本研究由南京信息工程大学大气物理学院的Saifen Yu、Kexin Guo、Shenghao Li、Haobin Han、Zhen Zhang以及中国科学技术大学地球与空间科学学院的Haiyun Xia等人合作完成，论文发表于Optics Express（2024年6月3日，第32卷第12期，第21134–21148页）。该研究展示了一种工作在1.57 µm波段的相干差分吸收激光雷达（coherent differential absorption lidar，Coherent DIAL），用于同时测量三维CO₂浓度场和风场。论文在2024年3月18日投稿，2024年5月23日正式发表，属于原创性研究论文。

温室气体中，二氧化碳（CO₂）对地球长波辐射具有强吸收作用，是影响全球气候变化的关键因子。由于CO₂在大气中的寿命可达100–200年，其浓度自工业化前约278 ppm持续上升，至2022年已达418 ppm。CO₂的源汇分布存在显著的时空不均匀性，而传统原位测量手段难以获得区域尺度的连续廓线信息。差分吸收激光雷达（DIAL）可以提供距离分辨的CO₂遥感能力，但直接探测方式常受限于探测器灵敏度、背景噪声和近场非线性等问题。与之相比，相干探测技术利用外差检测原理，能够显著抑制太阳背景噪声并提高接收灵敏度，同时保留信号相位信息，从而使同时测量CO₂浓度和径向风速成为可能。此前，相干DIAL在2 µm波段已有若干CO₂与风场联合探测的报道，但1.5 µm波段由于CO₂吸收线强较弱而较少被尝试。本研究旨在发展一套全光纤、紧凑型1.57 µm相干DIAL，通过扫描观测实现三维CO₂浓度场与风场的同步探测，并结合风场数据进一步分析CO₂的水平输送和垂直混合过程。

该激光雷达基于相干多普勒测风与差分吸收原理。系统使用两台种子激光器（NKT Photonics的Koheras Mikro C15）分别输出1572.335 nm的在线波长和1572.454 nm的离线波长。两个波长通过光开关进行时分复用交替发射，经声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）斩波为脉宽800 ns、重复频率10 kHz的脉冲，并附加80 MHz频移。脉冲经掺铒光纤放大器放大至80 µJ后，通过200 mm口径望远镜发射。系统采用平衡探测器（balanced detector，BD）进行外差检测，接收到的后向散射信号与本地振荡光混频，经模数转换后进行频谱分析。信号处理中，首先对在线和离线信号分别进行1×10⁴个脉冲的1 s非相干累积，得到功率谱密度；从功率谱中利用单峰高斯拟合提取信号功率和载噪比（carrier-to-noise ratio，CNR），并由离线信号的频谱频率反演径向风速。CO₂浓度则由DIAL方程计算吸收系数，再结合气象参数和HITRAN数据库中的差分吸收截面反演得到干空气混合比。系统具备PPI（plan position indicator）扫描、VAD（velocity azimuth display）扫描和垂直探测三种模式，可分别获得区域CO₂分布、三维风场和垂直CO₂廓线。CO₂浓度的距离分辨率为120 m，时间分辨率为1 min；风速距离分辨率同为120 m，时间分辨率为1 s。

观测实验于2023年6月在山东济南（36°49′N，117°29′E）进行。雷达安置于一座20 m高楼顶，2 km外有一座配备Picarro G2401光腔衰荡光谱仪（optical cavity ring-down spectrometer，CRDS）的气象塔，原位传感器位于塔上50 m高度处。水平PPI扫描以气象塔为中心角，方位角范围209°–239°，仰角2°，以匹配原位传感器高度。对比分析中，使用距离1920–2040 m的柱平均CO₂浓度与CRDS数据进行一周连续比对。结果显示，雷达反演CO₂浓度随时间的变化与原位传感器具有良好一致性，二者均表现出白天因光合作用和垂直混合降低、夜间因稳定边界层和呼吸作用升高的日变化特征。从6月1日至6月6日的统计结果表明，雷达与CRDS差值的均值为2.05 ppm，标准差为7.18 ppm，决定系数为0.91，均方根误差（root-mean-square error，RMSE）为5.24 ppm。单日分析中，6月3日因低CNR导致反演精度下降，差值的均值和标准差分别为9.97 ppm和9.57 ppm；但当日二者相关系数仍达0.92，说明相干DIAL捕捉CO₂浓度变化趋势的能力未受显著影响。6月6日差值的均值仅为−0.33 ppm，但相关系数最低为0.81，原因是当日浓度变化平缓，测量不确定性在相关性分析中所占比例增大。

