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星载大气探测激光雷达发展与展望
expand article info 卢乃锰1 , 闵敏1 , 董立新1 , 郭建平2 , 牛涛2 , 刘洪利2 , 毕研盟1. , 王新1 , 陈林1 , 吴雪宝1
1. 国家卫星气象中心中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081;
2. 中国气象科学研究院大气成分研究所, 北京 100081
收稿日期: 2015-02-12; 修订日期: 2015-07-22; 优先数字出版日期: 2015-07-29
基金项目: 国家自然科学基金(编号:41405035,41471301)
第一作者简介: 卢乃锰(1963-),男,研究员,从事气象卫星遥感和卫星气象应用研究。E-mail:lunm@cma.gov.cn
中图分类号: P415.2
文献标识码: A
文章编号: 1007-4619(2016)01-0001-10

摘要

从最早的星载激光雷达空间技术实验LITE出发，回顾了已成功发射的多颗星载激光雷达发展历程。详细阐述了LITE、CALIPSO等星载激光雷达在大气遥感领域，特别是气候环境变化和数值预报模式研究上所取得的成就。主要从全球气溶胶垂直结构及其辐射强迫、全球云垂直结构和特征、气溶胶云降水相互作用和气溶胶数据在雾霾和沙尘天气预报中的应用等4个方面进行展开说明，并且深入分析了未来星载激光雷达在大气风场和大气成分探测方面所面临的需求和挑战。在大气风场探测需求方面，结合星载激光雷达探测优势从提高热带地区的天气预报准确率、提高非地转条件下中小尺度短时临近预报水平和填补卫星高/低空急流监测技术空白等3个方面进行详细论述。在大气成分探测需求方面，与传统被动探测仪器相比较，突出激光雷达在信噪比、CO2垂直结构和夜间探测上的明显优势。最后，指出全球风场和大气成分探测将成为未来星载激光雷达的重要发展方向。

关键词

星载激光雷达; 大气探测; 风场测量; 气溶胶; 云

1 引 言

1960年美国科学家梅曼研制出世界上第一台红宝石激光器，随后激光雷达LiDAR(Light Detection And Ranging)的设想应运而生。与传统无线电雷达的工作原理相同，激光雷达首先向被测目标发射激光脉冲，而后通过测量反射信号的到达时间、强度和频率变化等参数，确定目标的距离、方位、仰角、运动状态等属性。激光雷达所发射的激光信号亮度高、单色性好、射束狭窄，所以激光雷达具有测量精度高、分辨能力强、抗干扰能力强、作用距离远、天线口径小和质量轻等优点。基于这些优点，激光雷达被广泛地应用于距离、速度、角度等参数的精确测量(李然等，2007;赵一鸣等，2014;Winker等，2003)。在大气探测领域，米散射、拉曼和差分吸收激光雷达被广泛地应用于精确测量大气中的云、气溶胶和痕量气体特性，评估辐射强迫作用及其不确定性(Franke等，2001;Winker等，2008)。为了更大限度地发挥激光雷达在全球大气探测中的作用，在成熟的地基激光雷达单点观测的基础上，许多国家都加紧发展自主的星载大气探测激光雷达技术。1994年，美国国家航空和航天管理局NASA(National Aeronautics and Space Administration)发射的“发现号”航天飞机搭载一台米散射激光雷达，虽然它仅采集了45 h的对地观测数据(Winker等，1996)，却开启了激光雷达空间技术实验LITE(Lidar In-space Technology Experiment)的新纪元。1996年，欧洲航天局ESA(European Space Agency)联合日本宇航局JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)也成功地将另一台米散射大气激光雷达ATLID(Atmospheric LiDAR)(Marini，1998)送入太空，标志着星载激光雷达大气探测时代的到来。

