小尺度重力波引起夜光云反照率变化的统计特征

利用AIM卫星搭载的CIPS云成像探测器获得的云图数据,提取2008-2009年南北半球共6664个小尺度重力波(波长10~150 km)个例,通过重力波区域与背景云层反照率变化值的对比分析,研究重力波引起云层反照率的变化特征.结果表明,重力波引起的反照率变化值以正值为主,最大平均值4.48×10^(-6)sr^(-1)出现在南半球降交轨道.反照率变化值与IWC变化值正相关,相关系数均在0.85以上.重力波引起的反照率变化呈现出很强的纬度和时间依赖性,且几乎均为正值.反照率变化值在中期阶段(冬/夏至日之后的50天)的高纬地区(>70°)更大,但在中期以外始末阶段的低纬地区(<70°)逐渐变小,甚至开始出现负值.随着背景云层的增强,反照率平均值呈线性增大,小尺度重力波能够引起背景云层反照率约14.6%~28.8%的变化量.当重力波引起的反照率周期性变化的振幅逐渐增大时,反照率变化值也线性增大,变化率约为0.909%~1.194%.南半球的变化率整体比北半球稍小。

磁镜阵列像增强器的调制传递函数研究

基于三代近贴式像增强器,设计了磁镜阵列装置的结构,从理论上计算了该装置的调制传递函数以及将其引入像增强器后整体的调制传递函数,以此来分析对成像质量的影响.通过对实际参量绘制的调制传递函数曲线分析,得出磁镜阵列装置在X、Y方向的极限分辨率分别为117lp/mm、121lp/mm,奈奎斯特频率处的调制传递函数值分别为0.55、0.59,同时磁镜阵列像增强器的极限分辨率也分别达到了87lp/mm、89lp/mm,相应的奈奎斯特频率处的调制传递函数值为0.49和0.52.结果表明X和Y方向的调制传递函数曲线之间差异较之磁镜阵列装置变小,这对保证成像质量起到了积极的作用.文章为进一步深入研究磁镜阵列像增强器提供了重要的理论依据.

基于激光云高仪的雾霾过程探测

利用激光云高仪数据资料,得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度,结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据,综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大,静、小风有利于霾的出现,较高的相对湿度有利于雾霾共存,并且对能见度产生较大影响;雾后向散射强度较大,后向散射系数在垂直方向变化率大,出现高度较低;霾后向散射强度较小,霾空间分布均匀,后向散射系数垂直变化小,出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度,所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反,与风速日变化趋势基本一致;分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现,雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布,与雾和霾的边界特征相对应.

云空间分布的扫描激光雷达观测

激光雷达在云观测中起着非常重要的作用,是云遥感探测的主要仪器之一。目前,激光雷达大都是固定指向天顶角或者某个角度,对云分布的取样有限。本文建立用于云观测的扫描激光雷达,该系统使用小型固态激光器背负于接收望远镜上,望远镜固定于三维扫描平台,整个系统可以工作于不同的扫描模式以实现全天空云的监测。通过利用该扫描激光雷达对云的分布进行测量,并与已有激光雷达观测数据的对比,结果表明,与传统激光雷达相比扫描激光雷达能够精细的描述出云高和云光学厚度的空间分布,体现了扫描测量激光雷达在云探测方面的优势。

气象万千探本索源——南京信息工程大学“大气探测学科”发展历程回顾与展望

大气探测学科是大气科学学科重要的核心学科分支之一。我校大气探测学科从1973年创建至今,经47年的风雨征程,几代人的努力与执着,历经重组和调整,始终围绕学校发展目标,将专业建设与国家需求紧密接合,不断探索和加强人才培养、师资建设和提升科研水平,建立了特色鲜明的学科体系,为学校和中国气象事业的发展做出了重要贡献。本文概略介绍了大气探测学科内涵和我校大气探测学科概况,从初始建立、改革发展、发展提升等三个阶段描述学科沿革拓展、师资队伍壮大、实习实验设备、课程教材建设、基础理论技术研究、气象系统开发、学科建设成果及未来发展规划等。

