句芒号卫星大气激光雷达数据在大气监测中的应用
激光凭借单色性好、相干性强、方向性优及高功率等特点，为大气探测提供独特技术优势。2022年8月4日，我国在太原卫星发射中心成功发射首颗陆地生态系统碳监测卫星"句芒号"，该卫星搭载多波束激光雷达等先进载荷，可对全球云层、气溶胶及大气成分进行高精度立体观测。句芒号卫星是一颗三轴稳定的太阳同步轨道对地观测卫星，卫星质量为2936kg，卫星飞行状态尺寸长宽高分别为11018mm×3130mm×4620mm，降交点地方时为上午10：30，轨道高度506km，轨道倾角97°，卫星回归周期59天，设计寿命8年。卫星配置多波束激光雷达、多角度多光谱相机、超光谱探测仪、多角度偏振成像仪共4种有效载荷，通过激光、多光谱、多角度、超光谱、偏振探测5种探测方式，以主被动相结合的测量方式对森林生物量、气溶胶、植被叶绿素荧光目标进行高精度定量化测量，实现对森林植被生物量、气溶胶分布、气溶胶光学厚度、云相态检测、叶绿素光合作用荧光的高精度定量遥感测量以及相关林业产品开发等应用。其中，实现大气云和气溶胶的探测，服务于大气环境监测和气候变化中气溶胶作用的研究工作是该卫星的主要功能之一。大气云和气溶胶的光学特性探测主要依赖于搭载在句芒号卫星上的多波束激光雷达载荷。多波束激光雷达分系统由植被测量子系统和气溶胶探测子系统组成，该系统主要通过后向散射的回波信息获取大气云和气溶胶的垂直分布特征。激光雷达气溶胶探测子系统包含在多波束激光雷达系统中，该系统配置1个1064nm/532nm双波长激光波束，其中532nm波长配置了平行和垂直偏振测量通道，详细的激光雷达气溶胶探测系统参数信息见表1。激光雷达系统通过激光的后向散射回波信号来反演大气云和气溶胶光学特性的垂直分布。句芒号上搭载的大气激光雷达能获取从地面到高空、从对流层到平流层整个大气层中包含大气分子、云和气溶胶的后向散射信号。大气激光雷达系统通过发射系统发射激光入射到大气中，激光与大气中的分子、气溶胶以及云等介质发生不同类型的散射，再返回到激光雷达接收系统中，通过数据采集和分析系统对激光回波信号进行处理，结合相应的星载Mie散射激光雷达反演算法、层次识别算法、云气溶胶分类算法、云相态识别算法以及气溶胶子类算法等，即可以反演获取大气中云和气溶胶的光学特性参数，最终生成大气云和气溶胶后向散射系数和消光系数等光学特性产品，以及云相态、云高、大气边界层高度、气溶胶子类及气溶胶光学厚度等各类大气遥感产品，为全球的环境监测以及气象气候研究提供大尺度范围内高精度的大气云和气溶胶产品。本节展示了句芒号卫星在2024年3月27日经过我国境内的大气激光雷达载荷对大气云和气溶胶的探测结果。由于该轨迹经过海洋和陆地区域上空，包含了云和气溶胶丰富的层次信息，并且还探测到了北京地区当天较为严重的沙尘天气。因此，选取该轨迹探测结果阐述句芒号卫星大气激光雷达对大气云和气溶胶的监测能力。图1为句芒号卫星于2024年3月27日22:15:04—22:25:54的轨迹示意图，图中绿色散点表示卫星飞行轨迹，该阶段卫星由南向北飞行，主要途经我国东沙群岛、福建、江西、安徽、山东、河北、北京以及内蒙古地区上空，探测区域包含了海洋、针叶林、阔叶林、灌木、农田、城镇、草原及荒原等多种地表类型。相应该时间段内探测的大气激光雷达回波信号，即激光接收系统接收到的532nm衰减后向散射系数的时序图如图2所示，结合图3中云和气溶胶分类结果可以看出，此日卫星探测范围的高空存在大量云系场景，且近地面包含着丰富的气溶胶信息。图2 句芒号大气激光雷达532nm回波信号（衰减后向散射系数，单位km-1sr-1）1. 大气云相态检测云相态决定了云的物理特性和发展过程。准确识别云相态有助于改进对降水、冰雹、冰冻等极端天气事件的预报和预警能力。同时还能提高气候模型的模拟精度、减少对气候变化的预估误差。句芒号卫星大气激光雷达数据可提供相应的云相态产品。云相态识别产品主要包含水云、冰云以及水平取向冰晶这几类。