LITE试验成功后，NASA和法国国家太空研究中心CNES(Centre National d'Études Spatiales)联合研制了可用于全球云与气溶胶观测的科学实验卫星CALIPSO(Cloud-Aerosol LiDAR and Infrared Pathfinder Satellite Observations)。2006年4月28日，CALIPSO成功进入705 km地球极地轨道(Winker等，2003，2007)，这是迄今为止最为成功的星载大气探测激光雷达卫星，其上搭载的是一台先进的星载激光雷达CALIOP。目前，CALIPSO卫星已经正常连续运行超过8年，获取了大量的气溶胶和云的垂直观测廓线数据。NASA Langley中心CALIPSO算法小组针对星载激光雷达数据开发了多种气候与环境应用产品(Winker等，2009)(见表 1)。这些新型的激光雷达数据产品被广泛地应用到气候、环境等多个领域，产生了巨大经济和社会效益。此外，美国NASA在2002年还将星载地球科学高度测量激光雷达系统GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)送入太空，用于精确监测云、植被、地表、海洋和极地冰盖高度，为全球气候变化提供更多的参考依据(Zwally等，2002)。

表 1 CALIPSO Level 2、3级科学产品
Table 1 CALIPSO L2 and L3 products 下载CSV 
产品名称级别空间分辨率 主要参数
气溶胶垂直廓线和分层产品L2、L35 km消光系数廓线、气溶胶层类型(6种)、气溶胶层高度、光学厚度等
云垂直廓线和分层产品L2、L3333 m,1 km,5 km(云层)，5 km(廓线)消光系数廓线、云层类型(冰云和水云)、云层高度、云层温度、云层光学厚度
垂直特征掩膜产品L2、L3333 m大气层分类(云和气溶胶层)
极地平流层云产品L2、L35 km云层类型、云层高度、云层温度、云层光学厚度

为了延续CALIPSO气候观测数据集和发展下一代星载激光雷达遥感探测技术，2015年1月22日美国NASA将新一代的星载云-气溶胶传输系统CATS(Cloud-Aerosol Transport System)安放到国际空间站ISS(International Space Station)(Yorks等，2014)。除上述系统外，目前许多其他国家正在积极地制订自己的激光雷达卫星发展计划。

2 星载激光雷达大气探测所取得的成就

美国NASA CALIPSO等星载激光雷达系统的成功发射和多年业务运行为研究气候和环境变化提供了第一手的数据支持。截至2015年，利用星载激光雷达数据所撰写的科研论文、会议论文和相关技术报告多达数千份，涉及气候变化、环境变化、天气过程、数值模式同化等多个科学领域。

2.1 全球气溶胶垂直结构及其辐射强迫

光学卫星只能反演气溶胶柱总量，而激光雷达卫星可以反演气溶胶和云的垂直分布特征。模式模拟表明，不同吸收性气溶胶和云在垂直方向分布特征的不确定性会使气溶胶的直接辐射强迫产生1/6倍左右的误差(Chung等，2005)。因此，要准确估算气溶胶的辐射强迫，减少气候效应不确定性，亟需通过激光雷达卫星获取气溶胶和云产品的垂直结构分布信息(Winker等，2010)以及气溶胶类型信息。CALIPSO可以利用激光器探测到的退偏比、后向散射系数、下垫面类型以及气溶胶高度等信息，反演得到海盐、沙尘、污染大陆、清洁大陆、污染沙尘、烟尘及其他等7种主要气溶胶类型(Liu等，2009;Omar等，2009)，这为确定排放源以及制定减排政策提供了科学依据。

