合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

瑞利散射激光雷达探测平流层和中间层低层大气温度

介绍了一台瑞利散射激光雷达,它能够探测22～60 km范围内大气温度的垂直分布;比较了两种反演温度的数据处理方法.该激光雷达分别与UARS/HALOE卫星和无线电探空仪观测结果进行了对比,均表现了较好的一致性.同时还模拟分析了平流层低层气溶胶对计算温度的影响.     

气象激光雷达的发展现状

激光雷达能用来测量云、雾、能见度、空中风场、大气密度和大气温度,也可以用来监测空气中的有害气体。该文介绍了用于气象探测的半导体激光雷达、微脉冲激光雷达、一般弹性散射激光雷达、多普勒激光雷达、差分吸收激光雷达和Raman激光雷达的发展现状和趋势,认为人眼安全、高重复频率和宽探测范围是气象激光雷达的发展方向。固体激光雷达的气象应用最广泛,微脉冲激光雷达能同时测量云底高度、能见度和获得大气气溶胶消光廓线,有比较好的应用前景,半导体激光雷达是测量云底高度的理想工具。     

浅析雷达超折射成因与回波特征

电磁波在大气中传播,随着大气中的温度、压力、湿度高度的增加可以有不同的变化,因此产生了折射指数随高度的不同分布,致使雷达波在传播时有弯曲现象,一般分为标准大气折射、临界折射、超折射、负折射和零折射(见图1),其中超折射在雷达探测中经常遇到,因此须加以识别。     

全球大气温度廓线的统计特性分析

利用欧洲数值预报中心发布的第三代ERA-Interim月平均再分析资料对1979—2016年全球大气温度廓线进行统计,分别探讨了南、北半球大气温度廓线平均值和标准差随季节、纬度和海陆的时空分布特征,并与国内外常用的AFGL标准大气廓线进行了对比。研究结果表明:南、北半球各高度层温度的平均值、频数最大温度区间和最大值垂直分布均随高度先减小后增加;在大气低层,多年的温度波动较大,200 hPa处波动达到最小;不论是北半球还是南半球,大气温度平均值廓线均具有典型的纬度差异,其中低纬度季节性差异较小,中纬度次之,高纬季节性差异最大;各季节大气温度廓线的海陆差异不同,且南半球海陆差异比北半球大。大气温度标准差廓线同样存在纬度、海陆和季节分布差异。根据ECMWF再分析资料构建的温度廓线较AFGL标准大气廓线而言具有更加丰富的时空分布等细节特征,并且代表了气候变化后最新的大气温度状况。有关结果可作为现有标准大气廓线的更新和完善,为新型卫星仪器应用性能评估、辐射传输算法和大气反演方法评价和对比分析提供支持。      

毫米/亚毫米波探测大气温度和湿度的通道选择

利用热带大气温湿廓线计算了热带地区毫米/亚毫米波段微波大气透过率权重函数。对权重函数峰值高度的分析结果显示:对流层低层的大气温度可以选择118 GHz通道的远翼频率来探测,而对高层大气温度进行探测时,选择425 GHz通道的远翼频率较为合适;在大气湿度探测方面,183 GHz通道组合适合探测对流层中层大气的湿度,高层大气湿度探测应该首先考虑380 GHz通道组合来实现。根据大气温度探测通道和大气湿度探测通道的权重函数分布,鉴于国内现有遥感仪器的制造水平,建议选择118 GHz 3个通道与425 GHz 8个通道共11个大气温度探测通道和183 GHz 3个通道与380 GHz 5个通道共8个大气湿度探测通道作为未来静止轨道微波探测的候选通道。     

激光雷达在气象和大气环境监测中的应用

论述了激光雷达的结构、分类以及不同种类激光雷达的工作原理。跟踪激光雷达最新的发展和应用,根据探测物质的不同,分别讨论了激光雷达在探测气溶胶、云、边界层、温度、能见度、风、大气成分、水汽和钠层方面的应用,综述了目前国外星载激光雷达的发展和新的应用动态。进一步讨论了在激光雷达探测中存在的问题和今后的发展趋势,认为激光雷达将向多波长、多探测功能、商业化、区域化及全球化方向发展,它在气象与环境监测中正在发挥越来越重要的作用。     

平流层和中层大气研究的进展

平流层和中层大气研究是20世纪70年代以来持续得到大气科学界和日地物理界共同关注的研究前沿.中国科学界在文化大革命结束后立即抓住这一前沿作为发展重点之一.20多年来,中国科学院大气物理研究所等单位较为系统地开展了这一方向的研究,并在一些方面进行了前沿性的工作.作者着重介绍以下几方面的进展:(1)平流层和中层大气探测设施与探测方法;(2)大气臭氧、平流层气溶胶的监测与分析;(3)行星波在中层大气环流与大气臭氧分布中的作用;(4)重力波在中层大气的传播特征与作用;(5)平流层-对流层交换的动力物理与化学问题.     

