云仪并不总是允许在自由对流层气溶胶分层(126年]。基地,顶部,气溶胶层的厚度可以确定典型高距离分辨率的激光雷达技术使用不同的算法(例如,128年,147年- - - - - -149年])。一旦确认了沙尘层的顶部和基地,质心的气溶胶层也可以估计从激光雷达资料123年]。气溶胶层质心的信息是有用的,因为整个层可以明显的动力学在这个位置。同质的假设下气溶胶层对气溶胶微观物理学的属性,重心可以估计的平均高度确定了沙尘层加权的altitude-dependent气溶胶后向散射系数。
顶部的PBL与激光雷达可以确定,只要望远镜的视场的重叠和激光束许可(128年,147年]。
共同气溶胶光学性质对所有技术是气溶胶后向散射系数,可以检索技术,与一些限制测云仪相关信噪比和校准。拉曼和HSRL技术许可证的灭绝作为一个广泛的气溶胶特性和激光雷达比密集。这里,强化是指一个属性,它独立于气溶胶的数量。添加频道,在弹性或拉曼激光雷达系统中,增加了气溶胶光学特性的数量可以被检索。它增加了数量的气溶胶消光和后向散射配置文件,和更多的波长允许Ångstrom消光和后向散射测量指数,和在紫外和可见光波长。在特定情况下气溶胶层清洁空气包围层上方和下方(平流层层),激光雷达比可以由简单的弹性与同质的假设气溶胶后向散射激光雷达层的微观物理学的属性(例如,150年])。
对于每一个技术报告在表1,额外的渠道去极化的检测和/或未极化的背散射信号允许检索粒子线性去极化率剖面。
从这个数据集光学性质和几何分层柱状,如大气气溶胶,可检索。这也允许将PBL和自由对流层贡献评估。每个气溶胶层可以表现为可用光学方面广泛而密集的属性。这些数量是依据的确定气溶胶微观物理学的属性使用适当的数值方法。
在这方面最近已经取得显著进展。Veselovskii et al。151年)使用一种修改数据反演算法(152年)检索的尘埃微观物理学的参数(粒度分布的有效半径可以推断,和复杂的折射率)从一组激光雷达光学数据由三波长的后向散射系数、消光系数2波长,去极化率在一个波长。数据集描述混合撒哈拉沙漠的灰尘/大陆阴霾西南气流中观察到德国2007年夏天。作者表明,检索上述微观物理学的垂直解决尺度参数是可行的。作者还显示,实用的去极化率的检索。
研究的一个缺点Veselovskii et al。151年),只有有限的光学数据集的一个复杂的气溶胶状况(混合物的尘埃与第二个气溶胶类型)。大型数据集收集SAMUM活动期间(见部分3)提供机会调查复杂的气溶胶的情况。一套高质量的光学数据收集(高信噪比)和三个地面拉曼和机载high-spectral-resolution激光雷达系统在各种条件下的纯矿物灰尘(摩洛哥)153年)和混合矿物粉尘、海洋和生物质燃烧气溶胶在佛得角(154年]。这些研究产生了数据集的粒子后向散射和消光系数和激光雷达比可见(532海里)和紫外线波长Ångstrom指数(355海里)和概要文件。此外,概要文件的去极化率四波长(355、532、710和1064 nm)也决定(143年,155年]。几个案例研究纯粹的灰尘和灰尘混合/生物质羽毛被用于推断尘埃微观物理学的属性(156年]。激光雷达的数据反演结果首次验证使用机载观测的尘埃粒子大小的分布。复折射率粒子从矿物学分析推断收集上飞机。这些数据是至关重要的验证复杂折射率多波长激光雷达的数据反演的推断。
图1和表1表明,增加的复杂性激光雷达技术在理论上可以减少不确定性对激光雷达数据产品和增加可用的气溶胶特性。然而,统计错误没有被认为是在这个讨论,因为他们严格依赖于具体的每个激光雷达系统的设计。除了使用激光雷达技术,激光雷达系统的实际实现和数据处理是基本因素驱动激光雷达数据的质量的产品。这为什么是一个严格的检查仪器和适当的数据处理和分析技术是基本的调查在全球范围内的尘埃。关于这个问题是全球协调行动预见GALION的实施计划,由世界气象组织推动的全球激光雷达网络(64年]。
3所示。沙漠灰尘测量活动
几家国际协调实验活动尘埃和气溶胶粒子描述使用主要是地面和机载激光雷达系统进行到目前为止,在大陆地区或水平或接近矿物尘粒的主要来源区域:北非洲(撒哈拉沙漠)、阿拉伯半岛、中亚、中国(戈壁)、澳大利亚、北美和南非。在以下最重要的测量活动尘埃特征(表2和图2)简要描述关注激光雷达观测的附加值。
在地中海进行一些系统的激光雷达测量粉尘实验(MEDUSE)在两个地点:法国南部德高级观察站(普罗旺斯)和希腊北部(1996 - 1997年期间城市塞萨洛尼基)(157年]。这些测量是专用的垂直结构特征的撒哈拉沙漠的尘土出口到地中海地区,在1.5到5公里的高度。在两种情况下,大气气溶胶的0.3 - -0.4(532海里)来自激光雷达和sunphotometer测量报告。
在印度洋实验(INDOEX)激光雷达测量是在印度次大陆和位置在印度洋之间的2月15日和3月25日,1999158年),在这三个后续活动7月/ 1999年10月和2000年3月。穆勒et al。69年)首次提出了一套全面的数据的垂直解决微观物理学的粒子属性:有效粒子半径μ米主要来自污染羽流1公里高度,单散射反照率在0.75和1.00之间的范围在532 nm,和气溶胶的体积浓度范围从6 - 44μ米3厘米−3。这些属性都来自污染羽流的多波长激光雷达观测与尘粒混合流水从印度和东南亚热带印度洋东北季风期间。
波多黎各尘埃实验(骄傲)在波多黎各举行6月28日至7月24日,2000年,专注于改善光学的特性、微观物理学的,非洲尘埃组成、辐射和传输性质(http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov/PRIDE/)。骄傲的主要结果(159年,160年)表明,在波多黎各地区沙尘气溶胶在夏天导致短波辐射冷却效果。特别是,昼夜的手段Wm−2和顶部的气氛Wm−2在表面161年)测定在骄傲,显示,撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶对大规模的短波辐射预算有重要影响,在数千公里和区域气候,也从源地区。此外,mid-visible大气气溶胶变化从清洁海洋条件(0.07)高粉尘加载时间(AOD > 0.5),而平均mid-visible大气气溶胶是0.24。的NASA-GSFC肪冲激光雷达(MPL)可用在波多黎各骄傲提供尘埃的垂直分布信息。所提供的附加信息是机载sunphotometers在竞选期间可用。激光雷达测量的主要输出是尘埃垂直分布在加勒比海被发现是非常变量与典型的撒哈拉沙漠的空气层(SAL)和低水平运输的尘埃被观察到67年]。萨尔是一层温暖、干燥,尘土飞扬的空气中,表面通常覆盖冷却器,潮湿的空气形成的大西洋从春末到初秋。根据激光雷达测量,尘埃经常达到5公里的高度。尘埃在海洋边界层的存在并不是与任何“典型”大气测深剖面。特别是它不与贸易的强度反演在加勒比海(67年]。
