大气气溶胶对激光的消光的理论计算

计算了某几类大气气溶胶谱分布对0.6943μ、 1.06μ和10.6μ等几个波长的消光特性。结果表明利用能见度确定激光大气消光系数的可能和局限。     

超大城市综合气象观测试验之测风激光雷达数据评估

为评估用于超大城市综合气象观测试验的测风激光雷达,从最大有效探测高度和数据获取率两方面对测风激光雷达的探测能力进行分析,同时使用测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的测风资料从不同观测高度、不同观测值等方面进行对比分析,结果表明:测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的风速、风向一致性较好,相关系数分别为0.96、0.99,平均绝对误差分别为0.54 m/s、9.95 °,且不同高度层的测风结果也较为一致,但雨天和雾天条件对测风激光雷达的最大有效探测高度和数据获取率影响较大,设备探测能力受到一定的限制。      

乌鲁木齐冬末一次伴随焚风的重污染天气过程探测研究

基于激光雷达探测设备、风廓线雷达、探空以及常规地面探测设备,研究了乌鲁木齐2017年3月5—12日一次重污染过程气溶胶光学特性的垂直分布特征及重污染成因。结果表明:此次重污染过程中7—10日PM2.5日平均值分别为176、215.5、215.9μg/m3和176.3μg/m3,最高时刻达到364μg/m3;激光雷达探测结果表明污染物主要集中在600 m以下,且午后—傍晚阶段的消光系数是夜间的7倍左右;污染物的退偏振很小,结合探空湿度廓线得到混合层内相对湿度基本80%,说明气溶胶颗粒主要为水凝物的球形粒子。由风廓线雷达结果得到乌鲁木齐站附近500 m高度以下水平风速普遍低于2 m/s;从北到南地面5个加密气象站的小风频率依次为99%、100%、81%、48%和67%。在市中心高新区附近受城市建筑物的阻挡,整个污染过程中平均风速仅为0.66 m/s;靠近峡口的乌拉泊风速最大,平均风速达到2.3 m/s,重污染阶段7—9日的平均边界层高度为433 m,低的边界层高度和低风速是造成此次污染的主要原因。     

随机取向沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性研究

利用离散偶极子近似法,数值计算分析了随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数为0.1~23时（波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm）的激光雷达线退偏比特性,通过比较其不同旋转椭球体轴半径比下的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性的影响.单分散旋转椭球体沙尘气溶胶的激光雷达线退偏比对粒子的轴半径比和尺度参数有很强的依赖性;对于长旋转椭球体,沙尘激光雷达线退偏比较小值出现在瑞利散射区,而较大的值出现在米散射区;对于扁旋转椭球体,在米散射区较大沙尘粒子也可以产生较小的激光雷达线退偏比,例如,轴半径比为1/16,尺度参数为3时的沙尘激光雷达线退偏比仅为0.1%.就随机取向旋转椭球体沙尘粒子而言,对于单分散系,仅当尺度参数小于0.5时,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大;而对多分散系,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大.     

多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析

多普勒激光雷达在台风等强天气背景下的探测能力亟待研究,为此将多普勒激光雷达与70 m测风塔超声风温仪在同址同高度探测台风“利奇马”影响期间的边界层风场数据进行对比,并分析多普勒激光雷达的误差分布以及变化情况。结果显示:在高度70 m上,两者的水平风速、风向相关系数分别为0.97和0.99,垂直风速的相关系数为0.36。以超声风温仪为参考值,激光雷达水平风速、垂直风速和风向均方根误差分别为1.06 m/s、0.46 m/s和17.10 °。深入研究表明:降水对多普勒激光雷达测量水平风速和垂直风速误差均有一定影响。当激光雷达信噪比大于2 000时,各参量的误差与信噪比呈负相关关系。研究表明多普勒激光雷达至少可以较好地刻画台风环流内的水平风场结构及演变,可应用于台风外围环流影响下(即较弱降雨条件下)边界层风场的高分辨率探测和研究。      

