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摘要：大气探测激光雷达以精细的时空分辨率、髙探测精度和连续廓线数据获取能力成为大气探测强有力的工具。通过激光雷达观测网络和星载激光雷达，可以获得大空间尺度持续的四维大气信息，满足环境、气象和气候研究的需要。介绍了目前存在的比较重要的激光雷达网络和航天强国的星载激光雷达计划。
关键词：大气激光雷达；网络化探测；星载探测；环境监测
引言
激光雷达具有精细的时间分辨率、优越的方向性和相干性、大的垂直探测跨度、高的探测精度和实时快速的数据获取能力，已经成为大气探测强有力的工具可用来探测气瘠胶和云、温度、大气密度、水汽、臭氧、温室气体、风场、能见度、大气边界层等．激光雷达根据运载平台的不同，可分为地基式、车载式、船载式、机载式、星载式激光雷达．单站的地基激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达在观测范围方面都有一定的区域限制，难以进行全球范围的连续式观测。但是在气候研究中，仅有局部的大气探测信息是远远不够的。为了适应全球气候和环境变化对气象资料的空间分布和时间分布演变资料的迫切需求，在世界气象组织、联合国环境署及区域性国际组织的倡导下，在全球范围内已经建立了一些探测大气成分物理化学性质的四维分布的区域观测网络，现存比较重要的激光雷达网包括：全球大气成分变化探测网、欧洲气溶胶研究激光雷达观测网、独联体激光雷达网、亚洲沙尘激光雷达观测网、微脉冲激光雷达网、美国东部激光雷达观测网等．而且，目前正在积极计划发展覆盖区域更广泛、观测内容更丰富、时空分辨率更高的激光雷达观测网：全球大气气溶胶激光雷达观测网。
1激光雷达观测网
目前激光雷达观测网主要有：ＮＤＡＣＣ、ＥＡＲＬＩＮＥＴ、ＡＤ－ＮＥＴ、ＲＥＡＬＭ、ＭＰＬＮＥＴ、ＣＩＳ－ＬＩＮＥＴ等。激光雷达观测网可以获得大面积的空间覆盖，获得区域和全球范围大气廊线探测数据。不同观测网成员之间相互合作，可以对同一过程或事件（如沙尘事件、火山爆发和深林火灾等）进行不同时间、不同地点的综合观测，发现新的现象和机理。
1.1ＮＤＡＣＣ
ＮＤＡＣＣ建立于１９９１年，由美国国家海洋与气候局ＮＯＡＡ的气象服务中心和美国国家环境预报中心等组织创建，主要用于观测和研究对流层上部、平流层、中间层的物理化学状态的变化，并评估这种变化对对流层下部以及全球气候的影响。在这个探测网中，目前全球分布７０多个观测站点，其中有２１个激光雷达站点，ＮＤＡＣＣ中有３０个地基激光雷达同时监测，其中有２６个分别放在２１个激光雷达站点，另外４个在站点之间移动测量，用来验证和相互比较。主要的激光雷达技术包括瑞利散射测温技术、瑞利－拉曼散射测气溶胶和云技术、差分吸收测臭氧技术，此外还有拉曼测水汽技术、拉曼测温技术、偏振－拉曼测云和气溶胶技术等。
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1.2ＥＡＲＬＩＮＥＴ
ＥＡＲＬＩＮＥＴ仓丨Ｊ建于２０００年，是第一个气溶胶激光雷达网，主要目的是针对分布在欧洲大陆范围内的气溶胶提供一个全面的、定量的、具有统计意义的数据库，监测和研究大气气溶胶的输送特征以及大气气溶胶对气候的影响，自创建以来一直持续收集欧洲地区的气溶胶垂直分布的地基观测数据。２００７年ＥＡＲＬＩＮＥＴ已在欧洲大陆建成２５个站点，目前有４８个站点，活跃站点有２８个。这些激光雷达站点不仅配备了偏振－米激光雷达，还配备了拉曼激光雷达。
1.3ＧＡＬＩＯＮ