撒哈拉沙漠的尘土实验(阴)发生在北非洲的西海岸9和2000年9月29日和集中在改善之间的确定与计算相关的参数由于粉尘直接辐射效应。机载LEANDRE激光雷达(68年)被用来推导气溶胶层的高度。垂直资料来源于激光雷达测量9月25日突出的存在之间的萨尔位于粒子有效半径的2.2和4.5公里μm。撒哈拉以南的过渡层内的其他粉尘层海洋边界层也观察到,与粒子半径大小明显小于在萨尔。激光雷达技术提供当地信息的几何高度尘埃层以及矿物尘粒的大小。观察期间收集的阴影显示净冷却效果尘埃颗粒在协议与模型估计−0.4 Wm−2随着全球撒哈拉沙漠的尘土净直接辐射效应(162年]。然而,要记住这只评估考虑到未受污染的尘埃,而粉尘往往与生物质燃烧气溶胶混合(混合物通常被称为污染尘埃)发生在非洲在温暖的季节。
另一个非常重要的国际活动,涉及多个飞机、船舶、卫星、和表面网站,是亚太地区气溶胶特性实验(ACE-Asia),产生有史以来最全面的测量收集半球气溶胶的排放和运输在2001年春天163年]。数据期间获得ACE-Asia允许首次评估区域气候和大气化学的影响在整个大陆范围内的灰尘和污染区域(http://saga.pmel.noaa.gov/Field/aceasia/)。规范化气溶胶后向散射的激光雷达图像,消光系数,和去极化比在北京的沙尘暴在4月6 - 15,2001,而自动化的米氏散射激光雷达(164年)是用来确定垂直的反向散射强度和去极化率从附近地面到两到六公里的高度。激光雷达大气去极化测量被用来区分球形和nonspherical粒子。气溶胶灭绝在532 nm达到值高达0.3公里−1。
另一个重要的尘实验,矿物灰尘和对流层化学(MINATROC)活动,涉及单波长偏振激光雷达观测发生在意大利中部Cimone山(44.2°N, 10.7°E,海拔1870米(a.s.l。)在6 - 2000165年]和Izana,特纳利夫岛(西班牙)在2002年。在MINATROC激光雷达数据进行分析得出对流层气溶胶消光的概要文件,去极化,表面积和体积。激光雷达检索2170 - 2245 m水平相比,相同的变量计算从原位测量粒子大小的分布,在山顶上站(2165 a.s.l。)一个微分流动分析仪(DMA)和光学粒子计数器(OPC)。激光雷达观察去极化最小化主要在气团从西欧。相反,非洲、地中海和东欧气溶胶显示更大的去极化的分数,主要由于共存耐火材料和可溶性分数。数据分析显示平均相对差异对后向散射激光雷达和原位观察5%,36%灭绝,面积为41%,37%,体积,在预期的不确定性结合激光雷达和原位检索。平均差异进一步减少在撒哈拉沙漠的沙尘传输事件,当考虑nonspherical散射激光雷达信号反演模型。
的卷云地区研究热带铁和卷卷Layers-Florida区域试验(晶面)运动发生在2002年7月,旨在调查热带卷云的物理性质和形成过程(http://cloud1.arc.nasa.gov/crystalface/),包括运输的潜在cloud-altering属性的撒哈拉沙漠的尘土。是研制的一种新技术在晶面冰粒子划分成不同的形状分类,基于激光雷达去极化率。收集到的数据,使用飞机和地面偏振激光雷达(17,166年),表明long-range-transported撒哈拉沙漠的尘埃颗粒可以作为冰凝结核。特别是,冰川作用在相对温暖高积云云(−5.2−8.8°C)接近顶部的沙尘层(17]。尘埃颗粒的效率作为粒子的冰凝结核也观察到来自亚洲的沙尘暴和运输对美国西部(17,166年,167年),这表明大型沙尘暴可以通过间接影响气候的沙尘影响云的属性。
2004年夏天,(主要是8月和9月)统一气溶胶实验(阿联酋2)现场活动进行在阿拉伯联合酋长国和邻近的阿拉伯海湾和阿曼湾。这个领域活动的重点领域包括基本的物理和光学性质的表征大气气溶胶粒子的相互作用的地区/当地气象气溶胶辐射影响,和异构气溶胶遥感的属性在水和明亮的沙漠表面。在阿联酋2这是观察到的平均日变化大气气溶胶在500 nm之间不同的网站(从0.4到0.53),最大的昼夜变化(从值低于0.2比1)发生在一些沿海和岛屿网站(可能与陆风/海风环流)。两个月的平均Ångstrom指数()增加从沙漠地区:0.50 - -0.57在内陆沙漠站点,0.64在沿海站点和0.77在阿拉伯海湾岛网站(168年]。这表明,观察到尘埃颗粒较大的平均接近来源地区。相应地,好模式平均分数从~ 35%在内陆沙漠增加网站在海湾岛~ 48%网站(168年]。激光雷达的肪冲激光雷达网络(MPL-Net)提供了尘埃光学深度在550 nm这次竞选,在校准和使用特殊软件(169年]。通过比较大气释放光辉干涉仪(AERI)检测/检索结果与配置AERONET太阳光度计/ MPLNET肪冲激光雷达测量,从而表明AERI的协同作用和激光雷达仪器可以用来分离灰尘和检索尘埃红外光学深度白天的条件。
国际多年非洲季风多学科分析(AMMA)计划是一个国际研究项目涉及领域活动集中在改善西非季风系统的理解170年]。在这个项目中,具体的活动涉及激光雷达进行:尘埃和生物质实验(DABEX) [171年)和尘埃流出,沉积到海洋(渡渡鸟)(172年]。结果之一,与激光雷达测量(71年),是垂直分布对流边界层内的灰尘是不均匀的,尘埃上升气流的发生和云下降气流加剧撒哈拉沙漠的大气边界层内的垂直循环(提单)。此外,强烈的依赖日撒哈拉沙漠的提单发展观察季节从0.5公里在夏季冬季5 - 6公里的高度(71年]。这是归因于撒哈拉的几个关键特征层的季节性等漂浮的尘埃,湿度,大规模的沉降和邻近的撒哈拉沙漠的热量低。整个2006年,提单内的气溶胶垂直分布是不均匀的,与大多数的粗颗粒表面附近。气溶胶含量受到灰尘运输来自各种来源的地区被不同的机制解除后(低级喷气式飞机;冷池或地形流)。
结合地面和机载激光雷达运动期间进行DABEX [70年,72年)发现厚层矿物粉尘气溶胶在当地PBL(约2公里)。高架层生物量燃烧气溶胶混合变量程度与灰尘,被发现在海拔2 - 5公里。额外的激光雷达实验期间执行AMMA [73年)表明,粉尘层内的消光系数介于0.2和0.4公里之间−1在355 nm,线性极化粒子比率为25%左右。对于一些日子有直接进口从撒哈拉沙漠dust-loaded气团,消光系数超过1.5公里−1。然而,这种层次的深度是只有几百米。他们还发现混合层的灰尘和生物质燃烧气溶胶消光系数在相同范围内的值。在他们的论文中Heese和Wiegner73年]显示线性粒子去极化率测量的重要性之间的歧视灰尘和生物质燃烧气溶胶。此功能允许他们描述粉尘在生物质燃烧气溶胶层使用激光雷达比作为一个额外的鉴别器。特别是,激光雷达比sr通常观察到在撒哈拉沙漠的纯尘埃层在旱季。
然而,另一个在亚洲粉尘运动发起联合日中项目,风成尘实验(ADEC)对气候的影响,从2000年到2006年发生在中国西北部173年]。然而,尘埃气溶胶激光雷达获得的资料仅限于推导气溶胶后向散射系数和低对流层的结构在密集的观察活动。
