利用激光云高儀消光系數(shù)區(qū)分南京地區(qū)晴空與霧霾的初步研究

左昕杰　何明元　萬(wàn)濤　張杰

摘 要

鑒于目前氣象觀測(cè)上判定霧霾的方法存在一定的主觀性，本文提出了利用激光云高儀消光系數(shù)區(qū)分晴空與霧霾的消光系數(shù)高度閾值法。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，得到了兩個(gè)閾值：高度閾值H=60m，消光系數(shù)閾值σ=0.7（1/km），且識(shí)別率在91%以上。結(jié)果表明，可以利用激光云高儀的消光系數(shù)高度閾值法區(qū)分晴空與霧霾。

關(guān)鍵詞

激光云高儀;霧霾;消光系數(shù);閾值

中圖分類號(hào)： P407.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.079

0 引言

霧，是指近地面大氣中懸浮大量細(xì)小水滴或冰晶的現(xiàn)象，其有效水平能見(jiàn)度小于1km[1]。出現(xiàn)霧時(shí)，相對(duì)濕度常為100%或接近100%。霾指的是能見(jiàn)度小于10.0km的視程障礙現(xiàn)象，當(dāng)出現(xiàn)霾時(shí)，空中浮游著大量極細(xì)微的干塵粒，空氣普遍渾濁[2]。

目前，氣象觀測(cè)上主要結(jié)合水平能見(jiàn)度和相對(duì)濕度的觀測(cè)結(jié)果來(lái)判定霧霾，這種方法不僅取決于觀測(cè)員的業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還容易造成誤差。故需要從霧霾的形成原因出發(fā)，尋找到一種可靠的判定方法。

自1960年第一臺(tái)激光器研制成功后，激光的高單色、高準(zhǔn)直、高相干、高亮度、短脈沖等特性，使得激光雷達(dá)脫穎而出[3]。作為一種簡(jiǎn)易輕便的激光雷達(dá)，激光云高儀在觀測(cè)霧霾時(shí)能夠獲得較高的信噪比，具備足夠的氣溶膠探測(cè)能力，故可用于探測(cè)霧霾天氣[4]。

1 儀器介紹

本文所使用的是由芬蘭Vaisala公司研制的CL51型激光云高儀，它采用脈沖二極管激光探測(cè)和測(cè)距技術(shù)，功率強(qiáng)大的短脈沖激光沿垂直或近乎垂直方向發(fā)出。在激光脈沖穿過(guò)天空時(shí)測(cè)量由霾、霧、輕霧、雨幡、降水和云層等引起的后向散射。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

查閱資料可得，南京的霧霾天氣主要發(fā)生在深秋和冬季，故本文采用2018年11月～2019年1月由位于南京南站附近CL51型激光云高儀觀測(cè)得到的后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)。另外，本文同步獲取南京國(guó)家基準(zhǔn)站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 數(shù)據(jù)篩選

首先，剔除特殊天氣如降水降雪結(jié)冰等，篩選得到符合要求的天氣樣本數(shù)據(jù)共179個(gè)，再將其劃分為晴天和霧霾這兩種天氣現(xiàn)象，最終得到晴天樣本131個(gè)，霧霾樣本48個(gè)。選取晴天和霧霾各30個(gè)數(shù)據(jù)樣本作為統(tǒng)計(jì)分析使用，其余樣本用于驗(yàn)證閾值的合理性。

2.3 數(shù)據(jù)處理

從每日0時(shí)開(kāi)始，激光云高儀每間隔6個(gè)小時(shí)輸出一個(gè)格式為“A*******”的.DAT文件用以記錄不同高度處的后向散射強(qiáng)度。為了方便后期數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段將篩選得到的.DAT文件轉(zhuǎn)換成.TXT文本，并選取每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻的后向散射系數(shù)輸出數(shù)據(jù)。

根據(jù)激光雷達(dá)方程，激光雷達(dá)系統(tǒng)接收到的不同高度的信號(hào)強(qiáng)度表示如下[5]：

式（1）中，Pr（z）是從距離接收機(jī)z處接收到的瞬時(shí)信號(hào)強(qiáng)度;E0為有效的激光能量;c表示光速;A為接收機(jī)孔徑;z表示距離;β（z）是距離設(shè)備z處的某氣團(tuán)的后散射系數(shù);e為雙程大氣透射度。