世界气象组织和有关研究机构组建了ＧＡＬＩＯＮ。ＧＡＬＩＯＮ的主要目标是基于全球不同地区已经存在的和正在发展的许多大气气溶胶激光雷达观测网，逐步形成具有足够的空间覆盖、髙时空分辨率和观测精度的全球观测网，获得大气气溶胶各种参数及其垂直分布及时间演变特征，以研究其气候变化效应，评估和改进气候模式的性能，进行空气质量评估与预报、突发事件（沙尘暴、森林火灾、火山爆发）烟羽气溶胶的探测和星载激光雷达的探测验证与资料补充。ＧＡＬＩＯＮ是在全球尺度上观测气溶胶关键参数的四维分布，大气气溶胶参数包括：特定波长上的后向散射和消光系数、激光雷达比、Ａｎｇｓｔｒｏｍｓ系数和退偏振比的垂直廓线，以及吸收和单散射反照率的垂直廓线，微物理性质（例如体积和表面浓度，尺寸分布参数，折射率）等。
1.4ＭＰＬＮＥＴ
ＭＰＬＮＥＴ２０００年开始正式运行，由美国ＮＡＳＡ创建。用来不间断、不分白天黑夜、长期地测量气溶胶和云垂直结构，并为地球观测系统（ＥＯＳ）的卫星传感器和相关的气溶胶建模工作提供地面验证；为ＮＡＳＡ的星载激光雷达ＧＬＡＳ／ＩＣＥＳａｔ和ＣＡＬＩＯＰ／ＣＡＬＩＰＳＯ的数据提供地基验证与校准。大多数微脉冲激光雷达站点分布在ＮＡＳＡ的气溶胶自动观测网ＡＥＲ０ＮＥＴ的站点中。目前全球有５３个站点，，浅色的点为现在仍在活跃的点，深色的点代表现在不活跃的点。每个站点都配有微脉冲激光雷达，微脉冲激光雷达具有结构紧凑、频率高、能量低和人眼安全的特点。这些激光雷达是２０世纪９０年代在美国ＮＡＳＡ的戈达德太空飞行中心ＧＳＦＣ研发的，激光波长为５２３ｎｍ或５２７ｎｍ。我国有六个站点，大陆三个，台湾三个。
2星载激光雷达技术
激光雷达观测网的建立，获得一些地区大气气溶胶、云、臭氧、水汽与其他大气成分四维分布信息，但这些激光雷达基本集中在北半球大陆区域的小范围里，探测资料所能代表的地域仍然有限；而且在激光雷达探测数据和处理方法的一致性和可比性上尚有很多问题需要解决。由于大气气溶胶、云、臭氧、水汽与其他大气成分的时空分布十分复杂，具有很强的地域性，人们不可能在全球范围内建立密集的激光雷达观测网，而且在诸如大洋深处、高山及荒无人烟的沙漠地带根本无法建立激光雷达。而星载激光雷达可以弥补激光雷达观测网的不足，获得全球范围里大气气溶胶、云、臭氧、水汽与其他大气成分的四维时空分布信息。
１９９４年美国ＮＡＳＡ的航天飞机“发现号”运载激光雷达上天，这是世界上第一次开展ＬＩＴＥ，开辟了激光雷达大气探测的新纪元。虽然它只采集了４５ｈ的对地观测数据，但得到了令人满意的观测结果，证明了空间激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力；接下来，美国于２００３年发射了云陆地髙程式卫星，上面搭载的ＧＬＡＳ是世界上第一台星载激光雷达。主要任务是测量极地的冰盖髙度，云和气溶胶的垂直结构和空间分布，ＩＣＥＳａｔ卫星计划服役截止是２００９年。根据计划ＮＡＳＡ还将于２０１８年发射第二颗ＩＣＥＳａｔ卫星，即ＩＣＥＳａｔＩＩ。作为ＩＣＥＳａｔ的后续卫星，ＩＣＥＳａｔＩＩ继续测量和监测不断变化的环境的影响，ＩＣＥＳａｔＩＩ只运载一台仪器：激光雷达系统。
结语
激光雷达具有精细的时空分辨率、髙探测精度和实时快速的数据获取能力，在大气探测方面发挥出独特的优势，已经成为大气探测强有力的工具．相比于单站的地基激光雷达，激光雷达网络和星载激光雷达技术具有更突出的优势：可以持续、大空间尺度或者全球范围地探测大气，得到大气气溶胶和云、臭氧、水汽、温室气体或其他大气成分四维分布信息，获得全球范围的大气参数廓线资料，有助于研究全球变化，评估和改善气候模型，改进天气预报模式，为节能减排提供基础数据信息等。
参考文献：
[1]鞠洪波，陈永富，郑新江，等.沙尘暴监测技术[M].北京：中国林业出版社，2008：73-77.
[2]王青梅，张以谟.气象激光雷达的发展现状[J].气象科技，2006，34（3）：246-249.
论文作者:梁彬,杨鹏华
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/7
标签：激光论文; 气溶胶论文; 大气论文; 全球论文; 站点论文; 水汽论文; 雷达网论文; 《防护工程》2019年9期论文;