气溶胶和水云宏微观参数的激光与微波联合遥感反演
发布时间：2021-02-15 11:48
气溶胶和云是大气重要的组成部分,其辐射效应在气候变化和评估中具有较强的不确定性,这与气溶胶和云自身的参数有关。激光雷达和毫米波雷达具有观测连续性好,时、空分辨率高等特点,是遥感探测气溶胶和云的有效技术手段。激光雷达和毫米波雷达对气溶胶和云宏、微观参数的协同观测,发挥了激光短波段探测气溶胶和冰晶小粒子,微波长波段探测云和降水的优势,一方面为气溶胶和云宏、微观参数的反演提供更多的信息,另一方面为气溶胶和云相互作用实验研究提供不可或缺的有效途径。精确反演气溶胶和云的宏、微观参数,是研究其辐射效应和相互作用的前提。宏观参数包括光学厚度、几何高度等,反演方法比较直接,难度较低。微观参数主要包括尺度大小、单次散射反照率等,反演方法比较复杂,难度较高。本文对气溶胶微观参数的反演,使用了激光雷达在山西文水实验中观测得到的数据,该雷达是一台自行研制的多波长拉曼偏振激光雷达。对其中两个时间段的雷达数据进行反演,得到了气溶胶的光学参数3β+2α,即三波长后向散射系数（355 nm,532 nm,1064 nm波长）和两波长消光系数（355 nm,532 nm波长）,然后在米散射理论的基础上建立正演模型并用于...
【文章来源】： 徐继伟 中国科学技术大学
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２理想状态下大气气溶胶的谱分布特征及转化过程??
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景信号值，然后将所有信号减去该值，即背景噪声??订正。根据激光雷达方程，回波信号强度与探测距离的平方成反比，距离订正指??将背景噪声订正后的数据乘以探测距离的平方。??对于离轴（双轴）激光雷达系统，其结构特点决定激光雷达系统具有盲区和??几何因子，而系统的几何因子会直接影响近地面回波信号的接收，因此需要对几??何因子进行修正。雷达系统几何因子的求解可以通过水平观测实验方法、Ｒａｍａｎ??和Ｍｉｅ通道联合方法、ＣＣＤ侧向观测方法来实现，从而可以对近地面的回波信??号进行几何因子修正。图３．１为激光雷达系统几何因子的示意图，随着距离ｚ的??＼?＋?ｆｔ?＿??＼?！?｜?＾??＼＼－Ｗｅｏ－－??屮??ＨＪ?ｕ??Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ?Ｌａｓｅｒ??图３．１离轴激光雷达系统几何因子随距离的变化??增加，激光从完全不进入到完全进入望远镜的视场角，总共经历有Ａ，?Ｂ，?Ｃ三??个阶段：??Ａ?：?ｄ＞?Ｒｔ?＋?Ｒｌ?（Ｇ（ｚ）?＝?０），??Ｂ?＜?ｄ?＜?Ｒｊ－?＋?Ｒｊ＾?（０?＜?Ｇ（ｚ）?＜?１），?（３．１）??ｃ?：?ｄ?＜?ＲＴ?－?ＲＬ?（Ｇ（ｚ）?＝?ｌ），??式中??Ｒｔ?—－?Ｏｚ?ｄｒｒ／，２ｔ９??（３－２）??ＲＬ?＝?ｃｃｚ?＋?ｄＬ／２，??其中ｄＴ和＾分别为望远镜和激光的直径。??２４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Ka-band Solid-state Transmitter Cloud Radar and Data Merging Algorithm for Its Measurements[J]. Liping LIU,Jiafeng ZHENG,Jingya WU. Advances in Atmospheric Sciences. 2017(04)
[2]毫米波雷达和激光雷达探测云边界的对比分析[J]. 宗蓉,郭伟,仲凌志. 激光技术. 2016(02)