气溶胶通过对太阳辐射的直接吸收、发射和散射，影响着地气系统的辐射平衡。与此同时，气溶胶粒子也可以成为云的凝结核，改变云的微观物理特性，进而改变云的宏观光学物理特征。人们至今未能准确推算气溶胶辐射强迫效应对地球气候系统的影响程度(Carslaw等，2013;Ramanathan等，2001)，其中一个重要原因就是气候模式参数化方案中对气溶胶垂直廓线的假设存在误差。例如，利用CALIPSO数据和辐射传输模式估计发现：黑碳气溶胶垂直分布存在很大的地区差异性，模式采用不同的气溶胶垂直廓线能够产生20%左右的气候强迫不确定性(Samset和Myhre，2011;Samset等，2013)。基于成熟的地基激光雷达大气消光反演算法(Fernald等，1972;Klett，1981)，星载激光雷达CALIPSO首次得到了全球范围的气溶胶或云垂直消光廓线的反演结果(Young和Vaughan，2009)，较为可靠地给出了全球，尤其是沙漠、戈壁、雪地等亮地表地区的气溶胶分层特征。

Zhang等人(2013)基于CALIPSO气溶胶垂直廓线数据，利用气候模式分析了沙尘气溶胶辐射强迫效应，发现了在戈壁地区存在1.1 W/m2的高估作用。此外，喜马拉雅冰雪山区等这类不适合地面长期观测地区的气溶胶直接强迫的作用也被准确地计算出来(Agrawal等，2014;Chen等，2013，2014;Guleria等，2011;Huang等，2009;Liu等，2008;Xia和Zong，2009)。星载激光雷达获取的全球气溶胶垂直廓线信息提高了人们对云与气溶胶辐射强迫的认识，填补了被动遥感手段在全球气溶胶垂直结构观测上的空白。

星载激光雷达另一个优势是还可准确探测云上气溶胶。相比晴空区气溶胶，由于气溶胶层和云层之间的多次散射和吸收，云上气溶胶的辐射强迫过程更为复杂，甚至产生两种截然相反的气候辐射效应(Wilcox，2012;Yu等，2012)。CALIPSO观测数据的获取有效减小了辐射强迫估计的不确定性，为全球辐射强迫的精细化定量分析创造了条件(Chand等，2008，2009;Chen等，2014;Min和Zhang，2014)。

2.2 全球云垂直结构与特性

星载激光雷达的工作原理决定了它可以准确地探测云顶高度(Vaughan等，2009)，其观测结果被用于其他卫星云顶高度产品的验证(Baum等，2012;Chang等，2010;Hamann等，2014;Weisz等，2007)。除了对云顶高度的准确观测，由于对大气中光学薄介质敏感，星载激光雷达还能够探测薄卷和极地平流层云(魏书晓和吴东，2013;Pitts等，2009)。Sassen和Wang(2008)及Sassen等人(2008)联合CALIPSO和CloudSat定量统计研究了全球不同类型云的分布和季节性变化特征。Liu等人(2009)利用星载激光雷达解决了全球薄卷云的光学厚度(<3)反演问题。Li等人(2014)利用CALIPSO卷云反演结果，发现气候评估中薄卷云的长波辐射强迫可能存在10 W/m2的偏差，Min等人(2010)揭示了青藏高原地区卷云+80 W/m2的加热效应及其季节变化特征。基于CALIPSO极地平流层云产品(Pitts等，2009)(见表 1)，科学家们广泛深入地研究了极地平流层云的输送、平流层云的核化作用、对流层和极地平流层云之间物质输送关系以及重力波事件(Ancellet等，2014;Cheremisin等，2013;Engel等，2013;Noel和Pitts，2012)。这些研究深化了人们对极区天气和气候过程的理解和认识。