最近的一些数据在撒哈拉沙漠的沙尘,观察了加勒比海盆地NASA在2007年夏季热带成分,云,和气候耦合(TC4)现场试验报告由Nowottnick et al。174年)涉及CALIOP激光雷达和机载云物理激光雷达(CPL)。在TC4机载彩涂线从MODIS卫星观测表明障碍尘埃在中美洲到东太平洋运输。这一障碍可能是由于灰尘运输动态,损失过程,或它们的组合。美国宇航局geos - 5气溶胶传输模型被用于研究和定义尘埃运输障碍的原因。在这些模拟,获得最好的协议与观测假定尘埃粒子是否亲水气溶胶和作为云凝结核。主要结果,发现损失过程由湿清除灰尘的两倍一样重要运输生产尘埃运输障碍(174年]。
最近,撒哈拉沙漠的矿物粉尘实验的实验活动(SAMUM 1和2)175年]在夏天进行了2006年和2008年冬季,分别。两运动计划调查尘埃非常接近源区(SAMUM-1,摩洛哥南部)和流出地区(SAMUM-2、佛得角)。这些活动集中在纯矿物粉尘的综合特征属性之间的复杂的相互作用的基础上空中和地面激光雷达/现场仪表,由地面太阳光度计的增强。第一次,多波长拉曼/偏振激光雷达和机载高光谱分辨率激光雷达参与主要尘领域活动和提供了概要文件的体积颗粒的消光系数环境条件(完整的粉尘粒度分布),几个波长的particle-shape-sensitive光学特性,一个清晰的分离灰尘和烟雾。
光学的纯矿物粉尘收集测量一个月期间2006年在摩洛哥。温和的光学深度0.8可见波长的特点。最有趣的是,这些情况下描述纯矿物粉尘从地面高度约6公里。原位地面和机载观测表明,人为污染的贡献主要来自于交通领域和农业活动站点区域,是微不足道的。Ångstrom指数(355/532 nm)的概要文件是0,这表明大部分的尘埃颗粒粗模式。激光雷达比率主要是50到55 sr 355和532海里。线性尘埃可见波长的去极化率高达30%。
SAMUM-2的情况下,气溶胶层分类HSRL和原位测量的基础上,65年生物质燃烧和矿物粉尘层(176年]。矿物粉尘层通常在低于2千米的海拔在生物质燃烧羽毛位于高海拔。沙尘层有一个典型的深度公里。原位测量显示值有效直径2.5μm的粉尘层/佛得角。此值明显低于相应的5.9μm SAMUM-1期间获得的。矿物粉尘粒径分布之间的比较来衡量在SAMUM-1 SAMUM-2显示,SAMUM-2沙尘粒子的衰老,去除大颗粒和积累模式的中心直径的增加,凝固的结果。
观察SAMUM-2期间,31个热带生物层。这些层平均深度公里,以平均为1.34。相关的气溶胶粒径分布显示大量的粒子大于10μ米,矿物尘粒(176年]。
气溶胶的光学深度、平均大气气溶胶的粉尘层负责约500海里的0.23 0.09 AOD由于生物质燃烧层。虽然比生物质燃烧的粉尘层更薄层,他们的平均贡献柱状大气气溶胶(低于10公里)是75%,而37%是生物质燃烧层的平均贡献。
关于激光雷达测量/技术,观察期间执行SAMUM表明,气溶胶类型是可能的去极化和激光雷达的比率(155年),原位测量吸收Ångstrom指数(176年]。nonspherical的观测还表明,一种改进的特征矿物尘粒是可能的,如果我们使用至少两个测量波长(143年]。
4所示。激光雷达系统的地面沙尘的观察
最后测量的主要输出运动与灰尘对气溶胶激光雷达技术是基本类型,即使挑战仍然存在。这个问题更加复杂远离源地区因为混合和修改过程影响气溶胶光学和微物理属性以非常复杂的方式。尘埃粒子通常运送数千公里的来源(10,36,38]。更令人印象深刻的和最近的一个例子的远程运输发生在2011年春季,当一个强烈的撒哈拉沙漠的沙尘爆发动员大量的灰尘从北非和运输挪威北至4月3日和10之间在一周时间内,2011177年]。
正如上面报道的,特别测量运动领域中必不可少的描述的尘埃,因为大量的仪器和测量部署到支持现场活动和通常不可用常规测量。系统观察执行远离沙漠地区是重要的评估的沙尘影响大的距离。特别是,系统观察量化尘埃事件的数量是很重要的,典型的海拔,光学和微物理特性,最后对辐射的影响。
根据最新的报告政府间气候变化专门委员会(IPCC) (11),还有一个大的不确定性的估计气溶胶对气候的影响迫使人为和自然。先前的研究表明,大的不确定性的主要原因是缺乏一个广泛的气候学根据粉尘的观察(18]。
在下面几节中,根据长期的观察结果的尘埃,区分两个主要感兴趣的地区:欧洲地中海和亚洲。激光雷达测量仅限于一些情况下其他地方的灰尘,因为灰尘入侵发生低(在美国大陆的情况下)和激光雷达的缺乏工具(例如,在南半球)。Ferrare et al。178年]发现,超过2年操作拉曼激光雷达的测量在中央俄克拉何马州北部,只有少数情况下可能是与土壤尘从西方和高速运输的特点是低激光雷达比和高线性粒子去极化率。另一方面,云高计测量在澳大利亚东部,南半球最大的尘源,表明大粉尘负荷的不确定性在澳大利亚东部沙尘暴主要是由于缺乏信息尘埃柱的垂直结构179年]。
4.1。欧洲地中海地区
许多撒哈拉沙漠的沙尘,入侵了地中海地区的研究都是基于系统由被动测量星载传感器和地面太阳光度计(37,39- - - - - -42,180年,181年),没有关于气溶胶垂直分布的信息。研究沙尘垂直分布在地中海盆地往往基于情景测量和案例研究(例如,182年- - - - - -184年])。即使零星的,这些测量研究表明激光雷达的重要性分析功能来描述复杂的尘埃垂直结构,用浑浊的叠加层从表面到自由对流层(183年),几个小时内重要的垂直分布的变化(184年),和一个重要的水平变化183年]。低级运输的重要性的尘埃也强调了中东地区地面激光雷达测量的可用性在两个案例研究结合星载测量和建模工具,提供了新的见解的尘埃垂直分布(185年]。Tafuro et al。184年)还表明,在强大的事件,aod尘埃粒子的高价值的特点是在355 nm激光雷达比老50 - 70的范围内。
在单个激光雷达测量站位于特别有趣的地理网站提供更好的洞察力的尘埃运输在地中海地区(例如,[86年,182年,186年- - - - - -188年])。在某些情况下,系统的测量可允许长期分析(例如,86年,187年])。例如,测量在兰佩杜萨岛的表现从1999年开始,在地中海中部,气候观测在车站(上海合作组织),显示大存在的撒哈拉沙漠的沙尘气溶胶垂直分布,与一个强大的年度周期在气溶胶垂直扩展和光学深度(187年]。Di人工et al。187年)发现在兰佩杜萨沙尘通常比其他气溶胶类型,达到高海拔最高每月8公里的高度观察春天。
类似蓝佩杜萨岛,亚速尔群岛是一个最佳地理位置灰尘观察期间交通从撒哈拉向美洲大陆到大西洋,在机载激光雷达测量允许分离灰尘从其他气溶胶的贡献188年]。此外,Chazette et al。188年]表明,结合激光雷达和辐射测量分析是有前途的获取高粉尘层的光学厚度以及它们的空间范围以外的来源地区即使在多云天气。