地基气辉成像干涉仪探测高层大气风场的定标研究

我们研制的地基气辉成像干涉仪(ground based airglow imaging interferometer,GBAⅡ)样机成功地探测了地球上空90—100 km的大气风速和温度.为了提高GBAⅡ的探测精度,本文研究GBAⅡ所拍摄的成像干涉条纹的定标:对干涉条纹中心位置定标、电荷耦合器(CCD)暗噪声和平场定标、整个光学系统衰减系数定标、步进步长定标、光程差随入射角变化量定标、仪器响应度定标和零风速相位定标等理论和实验进行了研究.利用最小二乘法对GBAⅡ拍摄的30幅成像干涉图的圆心坐标定标在CCD(123.3,121.1)像素位置;利用632.8 nm激光获得GBAⅡ所用CCD的平场定标系数矩阵,分别得到平场前后的干涉图并检测出CCD的噪声和坏点;利用GBAⅡ获得图像的边缘亮环相位与中心亮斑相位的差值对入射角10.24°时,光程差相对0°入射角时变化了0.356个条纹;拍摄200幅成像干涉图的实验离散点进行正弦拟合后的均方根标准偏差达90.34%,该完整干涉条纹的步进间隔为4.06 nm,对应步进相位为0.0094π;针对正演公式中GBAⅡ的系统衰减系数对所拍摄的原始干涉图利用IDL编程得到光学系统衰减系数的多项式,拟合的均方根标准偏差达99.98%;采用632.8 nm激光作光源,简化了GBAⅡ的响应度表达式,通过实验得其响应度为4.97×10^(-3)counts·(Rayleigh·s)^(-1);针对GBAⅡ室外观测,给出零风速定标的矩阵表达式后,对532.0 nm和632.8 nm激光的对应零风速相位分别为-9.2442°和-68.6353°.本文提供了多种定标方法,并逐一通过实验进行验证,为国内被动遥感探测高层大气风场提供了强有力的实验支持.

瑞利激光雷达探测南京上空平流层大气温度

为了解平流层大气温度变化规律,利用瑞利-拉曼-米散射激光雷达对南京上空平流层温度进行长期观测,对观测数据的分析表明:夜晚平流层温度受到重力波的影响,重力波破碎会导致局部温度升高,温度相对变化可以达到12%;在季节变化的过渡月份(4月和10月),平流层中低层温度会有所升高,对应的平流层高层温度降低;平流层温度月变化方面,除局部由于行星星际波的影响外,各月份平流层温度整体上相对比较稳定,激光雷达所测大气温度与大气模式温度具有一定的差别。最后,利用平流层温度廓线提取了重力波信息。

激光雷达和毫米波雷达的卷云微物理特性的联合反演方法

联合激光雷达和毫米波雷达对卷云观测可以得到更全面的卷云特性信息,是卷云观测的一种发展趋势。使用美国大气辐射观测(Atmospheric Radiation Measurement,ARM)计划中卷云观测数据,将激光雷达和毫米波雷达反演的云边界信息相结合,得到更为准确的卷云边界信息。提出卷云微物理特性的激光雷达和毫米波雷达联合反演算法,该联合反演算法能在激光雷达不能穿透或毫米波不能识别卷云的情况下,反演出整个卷云的冰水含量、光学厚度。使用联合反演算法对一次卷云过程进行反演,其中激光不能穿透的区域冰水路径含量反演精度提高24%,毫米波雷达无法识别的区域冰水路径含量反演精度提高48%。在正确反演冰水含量的基础上,利用冰水含量、粒径分布与光学厚度的关系得到卷云过程的光学厚度,克服了由于卷云对激光雷达强衰减导致的光学厚度观测的困难。

一种新型云粒子探测仪的研制及初步观测结果分析(英文)

云粒子探测仪效率高、结构简单,在人工影响天气的活动中起着重要的作用.本文提出一种使用单模光纤耦合输出的685nm激光作为光源的新型云粒子探测仪.该仪器利用小孔光阑切割激光光束,使用相对均匀的中央部分的光束照亮云滴,采用具有两个高速A/D转换芯片(10M/S)的嵌入式计算机来不断地获取和处理云滴粒子信号,将所有云滴的原始数据存储在嵌入式计算机的固态磁盘中进行云滴粒径分布计算,并将计算结果发送到机舱内主计算机中即时显示.实验中,使用固定尺寸的标准粒子对仪器进行标定,获得不同直径云滴粒子信号变化幅度,从而获取该探测仪对云滴粒子的响应曲线;将探头安装在飞机上进行了现场观测实验,结果表明这种探头具有云滴测量能力.