2.3 气溶胶-云-降水相互作用

云、气溶胶及降水之间存在十分复杂的相互作用关系。气溶胶可改变大气的温度廓线，从而改变大气稳定度，进而影响降水。另外，气溶胶还可以作为云凝结核或冰核(Lohmann，2002;Rosenfeld，2000)，影响云滴粒子的形成及发展过程(Charlson等，1992;Kaufman等，2002;Lohmann和Feichter，2005)。为了减小云-气溶胶-降水相互作用中物理过程的不确定性，国际上开展了大量基于卫星、飞机、地面等观测和模式模拟的研究(Coakley等，1987;Khain，2009;Yuan等，2011)。有研究表明，气溶胶间接气候效应模式评估之间存在较大差异，其重要原因是由于传统的气溶胶反演，特别是对气溶胶层高度的估算仍存在很大不确定性(Takemura等，2005;Torres等，2013)。星载激光雷达提供的全球云和气溶胶垂直廓线数据被广泛地应用到云-气溶胶-降水相互作用研究中，帮助科学家解释气溶胶在垂直方向上如何作用于云和降水等天气过程的发生、发展(Lebsock等，2013;Luo等，2013)。科学家们以CALIPSO数据为主，联合其他观测手段探索了云类型(Lee等，2008)、气溶胶类型(Li等，2008)，降水类型(Guo等，2014)对气溶胶气候效应不确定性的贡献。同时利用CALIPSO的观测数据，计算了全球气溶胶-云-降水垂直方向上的相对位置特征以及概率分布(Huang等，2015)，这些工作表明CALIPSO获取的气溶胶-云垂直分布信息为深入研究气溶胶-云-降水相互作用，定量评价气溶胶间接气候效应提供了不可替代的数据支撑。

2.4 气溶胶数据在雾-霾和沙尘天气预报中的应用

人类排放的气溶胶是雾-霾天气产生的主要原因。近年来中国大范围的雾-霾已经成为一种典型的气溶胶污染现象。它影响着人体健康，干扰着经济活动，威胁着社会发展。利用数值模式预报雾-霾是当今普遍采用的预报技术手段，而雾-霾预报模式中，受实时排放源信息不足、边界层参数化方案不够完善等因素的影响，对雾-霾产生、发展、传输、扩散以及强度的预报准确率难以提高。资料同化是提高预报准确性的一个有效手段。传统的被动遥感手段只能提供晴空条件下的整层的气溶胶光学厚度，不能提供数值模式同化中急需的气溶胶3维分布信息。通过星载激光雷达遥感手段获取气溶胶垂直分布信息，能够弥补以往不足，加深对雾-霾生消机理及发展过程的认识，进而优化气溶胶物理参数化方案、提高雾-霾数值模拟预报准确率。Uno等人(2008)采用4维变分方案同化CALIPSO数据，揭示了亚洲沙尘气溶胶传输过程；Sekiyama人(2010)利用4维卡尔曼滤波方法来同化CALIPSO数据，改善了模式对海洋和陆地气溶胶空间分布和区域输送的模拟能力，并对沙尘源区释放强度进行了订正。星载激光雷达气溶胶观测数据已经应用于空气质量和沙尘天气的数值天气预报之中，并发挥着重要作用。

3 星载大气探测激光雷达观测所面临的挑战

从探测原理上讲，激光雷达可以实现对云与气溶胶、大气温度、大气湿度、大气风场、大气成分等多种观测。目前星载高光谱红外遥感仪器已经实现了对大气温度、大气湿度的探测，星载激光雷达CALIOP也很好地实现了对全球云与气溶胶的观测，接下来星载激光雷达所要面临的技术挑战主要集中在大气风场和大气成分探测两个方面。

激光探测技术在全球大气风场测量方面具有无可替代的优势。目前的卫星大气风场测量手段主要是云导风技术和洋面风测量技术。前者通过对卫星图像上云的追踪，计算风矢量，得到的是云顶高度上的离散风场，后者主要通过散射计和全极化辐射计的观测结果计算风矢量，得到的仅仅是海洋表面的风矢量。对全球风场垂直廓线的观测需要依靠星载激光雷达。