基于激光雷达和微波辐射计观测确定混合层高度方法的比较

利用苏州地区2010年1月4,7,16日和2月4日4天的激光雷达及微波辐射计观测资料,比较了不同遥感手段探测晴天大气混合层高度的差异,发现试验期间该地区的混合层高度在300~1500 m之间。利用梯度法、标准偏差法、小波法从激光雷达数据中提取混合层高度并进行了对比,结果表明三种方法都能较好地反演混合层高度并且一致性较好,三者差异主要存在于大气边界层的发展和消亡阶段;梯度法和小波法结果无明显差异,而标准偏差法结果稍高于其他方法。在此基础上,利用微波辐射计探测的大气温度,使用温度梯度法估算大气混合层高度,并与激光雷达探测结果进行了比较,结果表明,大多数情况下激光雷达探测结果高于微波辐射计观测结果;两种遥感手段有较好的相关性,相关系数为0.76。激光雷达同微波辐射计结果存在差异,尤其是在边界层的发展和消散阶段,这是由两种遥感手段探测原理不同造成的。     

中国利用星载激光雷达开展沙尘和污染研究的综述

激光雷达作为一种新兴的主动遥感探测工具,被广泛应用于大气遥感、环境监测等领域。星载激光雷达由于其较广的探测范围、较高的时空分辨率、可获得连续的廓线数据等优势,已经成为全球及区域气溶胶和云特性观测研究的强有力工具。本文总结了自2006年CALIPSO卫星发射以来,中国科学家在利用其开展沙尘气溶胶及污染研究方面的工作,重点阐述了沙尘气溶胶的时空分布、远距离传输、分类识别、光学特性、沙尘释放、辐射与气候效应,以及灰霾和烟尘特性等方面的最新研究成果。对以上研究成果的梳理,有助于深入理解中国在利用星载激光雷达开展沙尘与污染研究的水平,也为未来开拓中国自主研发星载激光雷达的遥感应用领域奠定了基础。     

武汉上空大气密度温度的激光雷达探测

介绍了中国科学院武汉物理与数学研究所瑞利散射激光雷达的结构和性能,报道了该激光雷达观测所得到的我国武汉上空30～70 km范围内大气密度和30～60 km范围内温度廓线的反演结果。     

Observation of polar stratospheric clouds over Obninsk in December 2012

In late December 2012 a blocking anticyclone followed by the event of minor stratospheric warming, set in the troposphere over West Siberia and, after that, over the European part of Russia. As a result of the deformation of a polar stratospheric vortex, the temperature in the lower stratosphere over Obninsk dropped below the threshold of the formation of polar stratospheric clouds. The lidar measurements of temperature, ozone values, and aerosol characteristics in the middle atmosphere were carried out at the lidar station during this atmospheric event. In three cases, polar stratospheric clouds (PSCs) referred to NAT I_a type according to the sounding results, were registered at the height of about 20 km. No considerable decrease in the ozone concentration in the area of PSC formation was revealed in these measurements.     

双基地激光测风雷达回波信号仿真研究

本文针对传统的体散射模型并未考虑大气不均匀性对信号传输的影响等问题,通过引入垂直非均匀的大气参数改进了模型,并利用其建立了体目标的双基地激光测风雷达方程,仿真了侧向散射回波信号,并与单基地雷达进行了对比分析。研究表明:水平方向上,双基地激光测风雷达的回波信号分布特征与单基地雷达差异较大,其回波信号等值线在近地面为卵形线,随着探测高度的增加,回波信号等值线逐渐变为以主、被动雷达为焦点的椭圆形,并最终趋近于圆形;垂直方向上,双基地激光测风雷达的回波信号随高度衰减剧烈,近地面的回波能量约为10^-10 J,4 km高度的回波能量约为10^-15J,在中低层大气(0~10 km),回波信号中气溶胶散射占比大,在高层大气(10 km以上),分子散射占比大。     

On lidar application for remote sensing of the atmosphere

This paper introduces some advanced subjects on lidar remote sensing of the atmosphere, emphasizing recent studies and developments in lidar application for measuring ozone, cloud, aerosol, atmospheric temperature, moisture, pressure and wind.     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

2003年夏季长江中下游地区异常高温的分析

2003年我国和世界范围内，部分地区出现了盛夏异常高温天气。本文主要从环流特征和南京近百年气温资料，以江苏为主的长江中下游地区出现的异常高温成因，作了天气和气候的分析。经研究分析，造成2003年异常高温时段的副热带高压形势是符合历史同期出现高温天气的环流特征的。唯2003年高温时段的副热带高压的强度较历史同期显著偏强。从气候方面分析，2003年盛夏南京地区出现的高温天气仍未突破近百年来出现高温年的历史纪录。就南京地区而言，无论是7月下旬～8月上旬的持续高温，还是8月中旬紧接而来的低温冷夏天气，都显示出大气环流的演变特征和历史同期的气候特征。     

高光谱分辨率激光雷达同时测量大气风和气溶胶光学性质的模拟研究

提出一套高光谱分辨率激光雷达(HSRL)系统,用于同时测量大气风和气溶胶的光学性质.该HSRL系统中使用碘分子滤波器分离分子和气溶胶后向散射,同时利用双边缘检测技术测量大气风场引起的多普勒频移.文中选用合理的HSRL参数和大气模型数据,模拟和分析了HSRL的测量性能.系统夜晚运行时,可测量20 km以下的大气风速和气溶胶,风速误差小于2 m s-1,气溶胶的后向散射系数相对误差小于30%.在白天工作时,相同误差下的可探测高度为10 km.模拟分析结果表明,该HSRL雷达有较大的应用前景,对天气和气象研究等有重要意义.     

Centennial weather – 1967

The laser radar (lidar) is capable of detecting weak concentrations of particulate in the lower atmosphere at ranges up to several kilometres. Through this technique, models of thermal convection and theories of particulate diffusion may be studied by observing the spatial and temporal changes in particulate concentration. A pulsed ruby lidar has been assembled at this University, with scanning optics located at an elevated position overlooking the city. Criteria have been evolved here for deriving profiles of extinction coefficient, and particulate number and mass concentration from the lidar signatures. Sample profiles of particulate concentrations are given for comparison with the design prediction of lidar sensitivity.