基于光强选通成像的液晶透过谱研究

为了更好地将液晶器件应用于选通成像系统中,从理论上推导出了液晶器件透过率与波长、折射率、电压之间的关系。从双折射率与光强的关系定量分析了扭曲向列相液晶的色散效应。用光栅光谱仪选择380～1100nm波段,以SONY公司LCX023CMT型号的TFT-LCD为样品,测试了液晶器件在不同灰度级和波长下的透射率。研究结果表明:液晶器件在可见光波段色散较小,随着灰度值的增加,色散增大;通过自制的光强局部选通成像系统对同一物体进行了对比拍摄,选通后的照片表明液晶器件的色散对成像质量影响不大;该液晶器件对红外光线有近12%的透过率,证明其可以实现近红外波段的强光局部选通成像。

夜光云内小尺度重力波对冰晶粒径谱的影响规律研究

本文利用AIM卫星搭载的CIPS云图反照率和冰晶粒径数据,从中提取了2007/08南半球和2008年北半球共6489个小尺度重力波活动（波长5~150km范围）个例,对重力波区域与背景云层冰晶粒径谱进行对比分析,从而研究重力波对冰晶平均半径和谱宽的影响规律.结果表明,北半球重力波区域冰晶的平均半径和谱宽分别比背景云层小2.5nm和6.1nm,南半球则分别减小1.1nm和7.9nm.在随纬度的分布上,小于80°时,南北半球的平均半径扰动值均为负值,绝对值随纬度增大而减小,而大于80°时,负扰动转变为正扰动,且绝对值增加;谱宽扰动的绝对值也随着纬度增加而减小,但均为负值.在季节内随时间的分布上,南北半球重力波对冰晶平均半径和谱宽的扰动在始末阶段以负值为主,且绝对值较大,而在中期阶段正负值相当,且绝对值较小.这一特征与重力波引起冰晶粒径变化的振幅在纬度和时间上的分布趋势一致.重力波的波长均随纬度升高而减小,在季节的始末阶段较大,中期小,且南半球的平均波长和变化幅度都要明显大于北半球的,粒径扰动振幅随波长的变化率为南半球0.207nm·km-1,北半球的0.163nm·km-1.根据分析推断,重力波自身的扰动振幅应与其影响区域内的谱参数相对于背景云层的变化量有直接关系,且振幅越大,平均半径和谱宽的负扰动就越大.

光强局部选通成像器中光锥耦合技术研究

为了实现景物在强光照射下能够分辨图像的细节,在液晶的光强局部选通成像器中,使用光锥将TFT-LCD液晶耦合到CCD相机上以实现图像的实时传递。通过理论分析和计算,采用光锥耦合获得的耦合效率为14.24%,而透镜耦合则只有1.83%,由前者耦合后构成的局部选通系统,其调制传递函数曲线中奈奎斯特频率为0.518,极限分辨率为34 lp/mm,由此制作的器件,在对高照度下图像的细节分辨,明显高于透镜耦合的器件。分析了造成该系统MTF下降的因素,并提出了进一步改善MTF的技术措施。

屋顶绿化对城市降温效应的模拟分析——以南京市为例

利用WRF模式耦合单层城市冠层模式,针对屋顶绿化对城市降温效果进行了模拟,结果表明:(1)南京夏季绿化后的屋顶反照率约为0.15,较水泥及其他反光材料的反照率略小,在白天可造成约0.2℃的升温。(2)绿化后的屋顶热容量明显增加,可使白天气温下降0.33℃;在夜间,可使气温升高0.21℃左右。(3)在植被阻挡作用及土壤层阻挡作用下,屋顶的导热率降低。在白天,净辐射能很难向下层传递,从而转化为感热加热大气,造成气温升高。(4)土壤湿度的改变使更多净辐射能转化为潜热释放。在白天可使温度降低1.23℃;在夜间,平均降温幅度为0.44℃。除此之外,模拟不同季节的统计结果表明,屋顶绿化降温效果在夏季最为明显,最大降幅可达1.22℃,春季0.96℃,秋季0.75℃,冬季只有0.38℃。