[3]Verification and Correction of Cloud Base and Top Height Retrievals from Ka–band Cloud Radar in Boseong,Korea[J]. Su-Bin OH,Yeon-Hee KIM,Ki-Hoon KIM,Chun-Ho CHO,Eunha LIM. Advances in Atmospheric Sciences. 2016(01)
[4]气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展[J]. 李军霞,银燕,李培仁,徐芬. 气象科学. 2014(05)
[5]8mm毫米波测云雷达系统设计[J]. 王永亮,陆建兵,严勇,吴海军. 现代雷达. 2014(07)
[6]三波长拉曼偏振激光雷达系统研制及探测个例[J]. 刘东,陶宗明,吴德成,王珍珠,王邦新,钟志庆,伯广宇,谢晨波,周军,王英俭. 光学学报. 2013(02)
[7]微脉冲激光雷达探测大气气溶胶定标反演新方法[J]. 陈涛,赵玉洁,刘东,于杰,徐灵芝,王英俭,周军. 中国激光. 2012(05)
[8]低层大气中确定气溶胶后向散射系数边界值的新方法[J]. 陈涛,吴德成,刘博,曹开法,王珍珠,伯广宇,袁林,周军. 光学学报. 2010(06)
[9]水云从紫外到远红外波段的平均单次散射特性[J]. 刘强,陈秀红,何晓雄,魏合理. 激光与红外. 2010(01)
[10]大气气溶胶的辐射与气候效应[J]. 石广玉,王标,张华,赵剑琦,檀赛春,温天雪. 大气科学. 2008(04)
硕士论文
[1]水云和冰云的光散射与辐射传输特性的研究[D]. 于记华.西安理工大学 2019
[2]水云及卷云辐射特性参数化[D]. 王小东.电子科技大学 2006
本文编号：3034790
【文章来源】： 徐继伟 中国科学技术大学
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２理想状态下大气气溶胶的谱分布特征及转化过程??
?Ｔ??Ｖ．．Ｖ????Ｃｌｏｕｄｓ?ａｎｄ?、Ｉ?＇??Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?＂．．．…Ａｄｄｉｔｉｏｎ?ｓｔａｔｅ??ｖａｒｉａｂｌｅｓ??Ｍｏｉｓｔｕｒｅ?ａｎｄ?Ｗｉｎｄｓ?．？？？？??Ａｅｒ—ａｏｕｄ?Ａｄｉ＿ｅｎｕ?＝??＾ａＣｎｓ（ａｃｉ）?＾ｄ．ａｔ．ＯＨ?Ｗａｒ．ａｂ，＾??Ｉ?Ａｅｒｏｓｏｌ－Ｒａｄｉａｔｉｏｎ?、???Ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ?Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ（ａｒｉ）＾??Ｓｏｕｒｃｅｓ?????图１．３气溶胶和云在大气中的辐射效应和反馈作用??大气气溶胶在过饱和或着接近饱和的环境条件状态下，可以成为云的凝结??核（ＣＣＮ）或冰核〇Ｎ）进而逐渐长大形成云粒子和降水粒子，但不是所有气溶胶??都能核化，其成核过程主要取决于气溶胶的尺度大小和化学成分。云粒子的形成??有两种方式，即同质核化（也叫自发核化）和异质核化。同质核化指在发生核化??的过程中没有异质核存在，但同质核化过程对发生的条件需求较高，在高空极低??的温度下有可能发生，一般情况下很难。异质核化过程是自然界中经常发生的，??是成云致雨的重要组成部分，由水汽冷却形成的或过冷水滴凝结形成的云粒子??多来自异质核化过程，该过程与大气气溶胶联系紧密。在云粒子形成中，硫酸盐??气溶胶（Ｔｗｏｍｅｙ，?２００７）?［３Ｇ】和有机气溶胶（Ｎｏｖａｋｏｖ?ｅｔ?ａｌ．，?１９９３）?［３１］都是有效的??凝结核和冰核。??在上述微物理过程中，气溶胶的变化会影响到云的辐射情况，将气溶胶与云??相互作用的这一过程称为气溶胶的间接效应，具体指大气气溶胶通过改变云的??宏、微观物理参数进而改变云的辐射