用FY-1C两个近红外太阳反射光通道的观测数据反演水汽总含量

FY-1C极轨气象卫星扫描辐射仪第10通道的观测波长为0.90~0.965μm，位于弱水汽吸收区，邻近的第2通道观测波长为0.84~0.89μm，位于大气窗区。该文根据R.Frouin提出的算法，用FY-1C资料实现了近红外水汽吸收区和窗区两个通道联合反演水汽总含量。所用的反演关系式为其中，水汽吸收区与窗区两个通道的反射率之比r可以从卫星测值中求出；在探空站所在的地方，沿光路的水汽总含量m为己知量，可以用统计方法求出系数A和B；在没有探空站的地方，可以根据系数A和B，用反演关系式求m。影响系数A的因素主要是大气的温、压、湿廓线和仪器的通道响应函数，影响系数B的因素是地表反射率。由于这些对反演关系式中的系数取值有影响的因素随时间和地点有变化，对不同地区和时段的探空站分别进行统计，得到不同的系数进行反演，取得了较好的效果。另外，还用质量控制手段控制了定位误差可能带来的影响。独立样本真实性检验表明，反演值和探空测值之间的偏差约为15%~20%，相关系数在90%以上。     

基于激光遥感技术的硬靶相干测速试验

随着光纤激光技术的快速发展,全光纤相干多普勒激光雷达已逐步应用于大气风场探测业务中。为了更好地发挥相干多普勒激光雷达的效益,必须使激光雷达保障和使用人员更好地了解其基本原理及结构。基于多普勒效应和激光相干原理,以迈克耳逊干涉仪结构为原型,在实验室中搭建了基于532nm可见激光的空间多普勒测速系统,利用频谱处理技术,准确地测得了漫反射转轮的切向速度,直观地展示了激光相干多普勒测速系统的原理、结构及速度反演方法。此外,在532nm相干测速试验的基础上,搭建了基于1550nm激光的全光纤硬靶相干测速实验系统,开展了大量对比观测试验,在转轮速度分别为2.9m/s和4.8m/s时,试验系统与实测转轮速度之间的系统差分别为-0.01m/s和0.04m/s,标准差分别为0.08m/s和0.1m/s,说明了激光测速系统测量数据的可信性。     

激光雷达和探空反演的混合层高度对比分析

本文利用2016年12月至2017年11月期间晴朗少云天气下的成都微脉冲激光雷达观测数据反演的混合层高度,与温江探空资料确定的混合层高度进行了对比和误差分析,结果表明:基于探空资料和激光雷达数据反演的混合层高度具有较好的一致性,两者相关系数达0.75,激光雷达反演的混合层高度略低于基于探空资料确定的值,在混合层高度为1000～2000m时,两种方法计算所得的值偏差幅度最小,约为20%;在1000m以内和2000m以上,偏差幅度略有增大,为26%;两种方法反演的混合层高度变化趋势较为一致,均呈现出12月、1月较低,4月、5月较高的特点;混合层高度具有明显的日变化特征:上午混合层高度迅速增高,午后增长速度减慢并发展到最大高度,日落后迅速降低;混合层内相对湿度的增加、残留层的存在是导致激光雷达反演混合层高度时产生较大误差的原因之一。     

江西一次强风暴天气过程闪电参量特征分析

利用闪电探测资料和多普勒天气雷达资料,对2003年4月12日发生在江西境内的1次强风暴天气过程的闪电参量特征进行分析和计算.结果表明,闪电强度、闪电陡度、闪电电荷变化趋势基本相同,并呈多峰型变化,出现峰值时间比降雹时间早18 min;闪电强度、闪电陡度、闪电电荷、闪电能量的平均值分别为-838.4 kA、-1 163.8 kA/μs、-34.2 c、653.1×103 J,最大值分别为-3 387.2 kA、-4 802.2 kA/μs、-86.9 C、2 390.5×103 J.回波参量与闪电参量回归分析结果表明,顶高≥14.0 km回波面积最大值出现时间比降雹时间迟24 min;强度≥40.0 dBz回波面积最大值和垂直积分液态含水量≥40.0 kg/m2回波面积、面水量最大值出现时间比降雹时间早18 min.研究认为,闪电参量变化对强风暴、冰雹和强对流云降水天气的预警预报,具有指示性作用.     