图4展示了句芒号卫星大气激光雷达对该探测范围的大气云相态识别结果，可以看出该天探测时间段内的大气存在大量云系，其中在南海区域平流层上空存在着尺度超过500km、厚度约3km的冰云，冰云最大高度可达15.3km，内陆地区25°N-33°N上空10km附近分散着约2km厚的冰云，对流层中下层约2～4km分散着相对较薄的水云，我国河北地区上空1～4km存在着较厚的水云，云厚最大可达2.1km。2. 大气云和气溶胶光学特性句芒号卫星大气激光雷达数据可提供对应探测波长下的大气云和气溶胶的光学特性，主要包含了大气粒子的后向散射系数以及消光系数产品。大气粒子后向散射系数是一个描述大气中小粒子对某一波长光线的后向散射强度的物理量。它主要取决于粒子的浓度、粒子的尺寸分布以及粒子的光学特性。后向散射系数越大，意味着越多的光线被大气中的粒子向后散射。句芒号测量的大气粒子后向散射系数廓线可以用于确定大气边界层高度、大气层结构、云层高度等信息。高精度的后向散射系数数据还可用于改进气象数值预报模型中的辐射传输过程模拟，从而可以提高对天气预报和气候分析模型的模拟精度。大气粒子消光系数可用于表示激光在大气中被吸收和散射的程度。它受大气中粒子浓度、粒子成分、粒子粒径等因素的影响。通常粒子浓度越高、粒子越大，消光系数就越大。该参数可应用评估大气能见度及估算气溶胶粒子浓度，例如PM2.5等，这可为天气气候的研究和预报提供重要参考。如图5和图6所示，句芒号卫星大气激光雷达数据能反演获取大气中云和气溶胶粒子的后向散射系数以及消光系数产品，甚至能体现出云层内部消光系数的不均匀性变化特性，这对于研究和理解云气溶胶相互作用提供了重要的信息。此外，该产品在大气能见度以及天气预报和气候模型等方面有着广泛应用。图5 句芒号探测大气粒子后向散射系数（km-1sr-1）反演结果图6 句芒号探测大气粒子消光系数（km-1）反演结果3. 大气气溶胶光学厚度及子类识别大气气溶胶子类识别可以为深入认识大气环境质量状况，分析其对气候和天气过程的影响，以及制定有针对性的治理对策提供重要依据。句芒号卫星大气激光雷达探测数据可提供大气气溶胶子类识别产品，根据不同气溶胶类型之间光学性质的差异，主要可分为清洁性海洋气溶胶、沙尘、污染性/清洁性大陆气溶胶、污染性沙尘以及烟尘等。根据气溶胶的消光系数，对其路径积分还可以获取气溶胶的光学厚度产品。如图7所示，图7（a）展示了探测时间段内的气溶胶子类识别结果，可以看出，句芒号大气激光雷达在该时间段内探测到了大量的沙尘气溶胶。南方地区沙尘气溶胶分布较为零散，北方地区主要集中在河北及北京地区上空，且最大厚度可达2km。中央气象台在2024年3月27日18时发布了沙尘暴黄色预警：受冷空气大风影响，预计3月27日20时至28日20时，新疆南疆盆地、内蒙古、宁夏、陕西中北部、山西、河北、北京、天津、山东、河南中北部、黑龙江西部、吉林中西部、辽宁等地的部分地区有扬沙或浮尘天气。中央气象台预报结果与句芒号大气激光雷达探测结果基本一致。由图7（b）给出的同时间段内的气溶胶光学厚度产品结果，可以看出河北及北京地区范围的气溶胶光学厚度达到了0.13～0.4。该结果可用于评估被探测区域的空气质量，比如大气能见度以及PM2.5浓度等参数，为大气环境的监测提供更多的参考依据。句芒号卫星目前已处于在轨运行阶段，肩负着森林生态系统碳监测、陆地生态和森林资源调查监测以及大气环境监测等重任。其搭载的大气激光雷达载荷可实现全球范围内大气云和气溶胶的昼夜连续监测，且观测数据具有较高的垂直和水平分辨率，能获取高精度的大气云和气溶胶遥感产品。参考文献本文选取了句芒号卫星经过我国境内的大气激光雷达载荷的一轨实测结果，以此为例阐述该载荷对大气云和气溶胶光学特性、云相态、云高、气溶胶类型、气溶胶光学厚度等大气遥感产品的监测应用能力。这可为全球大气环境的三维立体监测提供大范围、高精度的云和气溶胶光学特性数据产品，为我国大气环境监测能力的提升以及气象领域的相关研究提供重要的参考依据。来源：《卫星应用》2025年第5期作者：陈炳龙 张兴赢 张敬昕 张璐 付安民 吴兰 刘崇 刘东编辑：刘维德责编：曲向芳
本刊聚焦国内外卫星应用产业的政策、技术进展、应用成果和市场动态等；来稿应客观准确、结构严谨。