在式（1）中有兩個(gè)未知數(shù)，方程無(wú)法求解。但由Klett法則[5]，可以假設(shè)后向散射系數(shù)和消光系數(shù)呈線性關(guān)系，即β（z）=k·σ（z）。在穩(wěn)定天氣條件下，k值多取值為0.03，故式（1）中的未知數(shù)減少為一個(gè)，可以求得消光系數(shù)。

3 消光系數(shù)高度閾值法的實(shí)施過(guò)程

3.1 確定閾值

通過(guò)對(duì)比分析歷史典型天氣現(xiàn)象過(guò)程的輸出數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)晴天和霧霾天的垂直大氣光學(xué)特征有明顯的區(qū)別，故初步設(shè)定接近于0的消光系數(shù)閾值σ和高度閾值H。若某一時(shí)刻的消光系數(shù)數(shù)值在高度為H時(shí)大于σ，則可判定為霧霾;反之，則判定為晴天。

利用Matlab軟件處理經(jīng)過(guò)篩選得到的數(shù)據(jù)樣本，求得不同高度處消光系數(shù)的分布情況，輸出結(jié)果如圖1所示。

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)，相比于霧霾天，晴天的消光系數(shù)廓線更趨于穩(wěn)定。在近地面，晴天的消光系數(shù)起點(diǎn)值很小，并分布集中，隨著高度的增加幾乎呈線性逐漸減小。在500m高度以下，晴天的消光系數(shù)廓線和霧霾天的消光系數(shù)廓線有較為明顯的分界。

將圖1的500m以下區(qū)域進(jìn)行局部放大并標(biāo)注得到圖2，可以建立高度閾值H=60m，消光系數(shù)閾值σ=0.7（1/km）。從地面開(kāi)始，高度上升為60m時(shí)，晴天的消光系數(shù)數(shù)值基本上都在0.7（1/km）以下，霧霾天的消光系數(shù)數(shù)值基本上都在0.7（1/km）以上。其中，有1個(gè)晴天樣本和1個(gè)霧霾樣本不符合閾值判斷。結(jié)合南京國(guó)家基準(zhǔn)站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析誤判數(shù)據(jù)樣本，這兩個(gè)時(shí)刻應(yīng)該是該數(shù)據(jù)記錄時(shí)段的天氣現(xiàn)象處于晴天與霧霾天的轉(zhuǎn)化階段。

3.2 驗(yàn)證閾值

為保證閾值的準(zhǔn)確性，本文又重新選取數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，綜合所有結(jié)果，統(tǒng)計(jì)識(shí)別率和誤判率如下：

當(dāng)人工觀測(cè)天氣現(xiàn)象為晴天時(shí)，識(shí)別率為（29+94）/（30+111）=93.9%，誤判率為（2+6）/（30+111）=6.1%。

當(dāng)人工觀測(cè)天氣現(xiàn)象為霧霾時(shí)，識(shí)別率為（29+15）/（30+18）=91.6%，誤判率為（2+3）/（30+18）=8.4%。

綜合上述的分析，本文設(shè)定高度閾值H=60m，消光系數(shù)閾值σ=0.7（1/km），識(shí)別率大于91%，故可以利用消光系數(shù)高度閾值法區(qū)分晴空和霧霾。

4 總結(jié)與討論

（1）本文擺脫了對(duì)水平能見(jiàn)度和相對(duì)濕度觀測(cè)結(jié)果的依賴，利用激光云高儀測(cè)得的垂直路徑消光系數(shù)來(lái)區(qū)分晴空和霧霾。通過(guò)初步的統(tǒng)計(jì)分析驗(yàn)證，該算法具有合理性。

（2）由于霧和霾往往相伴出現(xiàn)，且相互轉(zhuǎn)化。故本文只能作初步研究，不能細(xì)致地將霧霾區(qū)分為輕霧、霧或者霾，還需要進(jìn)行進(jìn)一步分析檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫學(xué)金，王曉蕾，李浩.大氣探測(cè)學(xué)[M].北京：氣象出版社，2009：79-80.

[2]地面氣象觀測(cè)規(guī)范[J].2003：24-25.

[3]孫學(xué)金，胡明寶，王蕊.大氣遙感原理[M].北京：氣象出版社，2019：80-81.

[4]卜令兵，袁靜，高愛(ài)臻.基于激光云高儀的霧霾過(guò)程探測(cè)[J].光子學(xué)報(bào)，2014：58-63.

[5]Vaisala 公司.Vaisala Ceilometer CL51 users guide[M].芬蘭：Vaisala公司，2012：45-46