星载激光雷达探测云与气溶胶的仿真模拟

南京信息工程大学大气物理学院郜海阳副教授团队在《激光与光电子学进展》发表题为“星载激光雷达探测云与气溶胶的仿真模拟”的论文。文中通过建立由8个子模块构成的完善的星载激光雷达正演模型，借助WRF-Chem对典型场景中背景大气参数和气溶胶分布的重构，实现了云与气溶胶多场景的复杂模拟仿真及主要参数的敏感性分析，在星载激光雷达仿真的实用性方面有较大提升。

封面解读：本封面形象示意了星载激光雷达对地球云层和气溶胶层进行二维探测的基本原理。包含532 nm和1064 nm通道，通过在多个典型场景下的复杂模拟及主要参数的敏感性分析，实现对激光后向散射信号的仿真，进而反演近地面气溶胶和云层垂直结构和全球分布信息，用于研究其自身特性以及在调节地球气候中的作用（卫星飞行的轨道为太阳同步轨道）。

文章链接：廖淑君, 郜海阳, 寇蕾蕾, 康佳慧, 卜令兵, 王震. 星载激光雷达探测云与气溶胶的仿真模拟[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(10): 1028001

背景介绍

利用星载激光雷达实施主动遥感探测是对云和气溶胶进行宏观研究的重要手段之一。在星载仪器的设计论证阶段，正演模型起到至关重要的作用。正演模型是指在仪器设计、探测模式论证过程中，通过构造数学模型计算得到其理论值，用仿真模拟的方式验证设计的正确性和可行性，同时为设计方案提供优化手段的一种有效方法。

南京信息工程大学郜海阳副教授团队通过围绕星载激光雷达探测云和气溶胶的模式，开展正演模型的研究，并对结果进行详细分析，为星载仪器设计提供可行性论证。

研究方法

首先从CALIPSO（Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations）历史数据中找出典型云和气溶胶场景数据，根据其各项背景条件找到与之对应的NCEP（美国国家环境预报中心）或ECMWF（欧洲中期天气预报中心）再分析数据作为背景大气数据源，将再分析数据以及气溶胶排放源数据输入WRF（Weather Research and Forecast）和WRF-Chem中进行水凝物和气溶胶的三维场景模拟，计算出云内和气溶胶层内的各类水凝物的滴谱信息。

再利用光学特性计算水凝物和气溶胶的光学特性，获得大气分子、云和气溶胶的后向散射特性，计算衰减后向散射系数；将激光雷达各项仪器参数、卫星平台的观测模式和轨道高度等参数耦合至模型中；通过激光雷达方程模拟真实探测的回波信号，并给出信噪比模拟。

最终获得的回波结果再回到第一步中，与最初选择的CALIPSO历史数据进行对比验证，同时，通过多项输入参数的敏感性分析，计算正演模型的探测效率和误差水平。

结果与讨论

（1）深对流个例场景中，当云量较大、云层深厚时，信号衰减很严重，仅能获取云顶分布信息，最小有效探测深度仅为950 m，而对云层内部无法实施有效探测（图1）。

图1 深对流场景模拟。（a）冰晶含水量；（b）后向散射系数；（c）衰减系数；（d）衰减的后向散射系数；（e）模拟信号；（f）信噪比

（2）在同时存在冰云和气溶胶的场景中，虽然星载激光雷达可以同时探测云层和气溶胶层，但在进行时空分布特征分析时，需要考虑云层对气溶胶有效探测的影响（图2）。

图2 冰云气溶胶场景模拟。（a）气溶胶含量和冰的含水量；（b）后向散射系数；（c）衰减系数；（d）衰减的后向散射系数；（e）模拟信号；（f）信噪比

（3）敏感性分析结果表明，卫星轨道高度与信噪比成反比关系，望远镜直径、激光器单脉冲能量与信噪比成正比关系，云层的微物理特性的选择和假设是必须要仔细考虑的因素。

（4）正演模型接入更准确、更先进的各类辐射传输数据库，可对正演模型进行优化。根据参数敏感性分析的对比结果对正演模型进行改进将是后续工作的重点。

但由于CALIPSO反演算法中的不确定性及与正演模型参数设置上的差异性，导致多廓线平均值的对比中，在不同高度上存在一定的差异，该课题组后续将重点根据对比结果对正演模型进行改进。

课题组简介：

南京信息工程大学郜海阳副教授课题组，主要从事大气光学遥感仪器研发、中高层大气动力学、夜光云物理方面的研究。近期主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金项目、企事业单位横向课题8项。累计在Journal of Geophysical Research、Applied Optics、地球物理学报等期刊发表高水平论文40余篇，授权发明专利6项。获得南京江北新区首届科创江北搏动未来高价值专利培育大赛一等奖等。