拉曼激光雷达对流层顶大气结构特性的初步分析

发布时间：2020-07-22 05:26

【摘要】：对流层顶是对流层和平流层之间的过渡层,它是地球大气的一个最基本的结构特征,也是人类活动引起气候变化的一个敏感区域。对流层与平流层之间的物理、化学变化和辐射过程的耦合直接影响着气候变化。尤其是对流层顶结构、位置、强度的变化直接影响着近地层的天气与空气状况。因此,对流层顶的长期精细观测以及结构分析对研究地球全体与局地的气候与气象变化,具有重要的科学意义与应用价值。论文以对流层顶大气结构为研究目标,在现有大气多参量同时探测拉曼激光雷达系统和传统反演技术的基础上,设计了一种基于振动-转动拉曼激光雷达的大动态大气温度反演方法。利用氮气振动拉曼激光雷达的的大气温度反演技术以及基于误差权重的振动-转动拉曼数据拼接技术,从而实现了对流层-下平流层范围内大气温度的精确反演,在高度22km以下的温度统计误差小于3K。提出了一种基于后向散射比校正的大气气溶胶光学参数精确反演的改进方法,并以后向散射比作为特征参量,获得了对流层-下平流层范围内易产生气溶胶层或云层的有效探测,为对流层顶大气结构的研究提供了可靠的技术支持和数据来源。利用2013-2015年大气多参量同步探测拉曼激光雷达系统的探测数据,开展了长期的数据反演和分析,获得了对流层-下平流层范围大气温度、气溶胶光学参数、水汽密度及相对湿度等廓线,并结合NCEP数据资料和HYSPLIT模式的气流轨迹追踪,获得了西安地区局地上空对流层顶区域内的大气多参量日变化和季节变化趋势。大气多参量的同步分析结果表明:西安地区的对流层顶高度在17-18.5km范围内,在对流层顶附近易形成气溶胶层,对应的后向散射比明显增大；在该区域内,相应的大气水汽密度、相对湿度和风速都呈现骤减的趋势,且受到来自西和西北方向为主的快速气流轨迹影响,初步完成了西安地区对流层顶大气结构的探索性分析。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98
【图文】：

示意图,示意图,对流层顶,流层

平流层是一个放射性、动力学及化学过程都分布特征受地面影响较小，其变化特征与大气中臭与高空重力波和大气环流结构有关【1,2】。值得注意个厚度不定的过渡层-对流层顶。顶的定义主要有三种，第一种为对流层顶的热力顶作出了如下定义【3】：500 hPa 等压面之上温度递减而且在此高度与其上 2 km 气层内的温度平均递热力学定义操作性比较强，仅根据大气温度廓线就流层顶还有一个通常使用到的热力学定义，即温度低点所对应的高度【4】。第二种为基于位涡的“动力不连续性通过对流层顶将对流层内位涡的低值与平化学角度，对流层的大气湿润但臭氧含量少，平流层点，Bathan 等人于 1996 年提出了臭氧对流层顶的概：臭氧对流层顶通常比热力学对流层顶更低【6】。以流层顶作为不连续面，无论哪一种定义都不是完美

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图 2-1 激励激光波长为 354.7nm 时的激光雷达大气回波信号光谱 Spectrum distribution of return signals at laser excitation wavelength为 354.7nm 的激光进入大气，其后向散射回波信号中包括信号，如图 2-1 所示，主要包括：由大气气溶胶和分子产-瑞利散射光谱，由大气氧气、氮气和水汽分子产生的中nm 和 407.5nm 的振动拉曼散射光谱，以及分布在米-瑞利动拉曼散射光谱。利用这些光谱的回波信号强度可实现探测与反演，如图 2-2 所示为利用拉曼散射进行大气多参子的纯转拉曼散射信号可实现对大气温度的反演，结合氮信号进行对大气水汽混合比或水汽密度廓线反演，进而可线；利用氮气分子的振动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号反演，进而分析气溶胶层以及云层等。

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图 2-1 激励激光波长为 354.7nm 时的激光雷达大气回波信号光谱分布Fig.2-1 Spectrum distribution of return signals at laser excitation wavelength of 35波长为 354.7nm 的激光进入大气，其后向散射回波信号中包括具回波信号，如图 2-1 所示，主要包括：由大气气溶胶和分子产生的米-瑞利散射光谱，由大气氧气、氮气和水汽分子产生的中心386.7nm 和 407.5nm 的振动拉曼散射光谱，以及分布在米-瑞利散子的转动拉曼散射光谱。利用这些光谱的回波信号强度可实现对大胶的探测与反演，如图 2-2 所示为利用拉曼散射进行大气多参量气分子的纯转拉曼散射信号可实现对大气温度的反演，结合氮气散射信号进行对大气水汽混合比或水汽密度廓线反演，进而可得的廓线；利用氮气分子的振动拉曼散射信号和米-瑞利散射信号实精细反演，进而分析气溶胶层以及云层等。

【参考文献】