直接测风激光雷达频率跟踪技术及对流层平流层大气风场观测

为了实现高精度连续探测对流层和平流层大气风场,搭建了一台直接测风激光雷达系统对对流层和平流层大气风场进行探测。该系统基于双边缘法布里-珀罗标准具的瑞利散射多普勒测风原理,使用转台式探测结构,通过频率跟踪的手段对频率漂移进行跟踪,确保测风的精度。实验结果表明,该系统对对流层和平流层大气风场探测效果良好,频率跟踪的范围为±50 MHz,可以大大减小频率漂移带来的风速误差。经过系统的稳定运行和长时间的观测,在40 km处测得的径向风速随机误差为8 m/s。径向风速合成为水平风速后,随机误差在38 km处最大为10 m/s左右。该系统白天探测高度为25 km,夜晚探测高度为38 km。与探空数据对比,风速误差均小于10 m/s,其中风速误差在±5 m/s的范围内的数据量约占75.8%,探测的风向误差与探空气球的趋势基本一致,误差范围在10°~20°之间,在15°范围内的数据量约占58.6%。将实测数据与探空数据进行统计分析,结果具有良好的一致性。该系统可以为对流层和平流层大气风场的探测提供数据支撑。

艇载风压计测量平流层大气风场可行性分析

本文提出了一种基于搭载平流层飞行器对平流层大气风场进行原位探测的探测系统,并详细介绍了其工作原理、计算公式和风洞实验结果。实验室测试中,该探测系统的理论测量误差值≤2.5 m/s。在常温下的风洞试验中,该系统表现出了良好的工作性能、系统稳定性和测量准确度。在和实验室的风向、风速对比试验中的相关性均超过了0.99,风速的平均绝对偏差为0.67 m/s,风向的绝对平均偏差为2.4°。2022年,中国气象局气象探测中心利用平流层超压气球搭载该系统在海拔19 km的平流层大气中进行了原位探测试验,对所搭载平台周围的风速和风向进行了探测,并对探测结果进行了比对分析。与平台轨迹算法进行比对结果显示,该系统具有较好的一致性;与NCEP_FNL再分析数据进行比对,显示出东西向风速的相关性较好,达到了0.795,而南北风速的相关性较差,仅为0.33。试验结果表明,在平流层飞行器上搭载该探测系统可以有效地探测平流层大气风场,对于获得平流层大气环境数据集、提供大气环境预报服务、开发平流层浮空器、监测平流层飞行器周围的大气环境、规划飞行路线和区域停留等方面具有巨大的应用潜力。

中高层大气风场对地磁活动的响应特征

统计研究漠河、北京、武汉流星雷达观测到的2012-2018年80~100 km高度的风场数据,比较在地磁平静期(Kp≤2)和地磁扰动期(Kp≥4)的日平均风场数据,得到在地磁活动期风场的变化特征。研究结果表明,在地磁扰动时风场变化具有季节差异和纬度差异。地磁扰动期间,纬向风在较高纬度地区倾向于中间层西风增强,低热层东风增强,纬度较低地区倾向于东风增强。春季,地磁活动对纬向风的影响没有纬度差异,在夏冬季随着纬度的降低中间层东风增强明显。地磁活动对经向风的影响具有季节差异,对春冬季节的影响强于夏秋季节。研究表明,地磁活动对纬向风的影响可达9 m·s^(-1)左右,对经向风的影响可达5 m·s^(-1)左右。地磁活动对中性大气风场的影响可达80 km。

中高层大气风场和温度场星载探测技术研究进展

中高层大气风场和温度场是重要的大气基本参数,其全球高精度测量具有广泛的应用前景,探测需求日趋强烈.干涉光谱仪由于其多通道、高通量和高光谱分辨率等优点而成为本项目的首选.目前被成功应用的干涉式测风/测温仪器主要有Fabry-Perot干涉仪和广角Michelson干涉仪两大类.本文对干涉光谱仪用于中高层大气风场和温度场探测的发展状况进行了分析,同时比较了几种干涉仪测风和测温的可行性及优缺点,为中国开展中高层大气风场和温度场星载探测打下基础.

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.