沙尘暴的光学遥感及分析

本文根据激光雷达和光度计综合探测的结果，结合气象背景资料分析了1988年4月北京地区三次沙尘暴过程气溶胶物理光学特性及其远距离输送时的垂直结构。这三次尘暴主要来源于内蒙的沙漠和黄土地区，根据激光探测消光系数垂直分布资料，在4月11日，沙尘粒子有3个不同的输送带，其中两个输送带的高度处于 2000—3000 m和3000—6000 m，另一个输送带的下边界高度约为200 m，其高度结构密切依赖于风场的垂直结构。根据多波长太阳光度计和半球辐射计的观测结果，尘暴期间大气柱沙尘总光学厚度在0.3至15之间变化，峰值光学厚度比平时偏大约一个数量级，在0.65 μm波长，在4月11日测量的气溶胶一次散射反照率均值为0.85。     

基于葵花8号新一代静止气象卫星的夜间雾识别

基于葵花8号新一代静止气象卫星的高时空分辨率多通道数据,利用3. 9μm与11. 2μm通道亮温差法(BTD3. 9～11. 2)和3. 9μm伪比辐射率法(ems3. 9)开展了中国地区夜间不同等级雾的识别,确定了各站点和网格点上对不同等级雾两种方法的参数最优阈值;并利用地面站点观测资料和CALIPSO星载激光雷达产品对陆地和海上雾的识别结果进行了验证。结果表明:(1)通道亮温差法和3. 9μm伪比辐射率法均可以较准确地识别出不同等级的雾,3. 9μm伪比辐射率法准确率略优;随能见度的下降,两种方法识别准确率都明显提升,虚警率明显下降。能见度小于50 m时,通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)识别雾的击中率HR、虚警率FAR和KSS评分分别为0. 89(0. 90)、0. 15(0. 15)和0. 74(0. 75)。(2)剔除云影响后,4个雾等级下两种方法对雾识别的HR和KSS评分均有明显提升,FAR均有明显下降。能见度小于1 000 m时,剔除云后通道亮温差法(3. 9μm伪比辐射率法)的HR由0. 71(0. 74)提高到0. 81(0. 85),FAR由0. 27(0. 28)降低到0. 12(0. 13),KSS评分由0. 44(0. 46)提高到0. 69(0. 72),KSS评分提高0. 23(0. 26)。(3) 3个个例分析表明,基于通道亮温差法、3. 9μm伪比辐射率法以及RGB合成图均可清晰识别出大部分雾区,雾区和非雾区的BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))差异明显,强浓雾区BTD_(3. 9～11. 2)(ems_(3. 9))约为-5℃(0. 75);基于葵花8卫星海雾的识别结果与CALIPSO星载激光雷达VFM反演产品一致。     

利用TOVS资料测雪

该文提出了利用TOVS的MSU-1（微波辐射仪的第一通道、中心频率50.31 GHz）、HIRS/2-8（高分辨率红外辐射仪的第八通道、中心波长11.10 μm）、HIRS/2-19（中心波长3.70μm）及HIRS/2-20（中心波长0.70 μm）光谱特性的差异进行云的检测,以及在晴空条件下测雪的方法。该方法测出的1993年1月我国东部地区和1991年1月西藏高原东部地区降雪过程的积雪图,与实况相符。     

2010年春季民勤沙地近地面沙尘气溶胶浓度特征

为了更好地研究沙尘气溶胶起沙和输送特征,2010年4—5月,在民勤周边沙地利用EZ LIDAR ALS300ALS450型激光雷达和GRI MM180型颗粒物采样器进行了大气气溶胶的外场连续观测,取得了晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴天气条件下沙尘气溶胶总后向散射垂直剖面图和PM10、PM2.5、PM1.0质量浓度采样资料,其中包2010年4月24日特强沙尘暴过程资料。结果表明:春季民勤近地层大气中沙尘气溶胶浓度较高,且随气象要素的变化很大;在整个观测期内,PM10、PM2.5和PM1.0的平均质量浓度分别为202.3、57.4μg/m3和16.7μg/m3。在不同天气条件下,PM10、PM2.5和PM1.0质量浓度的变化有较好的相关性,但变化趋势有所不同。在沙尘暴天气条件下,PM10的日平均质量浓度高达2469.1μg/m3,是背景天气条件下PM10日平均质量浓度的100多倍,是浮尘天气条件下PM10日平均质量浓度的8倍,是扬沙天气条件下PM10日平均质量浓度的2倍。PM2.5在沙尘暴天气下日平均质量浓度为460.3μg/m3,是背景天气条件下PM2.5日平均质量浓度的45倍,是浮尘天气条件下PM2.5日平均质量浓度的6倍,是扬沙天气条件下PM2.5日平均质量浓度的1.4倍。PM1.0在沙尘暴天气条件下的日平均浓度为92.7μg/m3,是背景天气条件下PM1.0日平均浓度的13倍,是浮尘天气条件下PM1.0日平均浓度的7倍,是扬沙天气条件下PM1.0日平均浓度的1.3倍。可见,风速增大时,沙尘粒子浓度的增加对粒子粒径是有选择的,小粒子比重随沙尘浓度增加而相对减小,大粒子比重随沙尘浓度增加而相对增多。通过对2010年4月24日特强沙尘暴过程的研究表明,一次沙尘暴过程往往包括沙尘暴、扬沙和浮尘天气中的两种类型。通过对激光雷达数据分析发现,在强沙尘暴发生过程当中,民勤沙地发生了非常严重的风蚀起沙现象。     