三维有云大气辐射变温率数值模拟研究--邻云辐射效应

大气数值模式普遍采用一维辐射传输模型,无法表征有云大气中的三维辐射传输过程,从而影响数值模拟乃至数值天气预报的准确性。为评估这种不确定性,研究了水平云体间的三维辐射相互作用及其改变云体热力结构的规律,力求为改进数值模式辐射计算方案提供理论依据。选取I3RC PhaseⅡ的典型积云场和层积云场作为试验对象,将云场中心区域云体视为目标云体,周围云体为邻近云体,采用宽带三维辐射传输模式SHDOM模拟长波和短波辐射变温率的空间分布,定量阐明邻近云体对目标云体热力结构的影响。结果表明,邻云在长波区域对目标云体主要起辐射保温的作用,目标云体增温区域集中于邻云一侧的云体表面层,增温强度与云覆盖率和云间距离倒数成正比,最高可达3.08K/h,云体增温的厚度与目标云体液态水含量成反比;在短波区域,邻云同时起散射增温和遮蔽降温的作用,太阳垂直入射时,散射增温效应较弱,变温率空间差异小;当太阳天顶角增大后,遮蔽降温效应逐步起主导作用,造成目标云体被邻云遮挡一侧的表面层明显降温,峰值可达-1.72K/h,数值上甚至超过邻云长波增温效应。总之,邻近云体可以明显改变目标云体的变温率空间分布,引入三维邻云辐射效应对改进大气数值模式辐射计算方案具有重要意义。

基于O2(0-1)谱带反演气辉层转动温度的研究

中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere,MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域,也是中高层大气中一个重要的耦合区域。基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer,MASP),对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。MASP的整个探测系统包括光阑、消色差双胶合透镜、窄带干涉滤光片、镜头、制冷CCD探测器,元件之间通过黑色氧化铝套筒连接,利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。外壳具有良好的隔热性能,并配有低功率半导体TEC空调,保证恒温在(23±0.5)℃。MASP的视场角为±13.6°,探测高度为94 km左右,观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km,探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。基于仪器的光学原理、气辉O 2(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数,构建了正演模型,并从正演图像中计算出了合成光谱。给出了反演算法的详细流程,包括暗噪声、宇宙射线、月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法,同时提供了实际观测合成光谱的计算方法,温度反演流程及其误差的评估。2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测,目前已经获得多组高质量的数据。文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例,以及2018年10月间13组有效数据的平均值,其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间,误差范围在±1.8~±4.3 K之间。通过与MSISE00经验模型的数据进行对比,温度趋势具有良好的一致性,从而验证了反演方法的有效性和准确性。MASP结构紧凑,性能稳定,后期易于维护,适用于多台站组网观测。

雷暴激发的环状重力波在中高层大气中的传播特征

本文使用中国科学院国家空间科学中心——子午工程朔州观测站的全天空气辉成像数据,以及FY-2气象卫星云顶亮温数据(Black Body Temperature,TBB),气象再分析数据和地闪数据,研究了2013年8月10日(LT)发生在内蒙古地区的雷暴活动激发的中高层环状重力波(Concentric Gravity Waves,CGWs)事件.根据最小二乘法的拟合结果和色散关系理论曲线,确定了激发中高层环状重力波的强对流系统,该对流中心位于内蒙古自治区中部(108.9°E,40.47°N),重力波激发于雷暴初期,此时TBB低于220K的深对流面积较小,随着时间的推移,该次雷暴活动越来越强,深对流面积在23∶00达到最大,在23∶30—24∶00LT时闪电频数最高,达到120.7fl/min,随后深对流逐渐消散.在中高层87km处OH(羟基)气辉层观测到的一次CGWs事件的两组波纹,分别沿水平方向传播了149.64km和174.25km,相应位置处的水平波长分别为12.67km和16.75km,周期分别为8.56 min和10.72min,激发时间分别为19∶34LT和19∶40LT;随着水平传播距离的增加,CGWs水平波长增大.