卫星遥感探测上层大气风场的关键技术研究进展

对卫星遥感探测上层大气风场的原理作了简介,综述了近年来探测大气风场所使用的基于多普勒频移和广角迈克尔逊干涉仪的WINDII、SWIFT、MIMI、WAMI、PAMI、ERWIN、DYNAMO的关键技术,包括WINDII的步进技术、SWIFT的红外辐射探测、WAMI的镜子四分技术、MIMI的6视场探测技术、PAMI的偏振态探测技术及火星大气探测的DYNAMO等关键技术,将这7种仪器的技术指标作了对比。文中提供了某些技术指标的来源公式,如大气风场探测器的两视场延迟时间、CCD阵列对地探测精度等公式的计算结果与实际符合得很好,最后对这类仪器的发展方向作了预测。

利用全相关分析方法确定大气风场

近年来 ,雷达在风场探测领域起了越来越重要的作用 ,与传统的放气球的测风方法相比 ,它具有方便、经济、实时性好、可以连续观测等优点。本文讨论了分布天线机制测风雷达的全相关分析方法的原理 ,并用C语言编写了全相关分析方法的程序 ,得到了大气水平风场 ,与武汉中频雷达原装软件的分析数据进行了比对 。

大气风场探测星载干涉光谱技术进展综述

综述了被动光学遥感国外星载大气风场探测干涉光谱技术的研究进展。阐述了Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、多普勒差分干涉仪及其相应的探测原理,其中从单视场发展到双视场、四视场临边扫描。比较了不同技术体制特点和局限。介绍了国外广角迈克尔逊多普勒成像干涉仪(WAMDII)、高分辨率多普勒成像仪(HRDI)、多普勒干涉仪(TIDI)等的特点、性能指标及其应用。分析了研制中二维空间转台、光纤视场合成技术、窄带滤光片工艺水平等关键技术。归纳了性能指标中测风精度提高、探测范围扩大、视场增大等进展;数据应用中由反演风速、温度和辐射率数据向探测重力波、成分密度、气辉和极光发射率、夜光云和离子流密度等动力学和热力学参数,大气有效反射率,气溶胶相位函数和散射系数等的转变。展望了技术的发展趋势。

星载超广角改形Sagnac干涉仪的自推扫探测大气风场

用卫星运动的自推扫方式即入射角的变化探测上层大气风场,探测全视场达4．5°．利用自行设计的超广角改形Sagnac干涉仪光程差公式和Doppler频移导出“四强度法”探测风场的模式,通过卫星自推扫所致入射角的4个步进值,变换成卫星的4次飞行时刻步进实现“四强度法”的风场探测．设计出超广角改形Sagnac干涉仪的结构尺寸后,通过实例论证了利用超广角改形Sagnac干涉仪,对OH(或O_2)732．0 nm极光,只要CCD照相机在9 s曝光时间内,通过卫星的4个飞行时刻3．4938,5．5848,7．3130和8．4724 s所探测的4个极光强度值,就能获得高度为600km距卫星1500km处的大气风场．

风廓线雷达大气风场观测误差分析

依据风廓线雷达工作原理和风的计算公式,分析影响大气风场观测误差的主要因素,重点分析了雷达回波SNR对风的观测精度影响和GPS探空对比试验。结果表明:①风速观测精度主要取决于波束倾角、雷达技术参数和大气折射率结构常数C2n的垂直分布;风速及风速观测精度越大,风向观测精度越大。②在同种观测模式下,波束倾角与C2n越大,风场观测精度越高。③同一观测模式的SNR越大,风速观测误差越小;不同模式间的大气风场观测精度相差较大。④对比试验的风速风向相关性较好,但相对偏差较大,尤其低空更为明显。

大气风场和温度场星载探测光谱仪的星上定标技术

大气风场和温度场是重要的大气基本参数,由于应用领域广泛,其探测技术在很多国家已发展成熟,中国对该探测技术的需求也日趋强烈。大气风场和温度场测量是利用高精度的光谱仪,通过测量大气中特征谱线的多普勒频移和展宽,来确定大气的温度分布场和风向风速场。星上定标技术是大气风场和温度场星载探测光谱仪进行高精度测量的基本保障。文中就几种重要的大气风场和温度场探测光谱仪的星上定标技术进行分析和总结,为大气风场和温度场探测技术发展提供参考,打下基础。

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250 km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s^(-1).