全球风廓线数据的获取对于提高天气预报准确率将产生重大影响。20年来随着卫星资料同化技术的进步，以欧洲数值预报中心(ECMWF)为代表的国际先进数值天气预报模式的500 hPa位势高度距平场相关系数持续提高，表明卫星资料的使用对大尺度天气形势的预报产生了明显的正效果。然而，由于现在的气象卫星观测主要是对地气系统辐射进行测量，观测到的实际上是地球大气的热力场，目前还没有有效的天基观测手段对全球大气3维动力场进行观测。这就是世界气象组织将全球风廓线观测排在数值天气预报需求首位的原因。2003年ECMWF利用机载激光雷达观测所做的预报实验表明，由于使用了机载雷达风廓线信息，预报时效在欧洲提高了12 h，这一提高相当于模式开发人员5年工作所取得的效果(Stoffelen等，2006)。通过星载激光雷达获取全球风廓线信息可以弥补全球天气观测系统对动力场观测的不足，将有可能对天气预报产生不可估量的影响。其重要性主要体现在以下3个方面：

(1)有效提高热带地区的天气预报准确率。在热带地区，随着纬度的降低，地转偏向力对天气系统的主导作用逐渐减弱，流场的动力作用变得越来越重要。初始动力场的观测数据便对预报结果产生重要影响(周家斌和武佩珍，1982)。2008年美国、日本、欧洲联合组织的THOPREX-Pacific Asian Regional Campaign(T-PARC)机载激光雷达观测实验表明，通过激光雷达获取的风廓线资料，有效地改善了对台风引导气流的计算，显著地提高了台风预报的精度(Weissmann等，2012)。

(2)有效提高非地转条件下中小尺度短时临近预报水平。太阳辐射为地球大气运动提供着能量，地球大气运动本质上是热力场驱动，动力场在不断适应的过程。然而，大气热力场对动力场的驱动具有时间滞后性，随着时间和空间尺度的减小，天气系统的发生、发展和消亡过程从以热力场为主导，向动力场与热力场共同作用的方向发展，因此，仅凭对大气热力场的观测无法很好地解决非地转条件下中小尺度暴雨的短临预报问题。风场的观测对于短时临近预报的改善具有重要意义。

(3)填补卫星高/低空急流监测的技术空白。高/低空急流中心风速达到每秒几十乃至上百米。Uccellini和Johnson(1979)从质量和动量相互调整的观点来推断低空急流带来暖湿空气的水汽输送，高空急流造成高层干冷空气平流，两者相互耦合加强了大气潜在不稳定，这种不稳定能量的释放，对暴雨的发生发展有重要作用。Matsumoto等人(1971)根据高空急流的位置，指出暴雨主要发生在高空急流轴南侧300 km附近。Brill等人(1985)通过个例研究表明，在高空急流出口区产生的次级环流，可导致700—400 hPa深厚的垂直运动。利用星载激光雷达风廓线资料可以得到高空和低空急流出现的时间、高度和最大风速与风切变值，能够为研究大气内部热力和动力过程提供有力依据(李妙英等，2013)。由此看来，星载激光雷达观测高/低空急流对于提高暴雨预报的准确率至关重要。

星载激光雷达的另一个重要应用领域就是以全球二氧化碳(CO2)观测为代表的大气成分遥感。不同气体具有固有的电磁波发射/吸收谱线，这些谱线对大气辐射传输产生影响，因此，覆盖气体吸收谱线的高光谱卫星观测数据中含有大气成分信息，可以用于大气成分反演(http://decadal.gsfc.nasa.gov/ascends.html)。欧洲极轨气象卫星上的红外高光谱探测仪IASI、日本温室气体观测卫星GOSAT和美国二氧化碳观测卫星OCO均是利用上述原理，选择CO2在红外与可见光范围内的吸收谱线，实现对CO2的观测。

与上述基于辐射的大气成分观测不同，激光雷达首先发射激光脉冲，这些脉冲与气体分子相互作用产生回波，采用差分吸收、拉曼散射探测等方法对激光雷达回波谱线进行分析，就可以反演得到大气成分。与传统意义上的CO2 探测仪器相比，利用激光雷达反演CO2的优势表现在3个方面：