最后,它也被发现在一个大市区罗马尘埃粒子流水在撒哈拉沙漠的30%天罗马强烈影响的典型气溶胶负载导致超过数点10限制的立法建立的空气质量(28]。
激光雷达测量在地中海地区执行显示这个地区的气溶胶的垂直结构通常是非常复杂和分层,不同的气溶胶类型往往共存。如果激光雷达测量准确检索撒哈拉沙漠的沙尘的垂直结构,结合使用激光雷达观测和星载sunphotometer测量,需要区域尘埃模型和粒子采样调查尘埃有关其时空演化的复杂行为和混合过程和其他气溶胶类型以及他们的运输路线189年]。
系统观测的撒哈拉沙漠的沙尘事件在欧洲执行由EARLINET从2000年5月,欧洲气溶胶激光雷达研究网络(61年]。EARLINET协调网络电台,利用先进的激光雷达气溶胶的垂直剖面的方法。目前(2012年2月),网络包括27个激光雷达站点分布在欧洲,如图3。EARLINET成立于2000年,主要的目标是提供一个全面、定量和统计上显著的气溶胶分布在大陆范围内的数据库。EARLINET网络的骨干是一种常见的时间表执行测量和仪器/数据的质量保证61年]。EARLINET激光雷达观测数据在每个车站执行定期每周测量一个白天中午(当有发达的边界层)和两个夜间每周测量(测量拉曼灭绝),拉曼信号信噪比较高时(61年,190年]。进一步协调解决观测监控撒哈拉沙漠的尘土等特殊事件爆发,森林大火,光化学烟雾,火山喷发。
一直特别注意,以确保高质量的数据。因此,所有的网络电台参与相互比对练习乐器和算法水平标准化程序(191年- - - - - -193年]。数据质量控制建立一个共同的欧洲标准的常规质量保证激光雷达仪器和算法,并确保数据产品提供的个人电台永久最高质量的可能。
特别关注的监控撒哈拉沙漠的沙尘,入侵了整个欧洲大陆。EARLINET站尤其吸引人的地理分布的灰尘观察,与车站位于地中海周围(从伊比利亚半岛在西方的希腊和保加利亚和罗马尼亚东部)和地中海的中心(意大利站)在灰尘入侵频繁,和几个站在中欧尘埃偶尔渗透。
已经建立了一个合适的观察方法在网络中,基于撒哈拉沙漠的尘土预测分发给所有EARLINET电台发表的(雅典国立技术大学的)。尘埃预测是基于操作输出(气溶胶含尘量)的梦想(灰尘区域大气模型),和史凯隆风模型。警报是扩散24至36小时前到达的尘埃气溶胶EARLINET网站。通常的测量时间比典型的3小时观察执行EARLINET执行系统的测量在EARLINET站为了调查尘埃的演化事件。所有气溶胶后向散射和灭绝概要文件相关的观察期间收集的这些警报分组投入“撒哈拉沙漠的尘土”类别的EARLINET数据库。这类由大约4000个文件(截止2012年2月)。这个扩展数据库允许识别合适的案例研究涉及几个站在欧洲。其次,它是一个独特的工具,撒哈拉沙漠的沙尘气候研究在大陆范围内。
案例研究提供了一个机会来调查尘埃修改流程在运输在大陆。第一次,一缕光浓密的沙尘在欧洲特点是前后一致地使用观测与高垂直分辨率在大陆范围内执行10 EARLINET站在西南部,西部,和中欧在一个强大的撒哈拉沙漠的沙尘爆发2001年10月(77年]。尘去极化率在532 nm,Ångstrom指数在355/532 nm,和激光雷达比率在355海里内的粉尘层主要包括15 - 25%,−0.5到0.5,分别和老40到80。降低人为的去极化率值表明混合物在一些网站和尘埃。
EARLINET测量执行SAMUM-1竞选期间允许调查潜在的修改的尘埃光学性质从源到欧洲大陆(194年]。不同激光尘埃比率在摩洛哥和欧洲南部发现了同样的尘埃。老的激光雷达比40 - 50在355纳米测量在意大利和塞萨洛尼基(GR),而约50 - 60 sr值以摩洛哥。此外,激光雷达在摩洛哥比率测量非波长依赖型值,而在激光雷达测量站在Potenza (IT)显示轻微的波长依赖性。即使尘埃激光雷达比预计的一些变化,因为潜在的修改过程发生在运输从非洲到欧洲,和人为污染和海洋气溶胶混合,可能这种差异的主要原因。
第一次撒哈拉沙漠的尘土对欧洲的影响气溶胶研究内容的基础上执行所有EARLINET数据获得网络的第一个操作期间(2000 - 2002)(79年),记录水平和垂直程度的尘埃在欧洲爆发。
一组标准应用于确定的情况下撒哈拉沙漠的尘土入侵(123年]。第一个标准是,气溶胶概要文件应该包含至少一个截然不同的气溶胶层以上出版广播公司(190年从所有归档的气溶胶数据。第二个标准是具体气溶胶层应该来自撒哈拉地区。这一层的起源被确认使用三维气团轨迹分析。最后,卫星数据分析,如TOMS气溶胶指数和MODIS光学深度,利用辅助信息已经确定的情况下,气团来自撒哈拉地区携带腾空的沙尘粒子对EARLINET网站。
在三年内,大约150天的撒哈拉沙漠的沙尘爆发在欧洲被监控(79年]。在大多数情况下,事件持续了从1到5天,而其中一些持续7 - 10天。变厚度的多个气溶胶层,通常从1500到3400,观察海拔1100至9000米a.s.l。尘粒的痕迹已经观察到在某些情况下多达10000在欧洲北部79年]。
最多的情况下被记录从春末到初秋数月,而只有少数病例观察冬季期间。然而,灰尘观察不能忽略的秋季和冬季期间,至少在欧洲南部和东南部。尘埃的数量集观察到更高的南部和东南部地区,如图4,主要是因为这些区域附近的源区和盛行风向,而北部和西部地区低尘运输活动。
中心的平均高度的粉尘层确定的质量高于PBL (123年通常观察到约3500 a.s.l。(见图4)[79年]。异常发现的巴塞罗那(ES)和莱切(IT),粉尘层所在地约2500米,和明斯克(通过)上升到6000米。意味着AOD值在351 - 355海里内尘埃漂浮层(图4)在欧洲范围从0.1到0.25的标准偏差的20 - 100%,显然表明高可变性的尘埃在欧洲爆发。报道在图4,意思是值介于38之间和60 sr内部粉尘层,而他们的标准偏差的20 - 30%。在北欧,线性粒子去极化率值的范围从10到25%,大约532海里内的灰尘羽和常数()(0.5−1)和高值值(30至80 sr)被发现在撒哈拉沙漠的尘土暴发。在欧洲南部和东南部高老(20 - 100)和()(−0.5到3)变化被发现,主要是有关气溶胶微观物理学的属性的可变性(更多的病例观察到南方电视台),以及他们可能与海事和人为气溶胶混合轨迹从源区到观测站点。
第一次气溶胶类型研究[195年)执行期间ESA-CALIPSO(卡利普索任务期间EARLINET Spaceborne-related活动)的研究显示,在撒哈拉沙漠的灰尘入侵病例观察到在EARLINET 2008年5月——2009年10月期间,只有12%的病例可以被认为是纯粹的撒哈拉沙漠的尘土,在88%的情况下,混合的尘埃与不同的气溶胶类型不能排除。的混合粉尘,污染和海洋气溶胶是最频繁。这可以解释为地中海的大量测量站和在该地区的海洋气溶胶污染,由于地中海本身和尘埃,欧洲污染,从北非和沙尘的到来,分别。
