北京上空中层大气的瑞利激光雷达观测与研究

发布时间：2020-05-06 09:05

【摘要】：瑞利激光雷达作为一种主动式光学遥感设备,可以精确探测30-80km范围内中层大气的温度和密度,提供高时空分辨率的连续观测数据,是探测和研究中层大气结构及变化趋势的有力手段。位于北京市延庆县(40.3°N,116.2°E)的子午工程北京双波长瑞利激光雷达在2009年11月份建成投入运行,用来探测北京上空中层大气的密度和温度结构。为克服光电倍增管可能出现的非线性效应,本文采用双通道拼接技术来反演35-90km范围内的大气密度廓线和35-85km范围内的大气温度廓线,反演算法的精度分析表明大气密度探测误差为1%~5%,大气温度探测误差为2~10K。本文将激光雷达反演温度与TIMED/SABER温度数据进行了同时同地的对比,验证了激光雷达系统和数据反演算法的可靠性。利用子午工程北京瑞利激光雷达从2012年5月至2013年4月一整年的温度观测数据,本文对北京上空中层大气进行了研究,结果表明中层大气温度结构具有明显的季节变化特征:平流层大气呈现出夏热冬冷的变化趋势,中间层大气呈现出夏冷冬热的变化趋势;70km以上中层顶区域大气温度变化主要受年振荡因素控制,55-70km中间层区域大气温度变化同时受年振荡和半年振荡因素控制,而在55km以下区域年振荡、半年振荡和3个月振荡因素的联合贡献决定了大气温度结构的变化;平流层顶高度呈现出明显的半年振荡(SAO)特征,平流层顶温度呈现出明显的年振荡(AO)特征。同时,激光雷达温度数据和MSIS-00大气模式数据的长周期对比结果表明观测温度在整个高度范围内普遍低于模式预测数据,该现象可能与强烈的太阳活动、温室气体的排放以及华北地区频发的“雾霾”天气等因素有关。激光雷达和卫星TIMED/SABER均观测到2012年冬季北京上空出现了长时间中层顶逆温层(long-term MIL)和平流层突然增温过程(STE),统称为中层大气冬季温度异常结构。通过对激光雷达温度数据和SABER温度数据的分析发现长时间中层顶逆温层的产生机制可能是重力波-背景场-行星波耦合作用。卫星数据分析表明平流层突然增温过程与行星波1波在平流层活动大幅度增强密切相关,而且此次北京上空观测到的平流层增温过程可能是2013年1月份北极地区平流层爆发性增温事件(SSW)的前兆。子午工程延庆多普勒测风激光雷达于2015年初完成调试并对北京上空夜间大气水平风场信息进行了初步探测,在数据时空分辨率为(1h,384m)的情况下,15-35km的风场反演误差不超过?5m/s,探测结果表明延庆多普勒测风激光雷达已具备对大气风场的夜间连续观测能力,为今后实现常规观测奠定了基础。
【图文】：

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图 1. 子午工程北京双波长瑞利激光雷达原理框图2.1.1 发射单元子午工程北京激光雷达发射单元主要包括一台 Nd:YAG 固体激光器（Continuum PowerLite 9030）、一台染料激光器（ND6000）、倍频晶体、强光分光元件、激光扩束镜、装有步进电机的反射棱镜等组成。利用两次倍频余光复用技术，实现了一台 Nd:YAG 固体激光器同时产生两束 532nm 脉冲激光：一束直接扩束后经反射垂直射入大气；另一束用于泵浦 ND6000 染料激光器，，产生589nm 脉冲激光。两次倍频余光复用技术最大效率的利用了 Nd:YAG 固体激光器的能量，合理地实现了 532nm 激光和 589nm 激光的同时输出，通过调节激光与倍频器的匹配角度，可以灵活调节两束激光的能量比。

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图 1. 子午工程北京双波长瑞利激光雷达原理框图元程北京激光雷达发射单元主要包括一台 Nd:YAG PowerLite 9030）、一台染料激光器（ND6000）、倍光扩束镜、装有步进电机的反射棱镜等组成。利用两了一台 Nd:YAG 固体激光器同时产生两束 532nm 脉反射垂直射入大气；另一束用于泵浦 ND6000 染料激光。两次倍频余光复用技术最大效率的利用了 Nd:Y理地实现了 532nm 激光和 589nm 激光的同时输出，配角度，可以灵活调节两束激光的能量比。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P412.25

【参考文献】