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。     

激光遥感

利用光学方法主动遥感大气,早在本世纪三十年代就有过尝试。然而,利用普通光源进行大气探测,受到光源性能多方面的限制,从而使得大气探测这一学科分支进展缓慢。直至1960年激光问世以后,由于这一新型光源具有单色性好、相干性强、准直性高以及高亮度、大功率等特点,立即受到各有关方面的重视,并获得广泛应用。从1962年开始,一些先进国家就开始研制大气探测激光雷达,提出了激光遥感大气的种种设想,而且还进行了实际探测试验。 我国自1965年开始,先后研制了大气探测激光雷达、激光测云仪和测污激光雷达等探测仪器,开展了激光遥感云雾、能见度、气溶胶、烟羽和污染气体浓度等方面的研究,取得了不少进展,并在研究大气污染的扩散规律、监测大气污染气体浓度和探测机场上空云底高度等实际工作中获得一定的应用。     

云高自动化观测对比试验与数据分析

利用2011年12月至2012年6月北京观象台云高自动观测仪器对比试验数据,以微脉冲激光雷达(MPL)为参考、结合人工目测,对3台激光云高仪观测数据进行分析评价。分析2种天气条件(高能见度、低能见度)下漏判情况、误判情况和云高准确性3个方面;同时评价了激光云高仪对几种典型云属的探测能力。结果表明,激光云高仪与MPL一致性较好,大气中的雾、霾等气溶胶粒子是造成其测量不准确的主要原因,可通过提高激光发射单脉冲能量、优化光学系统来提高激光云高仪探测能力。     

第六届国际激光雷达会议

第六届国际激光雷达会议于1974年9月8日至6日在日本仙台举行。会议涉及的问题有能见度和云底高度的测量;激光雷达光谱学应用拉曼旋转后向散射谱测量气温;用激光观测大气消光作用;气溶胶对光的散射的物理特征;从云、霾反射回来的激光的退极性观测;行星边界层和大气污染问题,用激光雷达监测大气污染,研究大气污染的扩散,监测环境污染;平流层气溶胶的测量;多次散射问题。     

QL1212A云高仪基本原理介绍

本文介绍的QL1212A云高仪是用于机场和气象台站连续进行云底高度测量的传感器，并在一个或多个显示器上显示出3000m范围内（垂直高度）的两层云底高度。如果垂直能见度小于500m，仪器测不到云底时，则显示出垂直能见度。云高仅是根据光学原理工作的，它首先垂直向上发射出激光脉冲，通过测量激光脉冲从发射出去到从云底反射回来的这段时间，计算出云底高度值。云高仪由下列三个基本部分组成：QL1212A发射接收器、QL1212B显示控制器、QL1212Y模拟记录器。为了能在几个地方同时显示出测量结果，我们可把几个显示控制器连接到同一个云高仅…     

激光探测能见度的实验研究

利用红宝石激光雷达初步实验对比表明,利用激光雷达可以定量求得各种能见度下的水平能见度值,只是在低能见度情况要采取适当的技术和分析方法。用激光探测目前飞机临界着陆能见度也是可能的,但在更低能见度下大气多次散射起着重要作用,给利用激光探测斜视能见度带来局限。     

激光大气遥感探测

一、引言 用光学方法进行主动大气遥感探测,早在本世纪三十年代就有过这方面的尝试,当时用探照灯研究了直至28公里高度的大气浑浊度和分子散射。以后,还发展成脉冲光探照灯来探测大气,并用弧光光源探测云底高度等。但是,利用这种非相干光源探测大气,受到光源性能的多方面限制,从而使得大气光学探测这一学科分支进展缓慢。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

Ka波段固态发射机体制云雷达和激光云高仪探测青藏高原夏季云底能力和效果对比分析

激光云高仪和云雷达是探测云底的两种设备,但其探测能力和探测结果有一定的差异,对比分析两种设备的测云效果有助于正确认识它们的探测优势,推进我国云雷达在云探测中的应用。本文提出了基于云雷达数据的云底和云顶高度分析方法,利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验云雷达、激光雷达和激光云高仪数据,统计了三种设备探测青藏高原低云、中云和高云的云底高度偏差、探测率,分析了激光云高仪探测云底偏高的原因,根据探测结果提出了固态发射机体制雷达探测青藏高原低云的优化观测模式,模拟分析了探测效果。结果表明:（1）云雷达对高云的探测能力要明显优于激光云高仪,但其对低云的探测能力有待改进,激光云高仪探测云底下部的边界层内的云雷达回波信号可能是非云降水回波;低层云的遮挡作用明显降低了激光云高仪对多层云的观测能力;与激光云高仪相比,云雷达仍然会漏掉一些高云和中云。（2）激光云高仪探测的中云和高云的云底很多在云雷达回波内部,云雷达和激光云高仪观测的云底的时空对应关系比较差。（3）增大激光发射功率和优化固态发射机体制云雷达观测模式可提高云的观测能力,微波和激光雷达数据融合可全面了解不同类型云的宏观特征。这一工作为云雷达和激光雷达数据的应用,评估激光云高仪和云雷达探测青藏高原云的能力,讨论设计优化的云观测方案,为推进我国云观测技术的发展提供了重要参考依据。     

