基于拉曼激光雷达的大气三相态水同步探测技术研究

发布时间：2020-09-29 23:03

　　 水是唯一具有三相态的大气参数。水汽是大气中最活跃的成分之一,具有较为明显的时空变化特征,在成云、降水等过程中是不可或缺的重要因素。大气水汽和液态水含量又同时是云降水物理的重要参量,在大气水循环、大气水分收支平衡、云物理中扮演着重要的作用。因此,开展大气三相态水的识别和探测,对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程等具有重要的科学意义和研究价值。论文开展了大气三相态水拉曼激光雷达的同步探测技术研究,针对三相态水的拉曼光谱特性,首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响;并针对两者无法同时取得最优解的情况,提出了利用多目标规划问题的评价函数方法,分析获得了各通道最优的滤光片参数。结果表明,当固态水、液态水和水汽拉曼通道的窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm(3.1 nm),403.0 nm(5.0 nm)和407.6 nm(0.6 nm)时,可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比,从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计。针对三相态水拉曼散射回波信号的串扰问题,论文提出了基于光谱干扰度的大气三相态水混合比同步反演方法,并理论分析了混合比的反演误差分布。仿真结果表明,回波信号项是影响三相态水混合比整体误差的首要因素,以3 km为参考点,白天有云天气下水汽、液态水和固态水的整体误差分别为8%、15%和30%左右。搭建了基于二向色镜和干涉滤光片为主要分光器件的高性能拉曼激光雷达系统,并开展了初步的探测实验和结果分析。通过晴天、有云以及雾霾等天气条件下的典型探测结果分析,表明了该激光雷达系统己成功实现对7 km以下大气水汽、5 km以下液态水和3 km以下固态水的同步探测和反演,尤其是获得在云层内大气水汽、液态水以及固态水的同步增长。论文还开展了大气三相态水的同步连续观测实验,反演得到了水汽混合比、液态水混合比和固态水混合比廓线,获得了三相态水的时空演变特征,反映了云层的漂移过程以及云层内三相态含量的同步变化趋势,实现了大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测以及三相态水含量的反演,为云中液态水积分、云微物理特性等研究提供技术支撑。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958.98
【部分图文】：

并具有同步增长趋势，说明在云层内存在更多大气水相态的相互转变和时空输送过程。5.4 大气三相态水的连续探测与时空分布特性分析为了进一步研究大气三相态水的时空分布特征，在相同的系统参数下，利用该拉曼激光雷达进行了对大气三相态水的连续观测。第一组连续探测是在晴天条件下，2018 年11 月 19 日晚间 20:45-2018 年 11 月 20 日 06:30 CST 进行的，当天空气质量为轻度污染，AQI 指数 110 左右，PM2.5 平均值约为 80 μg/m3。图 5-8 (a)为连续探测的米-瑞利距离平方校正信号的 THI 图，从空间分布上来看，米-瑞利回波信号在盲区以上呈现出平缓衰减趋势。并且各个时刻米-瑞利回波信号的整体强度呈现出明显的随时间变化的特征。在高度 1.8 km 附近有一气溶胶聚集层，在 00:00 以前该处气溶胶较多，在 00:00-05:45 气溶胶较少，06:00 以后由于人类活动气溶胶又出现增大趋势。图 5-8(b)为水汽回波信号 THI图，水汽回波信号在高度分布上平缓较小，00:00 时刻以前底层大气中水汽信号较强，00:00-06:00 水汽信号明显减小。图 5-8(c)是液态水连续探测回波信号 THI 图，在 1-2 km范围内，液态水回波信号较强并且随着时间有减小趋势。图 5-8(d)为固态水连续探测回波信号 THI 图，可以看到受探测信噪比的影响，固态水的探测距离十分有限。

西安理工大学硕士学位论文图 5-10 所示。其中图 5-10(a)为米-瑞利通道的距离校正平方信号，由于底层气溶胶较多，1.5 km 以下米-瑞利回波信号也较强。在 20:45 时刻高度为 1.7 km 位置，对应的米-瑞利信号在该处有显著的增强，随着时间的推移，云层的位置在 22:15 后基本均在 1.8-2 km范围内小幅度移动。图 5-10(b)为水汽通道的距离校正平方信号 THI 图，从高度分布来看，云底以下水汽信号平缓减小，在过云后 2 km 附近迅速衰减，从时间分布来看，底层水汽回波信号有逐渐增大趋势。图 5-10(c)为液态水通道的距离校正平方信号 THI 图，同样的在过云位置液态水信号迅速衰减，在 1.5 km 以下底层大气中液态水回波信号逐渐增大。图 5-10(d)为固态水通道的距离校正平方信号，20:45-23:45 内底层固态水回波信号相对较小，23:45-04:15 内底层固态水随着时间逐渐增大。综上，三相态水回波信号具有明显的时空分布特征，在云层内信号强度均有一定程度的增强，说明云层内三相态水含量丰富，而过云后信噪比迅速降低，回波信号迅速衰减。

-1，在不同时刻气溶胶消光系数峰值的位置有所不同，表明云层随时间发生漂移运动。图5-15给出了连续测量的气溶胶消光系数廓线 THI 图，更加清晰的显示了气溶胶垂直分布廓线随时间演变的分布特征。从图中可以看出，在 2 km 附近云层处气溶胶消光系数较大

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本文编号：2830384