在水平PPI扫描中，研究同时获得了距离校正后向散射信号（pr²）、CO₂浓度二维分布和二维风场。实验期间背景风速约2.82 m/s，风向东南。CO₂浓度总体上分布均匀，背景值约463 ppm。但在方位角216°–224°、距离5–6 km范围内出现明显高浓度区域，该区域紧邻桃花山工业园区，且其相对激光雷达的方位与主导风向下风方向一致，表明该高浓度主要由工业园区的局地排放经水平输送形成。此外，在3 km以外区域的CO₂浓度普遍高于近场，进一步支持局地源输送对空间分布的影响。

垂直探测模式下，研究选取了6月21日三个典型时刻进行CO₂和风速廓线分析：13:49（午后）、19:45（日落附近）和22:54（夜间）。垂直探测的CNR随高度衰减快于水平探测，并受边界层高度（boundary layer height，BLH）和云层影响。午后与日落时刻的最大可探测高度超过2 km，而夜间因湍流减弱，可探测高度明显降低。CO₂浓度总体随高度递减，但近地面浓度在午后（424 ppm）低于日落（441 ppm）和夜间（432 ppm），这与垂直湍流强度密切相关。午后垂直风速出现正负交替、最大达1.92 m/s，表明湍流较强，CO₂在垂直方向混合较均匀；而日落和夜间垂直平均风速分别仅为0.13 m/s和0.07 m/s，大气稳定度升高，浓度垂直梯度增大。浓度误差在近场较大，主要是由于强湍流导致在线与离线信号CNR相关性下降，以及外差效率在近地面附近受到折射率湍流影响。

连续一周的VAD扫描结果揭示了CO₂浓度与三维风场之间的动态关系。总体而言，边界层高度在08:00前后开始上升，14:00左右达到最大，CO₂浓度与边界层高度及湍流强度呈负相关。例如6月7日近地面水平风速平均达9.5 m/s，白天湍流强、水平输送快，导致近场CO₂浓度低于其他日期，并随时间逐渐在全程范围内混合均匀。6月2日则出现例外：凌晨3时边界层高度异常升高，同时全距离段CO₂浓度迅速增加，此时高空水平风速超过10 m/s，风向为西北。结合风场信息推断，此次浓度升高并非本地积累，而是来自西北方向的外部人为排放输送。此外，当近地面水平风速较大时，CO₂浓度呈现出远场高于近场的空间特征，进一步说明桃花山工业园区等局地源在强水平风作用下的输送贡献。

该研究的重要创新在于：首次将1.57 µm相干DIAL成功应用于CO₂与风场的三维同步探测，克服了该波段吸收线强较弱的限制；通过时分复用在线与离线波长实现CO₂浓度和径向风速的同时反演；利用PPI和VAD扫描模式获得区域CO₂分布和三维风场，并结合湍流和风场数据对CO₂水平输送与垂直混合过程进行定量解释。此外，论文附录中通过超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single photon detector，SNSPD）直接探测与相干探测的线性度对比实验，验证了相干检测在高输入光子计数下仍保持线性响应，而直接探测在计数率超过90 MHz后出现非线性，进一步说明了相干DIAL在动态范围和探测灵敏度方面的优势。

该研究的科学意义在于，为区域尺度CO₂源汇反演和通量估算提供了一种新型遥感手段。通过同时获得CO₂浓度和三维风场，可以直接分析CO₂的水平平流和垂直湍流通量，弥补了传统原位观测空间代表性不足的缺陷。在应用层面，该技术可用于工业园区、城市和农业区等典型排放源的连续监测，为温室气体排放清单校核和碳计量提供高时空分辨率的数据支撑。未来研究可进一步结合通量足迹模型，将激光雷达采样体积与原位传感器有效源区进行匹配，以提高二者对比的代表性和一致性。