基于多种激光雷达探测边界层参数的技术与方法研究
发布时间：2021-08-30 16:53
大气边界层的垂直分层对大气-地球圈层相互作用具有重要影响。这里的地球圈层包括人类活动、生物圈、水圈、冰冻圈和固体地球等。大气边界层的状态对于地球和大气之间的交换过程至关重要,因为大气边界层的分层可以阻碍或改变能量、动量、湿气和微量物质等的垂直和水平传输。因此边界层的分层结构（如大气边界层高度和混合层高度）决定了许多大气模式过程,尤其是对流过程。这些过程对湍流的描述以及对污染物的混合（例如气溶胶分布、对流活动以及云雾形成）至关重要。大气垂直分层的检测研究是研究边界层的主要任务之一,所以本论文主要讨论大气边界层的垂直结构及其演化。边界层高度可以通过探空数据得到,但是探空数据一天一般只有2到4个数据,时间分辨率不够,没有办法反演边界层高度一天的连续变化。边界层高度也可以通过气溶胶数据反演得到。但是罗涛等人指出尽管基于气溶胶的方法在海洋上表现良好,但气溶胶结构通常无法在陆地上提供可靠的边界层高度。对于混合层的高度,可以用垂直风场数据得到,但是传统的固定阈值方差方法在湍流较强时较高而在湍流较弱时较低,并且无法解决存在垂直波时混合层高度的误差问题。由于目前能提供全天候拉曼激光雷达水汽数据的站点不多...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１午夜至午夜大气边界层日变化的示意图ｍ
两种效应都会引起边界层的深度更深。??ｆｒｅｅ?ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ???〇（！００（））－ｏ（２０００）ｍ??ＲｋｎｉＨｎ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｕｒｂａｎ?〇（５０）?－?〇（４５０）?ｍ??ｃｏｎｓｔｕｎｌ－ｆｌｕｘ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｂｏｕ?ｎｄａｎ??ｌａｙｅｒ?－?Ｔ?〇（３０）?－?〇（４５０）?ｉｎ??ｗａｋｅ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??３?—???ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ?ｓｕｂｌｎｖｅｒ??Ｈ?＾?ｕｒｂａｎ?ｃ？ｎｏｐ＞?ｓｕｂｌａｙｅｒ??图１．２城市边界层中的垂直分层Ｍ。Ｈ给出平均建筑物高度，ｐ＋和ｐ－表示单个建筑物上??游和下游的气压干扰。??此外，城镇通常是孤立的岛屿，具有被乡村地形所包围的特殊表面特性，因??此它们上方的流量与城市表面不平衡。在白天与农村相比，城市只有较少的水分??供应，导致城市表面的潜热较小，从而导致较大的感热通量；城市表面的辐射冷??却降低，甚至在夜间仍持续存在向上的热通量｜６５］，这可以防止形成稳定的夜间边??界层。白天增加的显热通量和周围的农村边界层相比，夜间降温幅度减少会导致??ＵＢＬ的温度升高，这种效应被称为城市热岛［６６－６７］。城市热岛通过人类能源生产??得到增强，其２０－７０?Ｗｎｒ２可以占太阳辐射输入能量的５－丨０％［６８＿６９］。??５??