基于三台测风激光雷达的大气湍流和三维风场研究

为了获取大气湍流和空间三维风场结构,利用3台同型号的测风激光雷达开展协同观测试验。（1）利用虚拟铁塔协同观测技术开展大气湍流探测,与香河102 m铁塔安装的三维超声风速仪观测结果做对比,32 m处高频（10 Hz）风速的相关系数高达0.92,平均误差为0.77 m/s,均方根误差为0.41 m/s;大气湍流强度（TKE）的相关系数高达0.99,平均误差为?0.02 m2/s2,均方根误差为0.08 m2/s2,并且协同观测的高频风速与三维超声风速仪的观测结果具有相同的频谱结构。（2）利用扫描协同观测技术开展三维风场探测,与铁塔上的常规测风设备相比,其90 m高度处的水平风速和风向的相关系数分别为0.92和0.93,平均误差为?0.41 m/s和0°,均方根误差为0.73 m/s和34°。相比于单台测风激光雷达,基于3台测风激光雷达协同观测技术具有一定的优势:不需要风场水平均匀的假设、探测精度更高等。但其对观测环境的要求较高:观测路径上不能有遮挡、观测必须协同等。在科研业务应用中,需要根据实际的观测需求合理制定观测方案。      

黑龙江省龙凤山区域大气本底站气溶胶光学特征分析

利用2010—2020年黑龙江省龙凤山区域大气本底站气溶胶光学特性长期观测资料, 分析并探讨了背景地区气溶胶光学厚度、波长指数、单次散射反照率、粒子体积谱分布以及气溶胶直接辐射强迫效应的变化特征。结果表明: 龙凤山区域气溶胶光学厚度最高值出现在7月, 平均值为0.67;最小值出现在12月、1月和2月, 平均值分别为0.17、0.02和0.18;气溶胶光学厚度在17时达到最高值为0.39。气溶胶波长指数在4—5月最低, 平均值分别为1.20和1.21;12月最高, 平均值为1.74;波长指数在12时达到峰值, 为1.44。单次散射反照率最低值分别出现在4月、8月和10月, 平均值分别为0.84、0.82和0.84;气溶胶单次散射反照率在12时出现峰值, 为0.95。龙凤山区域春季气溶胶粗粒子体积分数最高值出现在5月, 为0.04 μm³·μm^-2, 有效半径为3.85 μm; 夏季气溶胶细粒子体积分数最高值出现在7月, 为0.06 μm³·μm^-2, 有效半径为0.19 μm; 秋冬季龙凤山背景地区气溶胶细粒子和粗粒子体积分数均进一步减小。龙凤山区域地面和大气层顶气溶胶直接辐射强迫最高值均出现在7月, 分别为-94.44 W·m^-2和-22.33 W·m^-2。     

2007年冬季大连市区气溶胶垂直剖面特征

选用2007年1月8—30日期间8个无云天的激光雷达资料进行分析。基于Fernald方法反演得到气溶胶消光系数廓线,结合无线电探空资料分析了边界层内气溶胶时空分布,并将反演的激光雷达最低观测高度处(180 m)的气溶胶消光系数与地面PM10、能见度资料进行对比分析。结果表明：冬季大连市区气溶胶主要分布在2 km以下区域,早晨和夜间在0.5 km以下区域经常存在一个气溶胶层;气溶胶消光系数廓线与探空资料较吻合;反演激光雷达最低观测高度处(180 m)的气溶胶消光系数与地面的PM10浓度呈正相关,与能见度呈负相关,相关性较好。     