地中海站执行多年分析显示这种混合的尘埃的影响,污染,和海洋气溶胶。范围广泛的在355 nm值(20到100 sr)观察在塞萨洛尼基(GR):值80 sr对应更大更大的吸收粉尘同意nonspherical粒子散射计算(110年]。值45至55岁老被发现在大多数情况下,符合理论研究[111年,196年),最后接近20 sr值发现在一些情况下,混合的城市和海洋边界层气溶胶使粉尘的分离,甚至检测在激光雷达测量困难197年]。
三峰发现高斯分布在355纳米测量在沙尘层(高于当地PBL) Potenza (IT) EARLINET站(123年]。每个模式对应于不同的混合:污染之间的沙尘和海上气溶胶(老模式围绕22),混合在撒哈拉沙漠的尘土和气溶胶通常出现在Potenza老(57),几乎纯撒哈拉沙漠的尘土(37 sr)。
类似的情况被发现在那不勒斯(IT),微粒的贡献的当地人为结果老模式大约83在0 - 1公里数据除了另一个不同的模式老34左右达到高峰,同意Potenza (IT)典型值(198年]。
4.2。亚洲粉尘
在前面的小节中,报道一些田间试验(例如,(161年])进行在东亚和西太平洋亚洲粉尘的影响进行调查。结合原位和激光雷达测量表明运输的气溶胶在南海北部浅层亚洲沙尘可能影响空气质量和海洋生态系统199年]。
而在欧洲灰尘入侵发生主要来自早春晚秋[79年),最高的时期出现的沙尘暴在东亚是春天163年),次要矿物粉尘在东亚爆发期秋季(200年]。在过去的几十年里灰尘对东亚的数量显示上升趋势(韩国气象局(KMA,http://www.kma.go.kr/),(201年])。例如,灰尘天数在首尔,韩国,是41(1980 - 1989),70(1990 - 1999年),106 (2000 - 2009)(KMA,http://www.kma.go.kr/)。
连续观测的垂直分布和光学性质的亚洲粉尘在东亚(中国、韩国、日本、蒙古)是由去极化后向散射激光雷达与AD-Net。图5显示当前激光雷达在AD-Net位置。
清水et al。78年]报告发生频率和尘埃颗粒的垂直分布的基础上连续操作的偏振激光雷达在北京(中国)和长崎和筑波(日本)。激光雷达观测也在韩国进行的(202年)与唯一的多波长拉曼激光雷达在东亚。
关于亚洲沙尘爆发一个共同特征是人为的混合矿物粉尘污染(145年]。因为更多的煤和生物质燃烧在东北亚,亚洲气溶胶来源,与那些在欧洲和北美,添加更多的吸收烟尘和有机气溶胶大气。混合发生在运输的沙尘中亚沙漠地区在中国的发达地区。运输通常发生在低高度,它的特点是强劲的粉尘浓度梯度的边界层。例如,PM10的记录期间由KMA尘埃粒子浓度的韩国的事件报告超过1000人μg / m3。浓度下降的一个因素4在第一250地面(200年]。由于混合过程很难测量重要的纯尘埃,尘埃参数,激光雷达比和粒子去极化率。金等。203年]的报告值0.84,0.9,和0.93的单散射反照率530 - 550 nm波长范围在光州三个亚洲沙尘事件期间,韩国,2001年。这SSA的区别是解释为污染涂料。艾克et al。204年报告情况下,气溶胶光学厚度是主要粗模式尘埃气溶胶在2001年的春天。作者发现,吸收更大源相比,东亚地区,与平均midvisible ~ 0.93(大约550海里)单散射反照率在敦煌,中国(主要塔克拉玛干尘源附近)。这个值是0.04高于所观察到的北京。
值线性去极化率大约35%的粒子被发现的当前最佳估计亚洲粉尘(205年]。激光尘埃粒子的比例略高,为355海里(sr)相比532海里(sr)。这些数据是在在韩国光州。首尔附近的测量(Anmyon岛)显示的值和sr分别为355和532海里,。较低的值可能是由于较强的混合的尘埃与海洋气溶胶在海洋激光雷达站或更强的混合与城市污染的尘埃光州相比在Anmyeon岛被发现。额外的激光雷达观测比率是由(85年,206年,207年]。
5。沙尘卫星激光雷达观测
卡利普索的发射第一颗卫星任务涉及激光雷达专门研究气溶胶和云,2006年迎来了一个新的时代的天基激光雷达测量几乎在全球范围内。主要的仪器在卡利普索的“正交偏振激光雷达(CALIOP),其目的是获得两个波长的垂直的弹性后向散射(1064 nm和532 nm)附近垂直俯视几何日夜在两个阶段的轨道66年]。除了总两个波长的后向散射,CALIOP还提供了概要文件的线性去极化率在532海里,在定义部分2。气溶胶和云的高度和消光系数资料检索来自总后向散射测量(88年,208年]。去极化测量使水和冰云的云之间准确的歧视(209年)和尘埃等nonspherical气溶胶粒子的识别(105年]。这些独特的功能使CALIOP特别适合测量尘埃运输和垂直分布,显示在图6(80年]。
CALIOP使减毒的直接测量后向散射定义为体积后向散射系数的乘积和透光率的平方(T2)之间的大气激光雷达和散射体积(1)。
在当前的卡利普索数据发布(第三版),“歧视(CAD)算法使用五维(5 d)概率密度函数基于这些参数:layer-mean减毒后向散射在532 nm, layer-integrated减毒后向散射颜色比例,海拔、纬度、和layer-integrated卷去极化率210年]。最后两个参数添加到CAD算法中使用以前的版本导致更好的分离云和气溶胶的5维空间。特别是5 d算法被设计为了解决,其他问题,误分类的问题浓密的尘埃气溶胶层云,有时发生在以前的db2版本一样(211年]。因为CALIOP是一个简单的弹性后向散射激光雷达,卡利普索气溶胶光学特性的检索目前最常依赖先天的假设选择适当的气溶胶激光雷达比。这样的过程如下。一旦确定为一个气溶胶层一层,其类型确定使用卡利普索气溶胶类型方案[105年]。这个方案在lidar-derived信息的三维空间(高度和feature-integrated特征值的去极化和减毒后向散射)考虑到还地理位置和表面类型。的六个气溶胶类型的卡利普索方案,三个(大陆生物质燃烧,污染和污染的尘埃)使用激光雷达比率计算集群分析多年(1993 - 2002)AERONET反演[212年]。两个模型(海洋和大陆背景/清洁)建造了直接测量的尺寸分布和复杂的折射率或通过调整模型参数生成观察激光雷达比的值。
卡利普索气溶胶类型的特点是激光雷达比分布在532 nm和1064 nm。一旦确定的气溶胶类型层,灭绝的解决方案是使用激光雷达比的平均值计算分布在532 nm和1064 nm。激光雷达比分布的变化(即。,the standard deviation about the mean) is reflected in the extinction uncertainty profiles that are also reported in the CALIPSO data products.