琼州海峡大雾的实时立体监测

正2018年末,海口市气象局引进的3部激光雷达能见度监测仪在琼州海峡两岸闪亮登场。它们就像三部激光"望远镜",通过发射一定波长的激光束,"扫描"琼州海峡的主要港池和航道,获取其扫描路径上的大气粒子后向散射信息,完成测量大气能见度的任务。与传统单点能见度仪相比,它有高精度、远距离、大范围、可穿透性的特点。它可以穿雾探测,     

BOUNDARY LAYER GROWTH AND LAPSE RATE CHANGES DETERMINED BY LIDAR AND SURFACE HEAT FLUX IN SOFIA*

In this study the results from a boundary layer experiment,conducted in autumn 1991 over a flat,build-up urban area in Southeast Sofia,together with some models for mixed layer growth rates are used to investigate the layered structure of the vertical atmospheric stability distribution in the Sofia Valley.Lidar measurements of aerosol layer heights and morning boundary layer development are combined with surface eddy correlation measurements of kinematic heat and moisture fluxes,profiles of temperature and humidity,wind speed and wind direction.A diagnostic method is presented for determining vertical lapse rates using surface meteorological measurements and lidar returns observed during the transition from nighttime stable stratification to daytime convective boundary layer after the sunrise.     

BOUNDARY LAYER GROWTH AND LAPSE RATE CHANGES DETERMINED BY LIDAR AND SURFACE HEAT FLUX IN SOFIA

In this study the results from a boundary layer experiment,conducted in autumn 1991 over a flat,build-up urbanarea in Southeast Sofia,together with some models for mixed layer growth rates are used to investigate the layered struc-ture of the vertical atmospheric stability distribution in the Sofia Valley.Lidar measurements of aerosol layer heightsand morning boundary layer development are combined with surface eddy correlation measurements of kinematic heatand moisture fluxes,profiles of temperature and humidity,wind speed and wind direction.A diagnostic method is pres-ented for determining vertical lapse rates using surface meteorological measurements and lidar returns observed duringthe transition from nighttime stable stratification to daytime convective boundary layer after the sunrise.     

红外云图的参数化及其与局地降雨的关系探讨

本文从大气探测原理和大气物理的基本概念出发,将地面气象观测资料与红外卫星云图相结合进行参数化估计,得到一些参数化估计结果。初步分析表明,这些参数化估计值与局地降雨有较好的相关关系。     

大气科学类专业毕业生就业意向对气象部门人才招聘工作的启示

大气科学类专业毕业生是全国气象部门补充人才资源、建设气象人才梯队的主要来源。然而,随着气象事业发展的需求以及外部竞争的加剧,气象部门招聘大气科学类专业毕业生面临的压力持续增长。调查研究大气科学类专业毕业生的就业意向,对气象部门提高招聘工作效率和招聘质量有重要意义。     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China-- Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidar remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing,including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China——Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidax remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing，including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

Remote Sensing Of Three-Dimensional Winds With Elastic Lidar: Explanation Of Maximum Cross-Correlation Method

Maximum cross-correlation provides a method to remotely determine highly resolved three-dimensional fields of horizontal winds with elastic lidar throughout large volumes of the planetary boundary layer (PBL). This paper details the technique and shows comparisons between elastic lidar winds, remotely sensed laser Doppler velocimeter (LDV) wind profiles, and radiosonde winds. Radiosonde wind data were acquired at Barcelona, Spain, during the Barcelona Air-Quality Initiative (1992), and the LDV wind data were acquired at Sunland Park, New Mexico (N.M.), during the Border Area Air-Quality Study (1994). Comparisons show good agreement between the different instruments, and demonstrate the method useful for air pollution management at the local/regional scale. Elastic lidar winds could thus offer insight into aerosol and pollution transport within the PBL. Lidar wind fields might also be used to nudge or improve initialization and evaluation of atmospheric meteorological models.     

Atmospheric refractive turbulence effect on diffraction-limited infrared coherent lidar

ＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅＥｆｅｃｔｏｎＤｉｆｒａｃｔｉｏｎ－ＬｉｍｉｔｅｄＩｎｆｒａｒｅｄＣｏｈｅｒｅｎｔＬｉｄａｒ①ＣｈｅｎＷｕｈｅ（陈武喝）,②ＳｉｔｕＤａ（司徒达）ａｎｄＺｈｏｎｇＸｕｂｉｎ（钟旭滨）Ｄｅｐ...     

多旋翼无人机群自主探测大气边界层气象要素的模式分析

深入研究大气边界层气象现象的发生、发展、消散机制,需要获取三维同步气象要素数据,而现有探测技术与手段难以提供.因此,提出利用多旋翼无人机群进行自主探测大气边界层气象要素的探测模式,并就探测模式的背景与意义、特点与优势、流程与可行性,以及需要进一步研究的相关科学问题进行了分析,认为多旋翼无人机群自主探测大气边界层气象要素的探测模式针对性、灵活性、机动性、可操作性强,并具有自主动态同步探测、自主智能追踪探测等功能.     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。