以经常通过向上的湍流把湿气带入上方通常不饱和的空气中。??经常观察到非常低的海洋边界层，尽管潜在温度随高度而略微升高，但海洋表层??通常略微不稳定ｔ８Ｍ７］。??ｆｒｅｅ?ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ???〇（１００）－〇（！０００）?ｍ??Ｉ?Ｆ．ｋｍａｎ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｍａｒｉｎｅ??〇（?１０）－〇（！００｝?ｍ??ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｓｌａｎｔ－Ｈｕｘ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｌａｙｅｒ??－??ｗａｋｅ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??＂ＰＸ?ＸＸ?１??图１．４海洋边界层中的垂直分层１气Ｈ给出波幅，ｐ＋和ｐ－表示单波上游和下游的大气压??扰动。??在垂直方向上，海洋边界层可分为三层：在其中可以观察到单波压力扰动的??波子层（引起波形阻力），恒定通量子层（Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ＦｌｕｘＳｕｂＬａｙｅｒ）和埃克曼子??层（ＥｋｍａｎＳｕｂＬａｙｅｒ），如图１．４所不。在没有波浪的光滑海面上，波子层不存在，??取而代之的是粘性子层（ＶｉｓｃｏｕｓＳｕｂＬａｙｅｒ）。波子层的深度大约为五个波高，并??且恒定通量子层的深度也取决于表面粗糙度。??在不稳定分层的海洋边界层的顶部，可能会形成滚动和细胞对流模式。由于??对这些云特征的检测和监视超出了地面遥感（尤其是激光雷达）的现有能力，因??此在此不再赘述。在Ｄｏｎｅｌａｎ和Ｅｍｅｉｓ的论文中ｔ８８＿８９ｍｒ以找到有关海－气相互作??用以及海面与上方空气之间动量传递的概述。Ｓｕｌｌｉｖａｎ和ＭｃＷｉｌｌｉａｍｓ等人寸??论了表面重力波与大气和海洋湍流边界层中相邻风和流之间的耦合过程。??由于陆地和海洋表面的热惯性不同，在海洋和较大湖泊的海岸会形成二次循??环
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于水汽混合比自标定的532 nm/660 nm双波长激光雷达[J]. 邓迁,吴德成,况志强,刘东,谢晨波,王英俭. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]1.55μm全光纤相干激光测风雷达技术研究[J]. 柯天美,谈图,侯再红,靖旭,王振东,高晓明. 大气与环境光学学报. 2018(05)
[3]大气探测激光雷达技术综述[J]. 田晓敏,刘东,徐继伟,王珍珠,王邦新,吴德成,钟志庆,谢晨波,王英俭. 大气与环境光学学报. 2018(05)
[4]微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究[J]. 储玉飞,张远宪,刘春,普小云. 物理学报. 2017(10)
[5]傅里叶变换与小波分析[J]. 付小叶. 数学建模及其应用. 2016(02)
[6]Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术[J]. 谭林秋,华灯鑫,汪丽,高飞,狄慧鸽. 物理学报. 2014(22)
[7]星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真（Ⅱ）:基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究[J]. 张日伟,孙学金,严卫,赵剑,刘磊,李岩,张传亮,周俊浩. 物理学报. 2014(14)
[8]All fiber pulsed coherent lidar development for wind profiles measurements in boundary layers[J]. 刁伟峰,张鑫,刘继桥,竹孝鹏,刘源,毕徳仓,陈卫标. Chinese Optics Letters. 2014(07)
[9]相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析[J]. 步志超,郭磐,陈思颖,张寅超,陈和,陈胜哲,葛宪莹. 红外与激光工程. 2014(03)
[10]倏逝波抽运的回音壁模式激光增益计算[J]. 张远宪,冯黎,刘春,普小云. 光学学报. 2012(02)
本文编号：3373154
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１午夜至午夜大气边界层日变化的示意图ｍ
两种效应都会引起边界层的深度更深。??ｆｒｅｅ?ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ???〇（！００（））－ｏ（２０００）ｍ??ＲｋｎｉＨｎ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｕｒｂａｎ?〇（５０）?－?〇（４５０）?ｍ??ｃｏｎｓｔｕｎｌ－ｆｌｕｘ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｂｏｕ?ｎｄａｎ??ｌａｙｅｒ?－?Ｔ?〇（３０）?－?〇（４５０）?ｉｎ??ｗａｋｅ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??３?—???ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ?ｓｕｂｌｎｖｅｒ??Ｈ?＾?ｕｒｂａｎ?ｃ？ｎｏｐ＞?ｓｕｂｌａｙｅｒ??图１．２城市边界层中的垂直分层Ｍ。Ｈ给出平均建筑物高度，ｐ＋和ｐ－表示单个建筑物上??游和下游的气压干扰。??此外，城镇通常是孤立的岛屿，具有被乡村地形所包围的特殊表面特性，因??此它们上方的流量与城市表面不平衡。在白天与农村相比，城市只有较少的水分??供应，导致城市表面的潜热较小，从而导致较大的感热通量；城市表面的辐射冷??却降低，甚至在夜间仍持续存在向上的热通量｜６５］，这可以防止形成稳定的夜间边??界层。白天增加的显热通量和周围的农村边界层相比，夜间降温幅度减少会导致??ＵＢＬ的温度升高，这种效应被称为城市热岛［６６－６７］。城市热岛通过人类能源生产??得到增强，其２０－７０?Ｗｎｒ２可以占太阳辐射输入能量的５－丨０％［６８＿６９］。??５??