在一个重要的方面,激光雷达测量从天基平台有很大的不同从地面或空中测量。天基系统之间的距离非常大的激光雷达及其散射目标(卡利普索气溶胶测量~ 700公里)导致激光雷达足迹,也就是说,数量级比相同的地面和机载系统接收机的视野(213年]。这种差异的最直接的影响是,天基激光雷达测量不准确地描述(1),而不是必须显式地考虑多次散射回波信号贡献(213年,214年]。对于卡利普索,这是通过引入多个散射因子,修改微粒的光学深度的单散射激光雷达方程(82年,208年]。除此之外,的价值用在任何检索取决于激光雷达遥感几何和散射相函数的粒子被测量。一个可靠的实验测定已经建立的卡利普索测量卷云(89年]。然而,在版本3卡利普索数据产品,气溶胶多次散射效应被认为是可以忽略不计,因此假定气溶胶消光检索仅从气溶胶单散射层。
卡利普索分类方案可以识别两种类型的粉尘层:纯粹的灰尘和粉尘污染。在这种背景下,受污染的尘埃被定义为一个纯粹的尘埃和生物质混合物烟雾或人为污染形成的粉尘运输(105年]。除了污染的尘埃,没有其他的混合物。因为卡利普索尘埃模型已遍及全球,地区差异与地面测量可以预期。例如,地面多波长拉曼激光雷达的测量比较新鲜的撒哈拉沙漠的尘土在源区(佛得角)表明,气溶胶消光系数是低估了卡利普索产品约30% (215年]。根据从空中尘埃粒子的大小分布原位观测,结果表明,差异可以解释为多次散射的影响,忽略了在卡利普索检索。另一方面,卡利普索后向散射检索工作和地面观测的比较好的协议,因为40 sr 532纳米的激光雷达比价值用于灰尘代表一个有效的值,账户的减少衰减引起的多次散射的灰尘这样的例子。
尽管已知的限制与弹性相关的后向散射测量技术,自2006年6月,《盗梦空间》的科学测量卡利普索获得了最多的到目前为止全球粉尘数据。这些数据的质量是通过验证/证明信号和光学特性进行比较研究水平使用地面激光雷达电台作为参考(例如,211年,216年,217年])。CALIOP数据集提供了一个极好的机会,尘埃的研究在全球范围内。CALIOP测量的基础上,全面研究已经进行粉尘生成,传输(例如,80年,81年,218年,219年])和全球或区域分布(例如,80年,220年]),和尘埃光学特性(例如,210年,221年])。
刘等人。80年跟踪一个广泛的从它的起源在撒哈拉沙漠的沙尘暴粉尘沉积在墨西哥湾的使用卡利普索数据(图6)。利用CALIPSO后向散射测量在撒哈拉沙漠灰尘路线,本-阿米et al。81年]描述之间的差异在尘土运输季节和显示双峰分布的平均沙尘高度在两个季节。最重要的一个贡献全球气溶胶科学天基激光雷达是化学运输模型的验证和改进。使用垂直解决减毒从卡利普索和MODIS大气气溶胶后向散射,Generoso et al。218年)描述撒哈拉沙漠的沙尘,流出了大西洋和评估结果从全球化学和传输模型(GEOS-Chem)。所有这些开创性的研究成为可能发射和连续操作后的卡利普索在过去近六年。在某些情况下(如气溶胶层漂浮在清晰的空气或不透明气溶胶层),卡利普索测量被用来估计尘埃所示的两种波长的激光雷达比(221年]。
在下面,我们简要描述激光雷达比测量在1064 nm来自卡利普索。aerosol-free区域的上方和下方漂浮云或气溶胶层,可以计算出从一个弹性的减毒后向散射激光雷达返回(83年]。作为层已经报道,不符合这些条件的假定值所需的激光雷达比从弹性获取气溶胶后向散射和灭绝配置文件后向散射激光雷达测量,以及由此产生的微粒灭绝资料的不确定性,因此气溶胶光学深度可高达30 - 40% (215年]。因此必须有良好的激光雷达比估计。因为尘埃nonspherical,激光雷达的理论估计比率获得散射模型有更大的不确定性的灰尘比近球形城市污染或海洋气溶胶。额外的不确定性变化引入的矿物成分、粒度分布、和形状参数(例如,长宽比和复杂性因素),都是高度可变的和大部分不是众所周知的。有测量或尘埃的研究相对较少在1064纳米111年,153年),因此从卡利普索数据检索使用优化技术讨论(59]。该方法需要的先验知识在532 nm和532 nm的合适的减毒后向散射服从532 nm气溶胶后向散射系数的计算资料。应用最小二乘法最小化总后向散射测量衰减之间的差异在1064 nm,和相同的数量从532 nm概要文件与特定的重建在1064纳米和颜色比532/1064 nm。这样,这两个量的估计假设下得到这些特征不显著变化所确定的尘埃气溶胶层。
图7提出了有效的激光雷达的出现频率分布比率(即。,the product of the naturally occurring lidar ratio and the instrument-specific multiple-scattering factor at 532 nm and 1064 nm) for opaque aerosol layers for a region between 12°N to 30°N and 30°W to 35°E in the North Africa where pure dust is the dominant aerosol. The retrieval is based on the fact that when a layer is opaque, the effective lidar ratio can be approximated as,在那里是层综合减毒的后向散射层顶部明显的基地。因此,这个参数可以直接从减毒后向散射测量计算。中值/平均值是(sr) 532海里在1064纳米(sr)。第25和第75百分位数32.3和40.7在532 nm,分别为41.4和53.5在1064海里。去极化率()是。这些值/平均值是有点小(< 10%)比派生在前面案例研究为适度浓密的尘埃层(80年,221年]。多次散射可能导致观察到的更小的值,因为尘埃层被认为是在这个研究是不透明的,光密度(210年]。表3采用从[80年)显示了典型的撒哈拉沙漠的尘土属性以CALIOP与HSRL同时在大西洋和墨西哥湾。
6。模型/观察合作
SDS-WAS促进建模者之间的密切合作和观察社区(20.]。主要原因是一个领先的气溶胶模型之间的相互比较222年)发现的去除率高多样性模型系数和沉积通路的尘埃。观察模型的同化模块可能会改善他们的表现。因此,比较和同化的观测模型是基本改善尘埃的预测。在这种背景下,激光雷达观测将发挥主导作用,因为垂直分析能力。一些比较激光雷达资料和预报模型进行了火山喷发等特殊情况(例如,134年,223年,224年])和撒哈拉沙漠的沙尘事件(例如,选择197年,225年,226年])。首先努力在这个意义上是有前途的,即使他们也显示这些集成方法的一些缺点。
在下面,我们报告一些重要的例子系统粉尘模型评价和同化的努力。主要相关SDS-WAS 2个节点,节点北非、东欧和亚洲北部节点,分别。
大型数据库提供的高质量的撒哈拉沙漠的尘土观察EARLINET [79年)是最好的候选人与灰尘模型输出系统的比较,旨在评估尘埃模式在欧洲大陆演出,也就是说,在一个大区域的特点是不同的气溶胶内容区域(地中海、欧洲大陆、欧洲北部和Eastern-polluted国家)。梦的输出模型被用于第一次比较(227年),因为它们提供了每个EARLINET站点每6小时的尘埃的地图加载在地中海和粉尘浓度配置文件。方法的定量评价dust-modeled资料探讨了从Potenza (IT)站(见图3和4)选为该网站最大的尘埃的数据库配置文件(平均每十天有一个撒哈拉沙漠的尘土在垂直列入侵网站)(79年,123年]。评价方法是专门设计和优化提供了一个比较的粉尘层几何属性(基地,顶部、扩展和质心)和粉尘浓度/光学性质。实现软件接受作为输入的每一个后向散射或灭绝文件EARLINET netcdf标准化格式。原则上,任何提供的预测剖面模型可摄入少量修改,代码在某些情况下。通过激光雷达观测模型的评价提出了三个主要问题:如何量不同时间分辨率(30分钟和3小时,分别对激光雷达和梦想)进行比较吗?怎么能高垂直分辨率的激光雷达数据(100米)在模型中使用低分辨率(1公里)概要评价?出版广播公司如何处理当有其他类型的气溶胶礼物吗?