景信号值，然后将所有信号减去该值，即背景噪声??订正。根据激光雷达方程，回波信号强度与探测距离的平方成反比，距离订正指??将背景噪声订正后的数据乘以探测距离的平方。??对于离轴（双轴）激光雷达系统，其结构特点决定激光雷达系统具有盲区和??几何因子，而系统的几何因子会直接影响近地面回波信号的接收，因此需要对几??何因子进行修正。雷达系统几何因子的求解可以通过水平观测实验方法、Ｒａｍａｎ??和Ｍｉｅ通道联合方法、ＣＣＤ侧向观测方法来实现，从而可以对近地面的回波信??号进行几何因子修正。图３．１为激光雷达系统几何因子的示意图，随着距离ｚ的??＼?＋?ｆｔ?＿??＼?！?｜?＾??＼＼－Ｗｅｏ－－??屮??ＨＪ?ｕ??Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ?Ｌａｓｅｒ??图３．１离轴激光雷达系统几何因子随距离的变化??增加，激光从完全不进入到完全进入望远镜的视场角，总共经历有Ａ，?Ｂ，?Ｃ三??个阶段：??Ａ?：?ｄ＞?Ｒｔ?＋?Ｒｌ?（Ｇ（ｚ）?＝?０），??Ｂ?＜?ｄ?＜?Ｒｊ－?＋?Ｒｊ＾?（０?＜?Ｇ（ｚ）?＜?１），?（３．１）??ｃ?：?ｄ?＜?ＲＴ?－?ＲＬ?（Ｇ（ｚ）?＝?ｌ），??式中??Ｒｔ?—－?Ｏｚ?ｄｒｒ／，２ｔ９??（３－２）??ＲＬ?＝?ｃｃｚ?＋?ｄＬ／２，??其中ｄＴ和＾分别为望远镜和激光的直径。??２４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]A Ka-band Solid-state Transmitter Cloud Radar and Data Merging Algorithm for Its Measurements[J]. Liping LIU,Jiafeng ZHENG,Jingya WU. Advances in Atmospheric Sciences. 2017(04)
[2]毫米波雷达和激光雷达探测云边界的对比分析[J]. 宗蓉,郭伟,仲凌志. 激光技术. 2016(02)
[3]Verification and Correction of Cloud Base and Top Height Retrievals from Ka–band Cloud Radar in Boseong,Korea[J]. Su-Bin OH,Yeon-Hee KIM,Ki-Hoon KIM,Chun-Ho CHO,Eunha LIM. Advances in Atmospheric Sciences. 2016(01)
[4]气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展[J]. 李军霞,银燕,李培仁,徐芬. 气象科学. 2014(05)
[5]8mm毫米波测云雷达系统设计[J]. 王永亮,陆建兵,严勇,吴海军. 现代雷达. 2014(07)
[6]三波长拉曼偏振激光雷达系统研制及探测个例[J]. 刘东,陶宗明,吴德成,王珍珠,王邦新,钟志庆,伯广宇,谢晨波,周军,王英俭. 光学学报. 2013(02)
[7]微脉冲激光雷达探测大气气溶胶定标反演新方法[J]. 陈涛,赵玉洁,刘东,于杰,徐灵芝,王英俭,周军. 中国激光. 2012(05)
[8]低层大气中确定气溶胶后向散射系数边界值的新方法[J]. 陈涛,吴德成,刘博,曹开法,王珍珠,伯广宇,袁林,周军. 光学学报. 2010(06)
[9]水云从紫外到远红外波段的平均单次散射特性[J]. 刘强,陈秀红,何晓雄,魏合理. 激光与红外. 2010(01)
[10]大气气溶胶的辐射与气候效应[J]. 石广玉,王标,张华,赵剑琦,檀赛春,温天雪. 大气科学. 2008(04)
硕士论文
[1]水云和冰云的光散射与辐射传输特性的研究[D]. 于记华.西安理工大学 2019
[2]水云及卷云辐射特性参数化[D]. 王小东.电子科技大学 2006
本文编号：3034790
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