激光气象雷达数据处理系统

一、前言 1979年以前,我们大气物理研究所已经研制了三台中小型激光雷达和一台大型激光雷达,并正在研制双波长激光雷达。利用这些中小型激光雷达开展了一系列大气探测方面的研究,取得许多成果,但数据处理工作仍采用人工处理方式,无法实时应     

深圳气象梯度塔与测风激光雷达观测对比分析

为了更好的了解WindView 10多普勒风廓线激光雷达的准确性,2017年7月在深圳石岩气象综合观测基地进行了一次成功的风速风向观测对比试验(时间为2017年7月20—30日),利用356 m气象梯度塔与测风激光雷达测得的风数据进行了不同时次和不同高度(40、80、100和150 m)的对比,结果表明:梯度塔和雷达在300 m以下高度范围内风速风向的观测结果比较一致,各层风速风向结果的标准差、最小最大值、均值、中位数都非常接近。风速的均值偏差最小为-0.000 09 m/s,标准差偏差最小为0.002 63 m/s,风向均值偏差最小为0.169 83°,标准差偏差最小为-1.304 83°。4层高度风速风向的相关系数都很高,风速的相关系数普遍在0.95以上,风向由于360°的过零问题导致相关系数较低,但也普遍大于0.75。同时,激光雷达测得的风速均值普遍小于梯度塔,风向均值在低层小于梯度塔,在高层则偏大。验证结果表明,该型多普勒测风激光雷达是一款观测结果可靠的低层大气风廓线测量仪器。     

一次人工引发闪电初始电流及其电磁场变化特征

研制了近距离闪电磁场变化测量系统,并在2005年夏季山东滨州的人工引发闪电试验中,获得了闪电电流和距闪电通道60 m处的1μs时间分辨率的电磁场变化同步观测资料。本文详细分析了一次人工引发闪电放电初始阶段的电流及近距离电磁场。本次引发闪电中火箭拖带的导线底端通过一段5 m左右的尼龙线与引流杆相接,这段空气间隙击穿放电所产生的电流为720A,对应的60 m处电场和磁感应强度变化分别为0.38 kV/m和11.26μT。对同步资料的进一步分析表明,人工引发闪电上行正先导电流脉冲时间间隔为18.0~25.0μs,平均峰值电流为23.0A,变化范围为16.9~41.0A;单个先导过程转移电荷量的平均值为84.3μC,变化范围为57.8~141.0μC。60 m处先导电场峰值和磁感应强度峰值的平均值分别为16.7 V/m和0.3μT,变化范围分别为8.7~28.2V/m和0.116~0.544μT。先导电流峰值Ip(A)与其产生的磁感应强度峰值B(μT)之间满足Ip=61.9B 2.56。     

基于星载微波雷达和激光雷达探测的夏季云顶高度及云量差异分析

云是天气与气候变化的重要影响因子,准确估量云顶高度和云量对分析云特性、降水及强天气预报、估算云辐射强迫等都具有重要意义。利用2006-2010年6-8月CloudSat卫星搭载的微波云廓线雷达（CPR,简称微波雷达）和CALIPSO卫星搭载的云-气溶胶偏振激光雷达（CALIOP,简称激光雷达）的探测资料,分析了全球云顶高度及云量的空间分布特征。结果表明,热带地区微波雷达探测云顶高度平均比激光雷达低约4 km,但均超过12 km;副热带洋面云顶高度在4 km以下,且两部雷达探测的云顶高度差异存在地域性。微波雷达对薄云、云砧及云顶高度低于2.5 km的低云存在漏判,对厚云的云顶高度偏低估;微波雷达探测的全球总云量均值为51.1%,比激光雷达少23.3%;两者给出的云量分布也存在显著的海-陆差异,其中洋面云量差异更大,如微波雷达测出局部洋面云量为80%,而激光雷达的探测结果却超过90%。由于激光雷达发射波长短,对云顶微小粒子比较敏感,而微波雷达波长较长,对相对较小粒子的探测存在局限性。因此,激光雷达对云顶高度的探测优于微波雷达。此结果不仅加强了对激光雷达和微波雷达探测原理的认识,而且进一步理解了云的气候特征。