以经常通过向上的湍流把湿气带入上方通常不饱和的空气中。??经常观察到非常低的海洋边界层，尽管潜在温度随高度而略微升高，但海洋表层??通常略微不稳定ｔ８Ｍ７］。??ｆｒｅｅ?ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ???〇（１００）－〇（！０００）?ｍ??Ｉ?Ｆ．ｋｍａｎ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｍａｒｉｎｅ??〇（?１０）－〇（！００｝?ｍ??ｂｏｕｎｄａｒｙ?ｃｏｎｓｌａｎｔ－Ｈｕｘ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??ｌａｙｅｒ??－??ｗａｋｅ?ｓｕｂｌａｙｅｒ??＂ＰＸ?ＸＸ?１??图１．４海洋边界层中的垂直分层１气Ｈ给出波幅，ｐ＋和ｐ－表示单波上游和下游的大气压??扰动。??在垂直方向上，海洋边界层可分为三层：在其中可以观察到单波压力扰动的??波子层（引起波形阻力），恒定通量子层（Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ＦｌｕｘＳｕｂＬａｙｅｒ）和埃克曼子??层（ＥｋｍａｎＳｕｂＬａｙｅｒ），如图１．４所不。在没有波浪的光滑海面上，波子层不存在，??取而代之的是粘性子层（ＶｉｓｃｏｕｓＳｕｂＬａｙｅｒ）。波子层的深度大约为五个波高，并??且恒定通量子层的深度也取决于表面粗糙度。??在不稳定分层的海洋边界层的顶部，可能会形成滚动和细胞对流模式。由于??对这些云特征的检测和监视超出了地面遥感（尤其是激光雷达）的现有能力，因??此在此不再赘述。在Ｄｏｎｅｌａｎ和Ｅｍｅｉｓ的论文中ｔ８８＿８９ｍｒ以找到有关海－气相互作??用以及海面与上方空气之间动量传递的概述。Ｓｕｌｌｉｖａｎ和ＭｃＷｉｌｌｉａｍｓ等人寸??论了表面重力波与大气和海洋湍流边界层中相邻风和流之间的耦合过程。??由于陆地和海洋表面的热惯性不同，在海洋和较大湖泊的海岸会形成二次循??环
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于水汽混合比自标定的532 nm/660 nm双波长激光雷达[J]. 邓迁,吴德成,况志强,刘东,谢晨波,王英俭. 红外与激光工程. 2018(12)
[2]1.55μm全光纤相干激光测风雷达技术研究[J]. 柯天美,谈图,侯再红,靖旭,王振东,高晓明. 大气与环境光学学报. 2018(05)
[3]大气探测激光雷达技术综述[J]. 田晓敏,刘东,徐继伟,王珍珠,王邦新,吴德成,钟志庆,谢晨波,王英俭. 大气与环境光学学报. 2018(05)
[4]微流芯片中消逝波激励的荧光辐射特性研究[J]. 储玉飞,张远宪,刘春,普小云. 物理学报. 2017(10)
[5]傅里叶变换与小波分析[J]. 付小叶. 数学建模及其应用. 2016(02)
[6]Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术[J]. 谭林秋,华灯鑫,汪丽,高飞,狄慧鸽. 物理学报. 2014(22)
[7]星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真（Ⅱ）:基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究[J]. 张日伟,孙学金,严卫,赵剑,刘磊,李岩,张传亮,周俊浩. 物理学报. 2014(14)
[8]All fiber pulsed coherent lidar development for wind profiles measurements in boundary layers[J]. 刁伟峰,张鑫,刘继桥,竹孝鹏,刘源,毕徳仓,陈卫标. Chinese Optics Letters. 2014(07)
[9]相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析[J]. 步志超,郭磐,陈思颖,张寅超,陈和,陈胜哲,葛宪莹. 红外与激光工程. 2014(03)
[10]倏逝波抽运的回音壁模式激光增益计算[J]. 张远宪,冯黎,刘春,普小云. 光学学报. 2012(02)
本文编号：3373154
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/qxxlw/3373154.html
