纯转动拉曼—瑞利激光雷达中低空大气温度探测研究

发布时间：2017-12-25 12:42

本文关键词：纯转动拉曼—瑞利激光雷达中低空大气温度探测研究　出处：《中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：大气温度是描述大气状态的一个重要气象参数。利用高时空分辨的激光雷达探测大气温度是大气热力学和动力学研究的一种有效手段。通过各个层段的大气温度连通性探测,对研究各大气层之间的能量传播以及人类活动对大气环境的影响都具有重要意义。本论文以中低空大气温度探测为研究目标,研制出了一套纯转动拉曼-瑞利激光雷达系统,实现了5-80 km范围的大气温度高精度探测；通过对数据的处理分析,提出了新的校准反演方法,同时对中低空大气温度的热结构和扰动特征进行了分析。主要研究内容如下：(1)本文主要完成了一套集成纯转动拉曼与瑞利两种测温机制的激光雷达系统的研制。该激光雷达系统的激光发射单元采用种子注入的Nd:YAG激光器二次倍频输出脉冲能量约300 mJ的532.106nm激光,通过碘分子稳频技术保证了中低空大气风场和温度的联合观测；接收单元采用1m口径的长焦卡塞格林式望远镜,通过收发精确匹配、高分辨光谱分光滤光优化设计以及分通道斩波技术,实现了转动拉曼和瑞利散射回波信号的高效接收与分离：采集单元利用斩波同步触发控制和弱信号检测技术,对中低空不同探测范围的回波信号进行了采集和处理。(2)本文基于纯转动拉曼-瑞利激光雷达系统完成了中低空大气温度的连通探测。利用转动拉曼测温方法实现了低空5-40 km的大气温度探测,利用高、低空瑞利探测通道分别实现了50～80 km和30-60 km的中层大气温度探测。根据重叠区域(30～40 km、50-60 km)的温度数据,本文提出了一种数据融合方法,获得了5-80 km完整的温度廓线。在6h(1 h)的累积时间下,对不同高度段分别采用600 m、900 m和1200 m的空间分辨率,10 km高度转动拉曼的温度测量精度为0.1 K(0.3 K),30 km增大为0.7 K(1.8 K)；低空瑞利通道从30 km到50 km的温度测量不确定度从0.15 K(0.4 K)增大到1.1 K(2.7 K),而对于高空瑞利通道,温度测量的不确定度从50 km处的0.4 K(1.0 K)逐渐增大为80 km的3.4 K(8.8 K)。此外,转动拉曼-瑞利激光雷达的观测结果还与同时段的探空气球、模式(NRLMSISE00)和卫星(TIMED/SABER)数据进行了比较,结果的一致性证明了该激光雷达系统温度测量的可靠性。(3)本文分别对转动拉曼和瑞利的温度反演算法进行了模拟,并对观测数据进行了处理分析。对于转动拉曼温度反演方法,本文重点分析了滤光片参数的优化选取及校准函数的选择,讨论了系统参数变化(激光波长、线宽和滤光片角度)对校准和温度反演结果的影响。根据观测数据,针对不同时空分辨下的转动拉曼温度探测精度、对流层顶附近及四季不同的温度结构特征分别进行了分析；而对于瑞利温度反演方法,本文主要讨论了参考值和气溶胶含量对大气密度和温度反演结果的影响。根据观测数据,对高、低空瑞利通道分别探测到的密度、温度及相应的扰动进行了分析。从转动拉曼和瑞利的温度扰动中可以看出,大气的不同高度均出现有周期性的波动特征。(4)本文基于转动拉曼与瑞利两种机制之间长达10 km的重叠探测,提出了一种利用瑞利温度对转动拉曼回波信号进行校准和温度反演的新方法,即自校准方法。利用同一套激光雷达系统中的两种测温机制实现校准,具有时空一致性和实时校准的优势,而且不依赖于其他温度探测手段,更适于野外环境的观测。但是,自校准方法受校准区间和信噪水平的限制,与气球校准方法相比,两个系数的校准函数Q=exp(a+b/T)更适用于自校准方法,而且两种校准方法用于温度扰动分析时,分别得到的温度扰动的偏差小于0.015 K,因此,自校准方法与气球校准方法一样可用于大气扰动的分析。(5)本文基于自校准方法获得的5-80 km大气温度廓线,对不同大气层段的温度结构和扰动特征进行了分析。从近地面至中间层顶,大气温度的扰动表现出波动的性质。随高度升高其扰动幅度按照～10 km的标高指数增长,但是在一些高度(如39 km、52 km、64 km和73 km),温度的扰动始终表现为极小值("nodes")。通过比较不同高度段的温度和扰动特征,可以发现一些不同的波长、振幅、相位等波动信息,说明了大气中的一些波源于低层大气,而且在向上传播的过程中,表现出不稳定的特性。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98

【参考文献】