利用GPS定位信息遥感大气风场的研究

介绍了GPS测风系统的构成、GPS接收机的性能指标和从GPS定位信息反演大气风场的方法,GPS接收机的性能指标与反演的风场数据的精度和可靠性关系密切。为了验证GPS测风技术的可靠性,进行了和风廓线仪、Vaisala探空的对比实验,结果表明:GPS探空和风廓线仪及Vaisala气球测风的结果相关性都很好,风速、风向廓线较为接近,但GPS测得的风速平均值比风廓线仪和Vaisala的测量结果均偏大。进一步分析了GPS测风产生偏差的原因,对误差做出合理的订正十分必要。

双多普勒天气雷达联合探测大气风场技术进展

本文详细总结了目前国内外关于双多普勒天气雷达联合探测大气风场的技术和发展动态 ,阐述了双多普勒天气雷达联合探测大气风场技术方法的发展进程和几种探测方法的优缺点。从中可以了解到目前双多普勒天气雷达联合探测大气风场的最新技术———综合和连续调整技术。

首个星载全球大气风场激光雷达成功发射

2018年8月22日,欧洲航天局的大气动力学任务-风神（ADMAeolus）卫星搭载“织女星”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空,顺利进入轨道。该卫星首次实现从太空对全球大气风场进行三维观测,获取对流层和较低平流层的垂直风廓线图,所提供的数据有助于科学家进一步完善目前已知的大气特征参数,提高建模和地球大气分析的技术水平,增强对大气动力学和气候过程的了解,为提高天气预报质量和气候学研究做出直接贡献.

大气风场和温度测量的激光雷达系统及其分析

文中提出了改进的双通道Fabry Perot(F -P)干涉仪大气风场和温度测量激光雷达系统。该系统采用偏振隔离技术 ,提高了Rayleigh散射信号光强的利用率 ,从而提高了系统的测量精度。通过对系统的数值模拟计算 ,结果表明 :风速和温度的测量精度在 30km高度分别达到 1.5m/s和 1.8K ,与过去的系统相比测量误差分别降低了近 4 0 %和 30 %。

利用可移式多普勒激光雷达测量大气风场

小型可移动式(车载)非相干多普勒测风激光雷达,用于大气边界层和对流层中下层大气风场、湍流及气溶胶的监测与预报研究,并且满足气象业务化应用的要求。可以对晴空三维风场进行高时空分辨率的测量。探测参数包括径向风速和散射强度(气溶胶浓度),并能为用户提供多种标准数据产品。

铀矿山下垫面粗糙度对大气风场影响的数值模拟研究

以某实际铀矿山为对象,运用CFD方法,基于N-S方程建立三维大气风场的物理模型,研究三种下垫面粗糙度下(z=0.1 m,z=0.5 m,z=1.0 m)的大气风场结构.结果显示,随着粗糙度增大,近地面风场速度变化达到19%;随着高度上升,大约在200 m后,粗糙度影响减弱,风场等值线趋于平稳;风场流速越大,近壁面处粗糙度对风场的阻碍作用越明显.在粗糙度较大(z≥0.5 m)情况下,可适当通过提高污染物排放高度来加强大气的输运能力,以缓解局部地区的污染.

高层大气风场测量中干涉图强度测量方法的比较

本文分析了高层大气风场被动测量的基本理论,重点分析了干涉图强度测量的几种比较方法,给出了各种方法的优缺点。此分析讨论对高层大气风场测量仪器设计具有参考意义。

桂北铅锌尾矿库尾砂颗粒的大气风场数值模拟研究

以平地型铅锌尾矿库尾砂颗粒为研究对象,基于离散型随机轨道模型,数值模拟不同粒径尾砂颗粒在不同风速下的迁移路径和沉积距离。研究结果表明,风速对尾矿颗粒的运动轨迹有着明显的影响。当风速为0.5m/s时,50μm尾砂迁移距离较短,无法到达计算域口;而当风速增大为2.0m/s和3.5m/s时,尾砂颗粒迁移至计算域出口的时间随之缩短,分别为2 100s和1 230s。尾砂粒径对尾砂的污染距离也有明显的影响。当风速为3.5m/s时,粒径为100μm和150μm的尾砂颗粒在距尾矿库下风向大约1 500m和800m处完全沉积,而粒径为50μm的小粒径尾砂颗粒能迁移至尾矿坝下游3 000m以外。