(1)具有更高的信噪比。在用于CO2反演的谱段，自然辐射的光谱信号极其微弱，观测信号易受云和气溶胶、太阳角度以及地表的影响(Ehret等，2008;Michalak等，2008)，日本GOSAT卫星就是因为没有清晰地提取出这一微弱的信号而受到质疑。与GOSAT相比，2014年美国发射的OCO同样是被动观测仪器，但由于具有更高的CO2信号探测能力(见表 2)，相信它能够较好地实现对二氧化碳的反演。尽管如此，从原理上讲，激光主动观测的辐射能量要远远大于被动观测，这就意味着利用激光探测可以得到更高的空间分辨率和更高的观测精度。

表 2 OCO-2和GOSAT指标比较
Table 2 Specifications of OCO-2 and GOSAT 下载CSV 
卫星国家发射年份谱段范围/μm信噪比限定条件空间分辨率/km采样点
OCO-2美国20140.758—0.772
1.594—1.619
2.042—2.082		310
340
230		0.05反照率
60°天顶角		18
GOSAT日本20090.758—0.775
1.56—1.72
1.92—2.08		≥3000.3反照率
30°天顶角		10.51,3,5,7

(2)具有CO2垂直结构信息。激光雷达优于传统高光谱辐射观测的另一个优势就是它具有距离探测能力(Abshire等，2013;Amediek等，2013)。利用激光雷达反演CO2垂直结构对于揭示碳源汇分布，改进大气化学模式同化效果，具有特别重要的意义(Kawa等，2010)。

(3)具有有效的夜间和暗背景观测能力。IASI的热红外观测无法准确得到近地面CO2信息(Crevoisier等，2009)，可见光谱段的观测又无法解决夜间观测以及低反照率下垫面背景的CO2反演问题，全球植被的呼吸作用对近地面CO2的影响以及两极极夜期间CO2的分布监测需要激光主动探测。由于没有可见光的影响，夜间激光雷达具有更高的观测精度，可以更准确地反演CO2的垂直分布。

4 结 语

以CALIPSO为代表的云与气溶胶探测激光雷达已经取得了引人瞩目的成就。随着空间技术的进步和激光雷达技术的发展，以云与气溶胶探测为主要目的各类米散射激光雷达将逐渐成为业务卫星的基本载荷，与其他主被动遥感仪器配合，形成对地球大气的3维综合观测能力；另一方面，各种具有高谱分辨能力以及多普勒探测能力的新型星载激光雷达将成为获取全球大气成分、大气风场垂直结构以及进一步提高云与气溶胶监测精度的有力武器。

在云与气溶胶观测方面，为了全面了解大气能量与水循环过程，提高天气预报和气候监测能力，美国NASA的气溶胶-云-生态卫星计划ACE(Aerosol-Cloud-Ecosystems)和欧洲ESA的EarthCARE(Earth Clouds，Aerosol and Radiation Explorer)计划(Cosentino等，2012)都明确提出了将星载激光雷达与微波测云和降水雷达相结合，实现对云3维结构、云相态以及气溶胶分布的联合探测的思想。未来的国外星载激光雷达会通过针对不同波长的偏振观测、高光谱观测等技术手段，实现不依赖于模型假设的云与气溶胶反演，获取云滴与气溶胶粒子形状、粒径分布等微物理参数。

在全球风场垂直结构探测方面，欧洲已经部署了基于激光技术的大气风场测量计划(Atmospheric Dynamics Mission，ADM-Aeolus)。这一计划的核心是研制风场测量载荷ALADIN(Atmospheric Laser Doppler Instrument)，以获取对流层以及平流层底层的风廓线。ALADIN的水平分辨率为50 km，垂直分辨率在近地面层可以达到500 m，风速误差小于2 m/s。资料可以直接同化以提高模式预报效果(Stoffelen等，2005)。ADM-Aeolus计划的实施代表着星载激光雷达的一个重要发展方向。