基于液晶局部选通系统的硬件算法的研究

鉴于CCD相机在强光照射时会产生光晕,CCD敏感面像素之间互相影响,进而导致成像模糊不清,提出一种克服光晕现象的像质增强算法。利用HTPS(高温聚硅)液晶具有可实时控制各像素光透过率的特性,使液晶和主CCD由光纤光锥进行像素一对一耦合。用Cyclone II芯片作为图像处理单元,测光CCD采集图像信息,控制液晶改善图像质量。实验结果表明,该系统能够精确控制HTPS液晶上每个像素的透过率,使CCD相机能在强光下正常成像,其灰度分辨能力提高了1倍,从而提高了图像的清晰度。

星载毫米波雷达衰减估计仿真及敏感性分析

星载毫米波雷达衰减严重,而不同云降水类型中所包含的云雨粒子微物理特性差异较大,其所造成的衰减影响差异也很明显。基于WRF模式模拟的不同云降水场景,利用星载毫米波雷达模拟器仿真得到衰减后的回波,并对云中粒子的衰减特性进行敏感性分析,说明引起衰减不确定性的重要影响因素。结果表明,仿真得到的衰减后回波与云廓线雷达(CPR)实测回波一致性较好,回波结构和强度近似,平均反射率因子廓线差异均在20%以内,衰减估计结果可靠有效。通过对衰减系数(K)进行敏感性分析发现,云雨粒子均对粒子谱分布中的含水量(W)最为敏感,中值体积直径(D_(0))的影响也较大,其变化可能引起雨滴衰减系数的平均相对误差达25%左右;雪和霰受密度参数(a、b)的影响大于斜率参数(Λ),a引起的不确定性在25%以内。在相同滴谱参数的情况下,冰态和液态造成衰减系数的差异达90%左右。考虑到衰减对相态的高度敏感性,将基于相态分类的K-W关系应用于CPR实测个例衰减订正中,订正后的回波与波段校正后的星载双频测雨雷达(DPR)Ka波段探测回波强度接近,衰减订正的不确定性主要来自于液水含量反演结果与实际情况的差异。

中间层气辉光谱光度计高精度温度反演算法研究与验证

基于光度学技术的气辉光谱探测仪器结构简洁、稳定性高,有望成为我国中高层大气温度组网观测的主力设备,为研究全球临近空间的温度分布和变化提供有力手段.但此类仪器容易受到自身差异性、观测环境条件等多因素影响,会带来组网观测时的数据一致性问题.针对这一问题,本文基于课题组研发的气辉光谱光度计(the Mesospheric Airglow Spectrum Photometer,MASP),建立了一套多参数迭代反演算法(Multiple-parameter Iterative Inversion,MPII).该算法对图像圆心进行精准定位,并对图像畸变进行矫正,从而获得精确的实际观测合成光谱.综合考虑了天空杂散光、大气温度、滤光片温度、光学系统焦距和合成光谱调制度5个可变参数.反演温度的精确度相较于传统方法有显著提升.为验证反演算法的有效性和准确性,本文利用MASP与中国科学院国家空间科学中心研制的钠荧光多普勒激光雷达进行主被动遥感联合对比观测.基于钠荧光多普勒激光雷达观测温度,通过剔除大气背景辐射进行数据修正,并根据MPII算法进行温度反演.研究结果表明,相比于传统算法,MPII算法计算的反演温度与钠荧光多普勒激光雷达具有更好的一致性.

一维最大概率法反演夜光云散射系数廓线的研究

介绍了最大概率法的数学原理及迭代方程的使用过程,以卫星遥感观测的夜光云数据为例,阐述了最大概率法在实例中的使用方法,并反演得到了夜光云体散射比廓线及散射系数廓线。与传统洋葱剥皮法的反演结果进行对比,结果表明:最大概率法的结果几乎没有失真现象,但洋葱剥皮法得到的散射比存在严重的失真现象。其根本原因在于传统方法假设夜光云体散射强度值在大气层结中为均匀分布,而最大概率法则假设体散射强度值在层结中可以在一定的变化范围内呈现不均匀的分布,后者的假设更符合夜光云这类短时间内可能会出现大幅值空间分布变化的自然现象。