为第一个开发的评价方法研究具体解决这些关键问题如下:(i)执行比较亲密的时间模型剖面的平均时间观察和模型输出的平均在见到时间槽,(ii)观测资料适应模型简介,和(3)包括一个特定系统的常规除PBL地区提供的比较从PBL估计观察。
这种方法应用于150多灰尘档案收集Potenza-EARLINET站5年以上的测量。理想模型的比较显示了良好的性能在描述粉尘层的垂直结构。差异的质心层平均预测和观察公里。图8(一个)报告的统计分布质心作为Potenza网站真正观察和预测。两者之间的相似性分布加上通过案件协议证明预测质心充分反映了观察到的一个平均值,可变性和分布。较大的差异而不是发现基地和层的顶部,将当地的气溶胶影响低海拔和sensitivity-related方面,分别。可以找到更多关于这些最初的结果在蒙娜et al。227年]。进一步的输出第一个模型评价extinction-to-mass换算因子有关。正如上面报道的,这个因素不是众所周知,对航空和空气质量至关重要时需要将激光雷达灭绝质量浓度。梦实际上模型假定尘埃情况下一个简单的、独特的数量可以用于翻译浓度资料(梦想)提供的灭绝概要文件(如EARLINET的)。这两个量之间进行简单的比较(见图8 (b))清楚地证明这种假设的限制:一个平均值可以用于整个数据集,但这将导致大的不确定性(广泛值)当用于特定情况下,是将特定的航空或空气质量的目的。
(一)
(b)
数据同化是气象建模中的常用天气预报和再分析。然而,应用程序数据同化方法的化学运输模型是相对较新。矿物粉尘的第一数据同化与地面激光雷达是由Yumimoto et al。228年]。他们开发了一个四维(4 dvar)变化数据同化系统的地面网络(AD-Net)和执行同化实验几个亚洲粉尘情况下(74年,219年,228年,229年]。证明了数据同化是有用的,不仅为了更好的繁殖粉尘分布也有利于更好地估计粉尘排放的粉尘来源地区。
数据同化系统由Yumimoto et al。229年)是基于3 d实时区域范围内化学传输模式加上区域大气建模系统(公)230年]。在尘土中数据同化,介绍了比例因子的粉尘排放函数作为控制参数优化日常粉尘排放在每个网格。比例因子可以代表表面条件的变化,如不考虑植被生长在原始模型。粉尘排放的大小分布是没有改变的数据同化。
尘埃消光系数资料在532 nm来源于two-wavelength (1064 nm、532 nm)偏振敏感(532海里)反向散射激光雷达在AD-Net用于数据同化。尘埃消光系数与下列程序派生。首先,尘埃层发现,消光系数推导使用恒定的激光雷达比(sr)。矿物粉尘的贡献在消光系数估计的假设简单的外部混合nonspherical尘埃和球形气溶胶使用去极化率[78年,164年]。一个错误分析表明,这两个不确定性造成的误差和误差估计尘埃混合比收敛在浓密的尘埃条件(231年]。One-hour-averaged尘埃消光系数资料6公里高度是使用3小时间隔的数据同化。
图9显示time-height迹象的尘埃消光系数来源于激光雷达在三个地点,计算模型没有同化和同化。我们可以看到在图9,尘埃事件是更好的复制数据同化。改善是很自然的,因为数据在这些位置被用于数据同化。然而,尘埃的二维分布的光学深度也大大改善,最好同意与卫星数据(OMI AI和MODIS气溶胶)。与表面浓度数据还显示与数据同化的改进(232年]。吸收尘埃消光系数还同意与卡利普索尘埃消光系数推导与相同的数据分析方法。
Sekiyama et al。233年]报道数据同化的卡利普索数据使用集成卡尔曼滤波方法。他们使用减毒反向散射系数和体积去极化率数据同化的成功。然而,很难使用减毒的反向散射系数在地面激光雷达数据同化,因为模型必须复制气溶胶浓度(不仅尘埃)准确地在低层大气。因此尘埃消光系数的使用是合理的灰尘与地面激光雷达数据同化。在上面的研究介绍,简单一个波长的尘埃消光系数估算方法是使用。
AD-Net激光雷达的方法基于一个球状尘埃模型使用信号强度在1064 nm和532 nm)和体积去极化率在532海里可以应用234年]。数据分析方法包括独立的消光系数与high-spectral-resolution测量激光雷达(或拉曼激光雷达)也获得各种气溶胶的消光系数组件开发。这种方法的使用将提高尘埃消光系数的估计,尽管问题的详细特征可能取决于源区域的灰尘和内部混合在运输的问题仍然存在。如果气溶胶模型在化学运输模型改进来处理这些问题,这将是合理使用的消光系数,后向散射系数,和粒子去极化率测量,例如,HSRLs(如EarthCARE-borne激光雷达)数据同化。
7所示。激光雷达观测对灰尘和结果——相关的风险
SDS-WAS识别中发挥的重要作用的观测和模型提供服务,可用于各种粉尘的影响大大降低风险(20.]。中,由于灰尘和空气质量恶化对健康的影响和尘埃对交通的影响通过激光雷达技术可以有效地解决。
7.1。空气质量管理
由于气溶胶的潜在影响,尤其是亚微米的健康,许多国家采用空气质量标准空气中的颗粒物(PM)。灰尘预测空气质量管理的一个重要应用是在欧洲南部。高架气团运输从北非撒哈拉沙漠的尘土点欧洲南部的国家往往超出点10建立了空气污染由欧洲指令的限制。欧盟指令2008/50 / CE允许减法的点超过数点自然事件造成的空气质量统计数据用于确定欧盟的网站。目前,只有少数研究解决这一问题的有效测定沙尘贡献点测量系统的基础上(28- - - - - -30.,235年,236年]。特别是,每日的起源点10超过数点在伊比利亚半岛的区域背景站调查(235年,236年专注于撒哈拉沙漠的灰尘入侵,使用点back-trajectory分析和模型输出与卫星数据和气象地图。作为第一个系统研究自然贡献点,这些论文是主要的科学依据欧盟委员会提供的指导方针的示范和减法超过数点归因于自然源(237年]。识别后的自然源(在这种情况下撒哈拉地区)通过模型(轨迹和化学传输模型)和卫星图像(没有定量数据),撒哈拉沙漠的尘土的贡献点10水平的量化运行点的平均水平10以农村背景站在不影响撒哈拉沙漠的入侵。此外,最近的研究表明影响撒哈拉沙漠的尘土也点上甚至更小的微粒1分数,这可能比大颗粒具有较强的对人类健康的影响(例如,238年])。
许多方面尚未解决和考虑的方法提供的指导方针。中,(1)欧洲国家人口密度高的特征往往不配备合适的农村背景,提出必要的减方法,(2)背景的空间代表性抽样点不是调查,(3)远程运输影响自由对流层气溶胶高度范围,然后侵入在PBL通常不被认为是影响当地的空气质量的评价,和(4)国际和区际交通污染点不考虑。
对空气质量的综合研究基于长期的地面和卫星测量气溶胶可能解决所有这些问题。特别是创新在这种背景下结合使用先进的激光雷达技术与其他点测量(21,28,33]。远程运输气溶胶可以存入该地区的PBL和影响表面点。预测模型和back-trajectories显示这些影响PBL地区虽然这些是高度不确定的。垂直和高时间分辨率的激光雷达测量气溶胶光学特性的配置文件提供有关气溶胶分层的详细信息和原则上可以提供具体时间入侵的高层在PBL气溶胶层。这可能允许考虑到远程运输气溶胶存在在不同高度的水平。