在大气成分观测方面，美国NASA制订了激光CO2卫星探测计划ASCENDS(Active Sensing of CO2 Emissions over Nights，Days，and Seasons)(http://decadal.gsfc.nasa.gov/ascends.html)，ASCENDS卫星计划于2022年发射，设计寿命3年。该计划旨在利用主动多频激光实现对大气柱CO2浓度高精度、高时空分辨率的测量，同时还可实现对大气气压和温度的测量；此项计划的实施将提高人们对碳源汇驱动、碳输送过程的理解以及对气候系统长期变化的模拟、预测能力。欧洲空间局ESA也制订了星载主动激光探测CO2计划A-SCOPE(Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth)(Ingmann等，2008)，其目标是通过星载激光雷达监测全球CO2的分布及其变化，并利用激光雷达的优势填补高纬地区全年观测和全球范围内夜间观测的空缺，提高对全球碳循环、区域CO输送过程的理解。

中国目前尚没有发射星载大气探测激光雷达卫星(李然等，2007;赵一鸣等，2014)，不过中国科学院上海技术物理所和上海光学精密机械研究所研制的月球探测卫星“嫦娥一号”和“嫦娥二号”激光高度计已经成功用于月球表面高程探测(王建宇等，2010;赵一鸣等，2014)。此外，中国科学院大气物理所、中国科学院安徽光机所、中国科学院上海光机所、中国科学院上海技物所、中国科学院武汉物数所、中国科学院空间中心、中国海洋大学、武汉大学、西安理工大学、北京理工大学、中国科技大学、中国电子科技集团、中国航天科技集团九院北京遥测技术研究所等多家单位都有较好的激光雷达研制基础(赵一鸣等，2014)。目前中国的星载多波长激光雷达的研制工作已经通过专项立项，其科学目标是通过激光雷达的在轨运行，实现全球云与气溶胶垂直结构的自主观测。相信在这些优势部门的共同努力下，中国多种技术体制的星载激光雷达一定能够得到快速发展。

参考文献

Development and prospect of spaceborne LiDAR for atmospheric detection
expand article info LU Naimeng1 , MIN Min1 , DONG Lixin1 , GUO Jianping2 , NIU Tao2 , LIU Hongli2 , BI Yanmeng1 , WANG Xin1 , CHEN Lin1 , WU Xuebao1
1. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, China Meteorological Administration(LRCVES/CMA), National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China;
2. Institute of Atmospheric Composition, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China

Abstract

This study reviews the historical development process of spaceborne LiDAR for atmospheric detection along with the major achievements to date. The future plan with regard to this technology is investigated as well. First, we review the history of several successfully launched spaceborne LiDARs, beginning with the first spaceborne LiDAR technology experiment LITE. Then, we expound on the primary achievements in the field of atmospheric remote sensing, particularly in terms of climatic and environmental changes, and highlight numerical prediction model studies based on spaceborne LiDARs, such as LITE and CALIOP. Existing achievements include (1) the global aerosol vertical structure and its attendant radiative forcing, (2) the global cloud vertical structure and its associated features, (3) aerosol-cloud-precipitation interaction, and (4) the applications of aerosol vertical data in the numerical prediction of fog/haze and dust. We intensively analyze future demands and challenges in terms of atmospheric wind field detection and atmospheric constituent retrieval from a spaceborne LiDAR. With respect to wind field retrieval, a spaceborne LiDAR may enhance the accuracy of weather forecasts in tropical regions, improve the nowcasting of small-scale and mesoscale weather under the nongeostrophic condition, and fill in the gaps with regard to monitoring an upper/lower level jet stream. LiDARs also have competitive advantages over traditional passive sensors with regard to atmospheric constituent retrieval because of the former's high signal-to-noise ratio, unique CO2 vertical structure, and nighttime detection capability. Finally, the spaceborne LiDAR may be used to measure global wind field and atmospheric constituents.

Key words

spaceborne LiDAR; atmospheric detection; wind measurement; aerosol; cloud