卫星定量数据和数学的方法可以用于解决定量的方式提供的数据点的水平代表性监测网络。特别重要的业务应用程序的方法是测云仪的评估使用的分层识别通过与先进的激光雷达测量的比较。这也可以提供改善的基础监控网络通过增加低成本自动的工具(如sunphotometers和测云仪)除了点采样。为了实现这些目标,许多工作目前正在进行中在基础层面上,例如,在ACTRIS(气溶胶、云和微量气体研究基础设施网络),欧盟FP7项目之下,通过欧洲委员会金融工具。后者的一个例子是欧盟生活+项目“和谐”(沙尘对空气质量的影响,通过模型预测和先进传感器观测)。和谐,2011年9月开始,应用研究性偏振激光雷达之间的综合方法,合适的测云仪发达在项目中,点观察,证明和开放获取模型预测和评估的影响撒哈拉沙漠的尘土平流对欧洲点水平(239年]。
7.2。运输
减弱视觉沙尘暴是常见的在沙漠地区和公路安全的危害。沙漠灰尘或火山灰会导致重大问题在航空降低能见度,造成发动机机械侵蚀和腐蚀等问题。
沙漠尘埃和火山灰粒子影响和弹跳在寒冷地区的引擎,导致表面破坏和恶化,逐渐失去引擎的性能(35]。问题是更严重的火山灰由于其不规则形状和锐利的边缘。然而,沙尘粒子以及火山灰会导致错误的飞行速度阅读。这可能是非常危险的特别是在低空飞行,如在起飞或着陆程序。这些粒子的摄入对飞机性能的影响,还没有完全探索航空航天工业。沙子和沙尘暴发生的多火山爆发在地球上的许多地方,影响航空业务重大安全与金融的影响。出于这个原因,飞行路径和飞行管理在尘土飞扬的环境中必须使用更多的信息重新评估和观察悬浮气溶胶的浓度和组成。一个关键的问题在这个评估是推导mass-to-extinction转换因子不同的对流层气溶胶类型。在冰岛火山爆发在2010年的4,有一个强烈的要求知道火山粒子的质量浓度。回答这个请求,mass-to-extinction转换因子对新鲜灰是由不同的作者(派生240年,241年]。关于尘埃,首次尝试在Barnaba和米兰球迷42),这种转换因子的估计提供了三种类型的气溶胶质量:海洋,灰尘,和大陆气溶胶粒径分布的基础上,并为每个气溶胶折射率典型类型和气溶胶消光激光雷达测量的方法。之后,其他论文解决的问题mass-to-extinction转换因子(例如,231年,242年])。然而,仍然有估计带有很大的不确定性转换因素。这些不确定性量化并不好。即使转换因素适合一个特定的情况下是否可以适用于其他情况下仍然需要详细调查。
8。结论和未来的观点
在过去的30年里,激光雷达观测的大气沙尘粒子有一个更好的洞察4 d分布尘埃和它的光学特性,在全球范围内调查之前隐藏的特点:垂直层和相关的属性。灰尘激光雷达观测显示一个复杂的垂直分布的矿物颗粒,粉尘达到海拔高达10公里的多层结构,和尘粒期间经常与不同类型的气溶胶混合和修改运输从源地区。此外,激光雷达测量收集全球突出的高可变性尘埃光学和微观物理学的属性。强度性质,那些只取决于粉尘的类型,甚至是高度变量为每个站点和每个事件,特别是在垂直剖面。
激光雷达发展调查的手段和模式的尘埃,多年来随着仪器技术的发展和观察能力提高。在本文中,这种进步是一种历史的描述附记,描述气溶胶激光雷达技术从最简单到最先进的。本文总结了结果从激光雷达用于测量运动从1990年代和礼物来自地中海和亚洲地区的气候记录以来的21世纪。激光雷达的小说方面的调查沙尘是社会效益和风险管理中的应用。这个激光雷达社区从科学研究向应用潜力的社区。虽然已经取得了重大进展在相对短时间内从技术和观察性的观点,还有特定的弱点和漏洞解决和克服。其中,三大点可以被识别。
首先,有一些空白的观察能力水平和时间维度。激光雷达提供高分辨率的测量时间和垂直维度的但是他们的地理分布是有限的,一个非常狭窄的足迹和全球覆盖是不够的。时间覆盖的卡利普索星载激光雷达是有限的,因为它重复循环。更广泛的分布式云高计可以用来改进激光雷达水平覆盖。为了实现这一点,但是,它是至关重要的评估测云仪表演相比,激光雷达。目前,这一点全世界正在调查:首先进行了比较研究和激光测云仪并列的观察(125年- - - - - -127年),而使用测云仪作为空气质量监测工具正在调查在和谐(239年)通过测云仪/激光雷达的比较。
其次,弱点有关气溶胶激光雷达技术,如缺乏完整的重叠最低的大气中,拉曼信号的信噪比低,弹性后向散射激光雷达的检索和所需的假设,导致lidar-retrieved尘埃属性不可忽视的错误。的基础上第一个有前景的结果,预计系统比较和整合不同的仪器如sunphotometers和雷达可以减少这些不确定性而且能给一个更好的洞察力的尘埃粒子微观物理学的属性和与云交互。
最后,激光雷达测量通常不被nonpractitioners利用激光雷达虽然基本测量(如气溶胶分层)和辅助产品(如气溶胶类型、大气气溶胶、质量)重要性的一些社区(例如,空气质量科学家、航空咨询人员,和天气预报)。实现更广泛地使用的一个重要障碍是,经常在短时间内没有提供激光雷达数据,而接近实时的将是至关重要的,模型同化和空气质量监测和预测。
SDS-WAS计划未来5年专门解决这些点。特别是,对激光雷达活动以下行为是预见未来5年(20.]:观测网络,协调其他工具之间的集成,实时数据交付,和评估/同化模型。
SDS-WAS刺激和促进所有这些活动,支持和参与项目的项目。观测沙尘是由许多机构,正在协调全球通过GAW计划作为一个世界气象组织一体化的全球观测系统的一部分。特别是GALION旨在协调全球激光雷达观测提供气溶胶的垂直分量分布(64年]。协调欧洲地面网络电台配备先进的大气气溶胶探测仪器,云,和短暂的痕量气体的主要目标是ACTRIS(气溶胶、云和微量气体研究基础设施网络),一个基础设施项目的欧盟FP7(2011 - 2015)之下。ACTRIS内,集成sunphotometers将追究改善日间激光雷达观测能力和气溶胶微观物理学的属性检索,和激光雷达/雷达相结合的方法将利用气溶胶与云相互作用研究(http://www.actris.org/)。评估/同化的灰尘通过激光雷达数据模型是设想在未来5年SDS-WAS的伞下。在这种情况下,它是特别有趣的监测大气成分和气候(MACC)欧盟项目。MACC倡议的全球环境与安全检测(通过)。GMES-MACC (http://www.gmes-atmosphere.eu/)提取的信息尽可能广泛的一系列观测系统,结合一组数据中的信息和图形产品更完整的时空覆盖率和更容易适用于直接提供的数据观测系统。在欧洲层面上,EARLINET数据处理的优化243年)将提供一个重要的一步接近实时的数据交付和模型的评价/同化。
确认
作者要感谢谷歌地图和谷歌地球图片用于实现数字2,3,4在报纸上报道。金融支持EARLINET由欧盟委员会授予黎加- 025991和欧洲共同体通过ACTRIS研究基础设施(第七框架Programme-ACTRIS赠款协议没有采取行动。262254)。作者也承认ESA金融支持在馆内进行合同21487/08 /问他。工作要点是由韩国气象局研究和发展项目在格兰特满足2012 - 7080。