基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测,结合最优估计法,对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型,选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息,构建用于最优化处理的成本函数,利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理,得到大气温度的反演结果,对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析,对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明,90 km以下的反演不确定度在10 K以内,且相较于CH方法,最优估计法具有反演有效范围高的优势;在回波光子信噪比较高的区域,反演不确定度较小,且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。

利用小波降噪的瑞利激光雷达平流层温度反演

介绍了瑞利-拉曼-米散射激光雷达的基本结构与瑞利散射温度反演原理,通过分析对比获得了适合瑞利散射信号的小波分解层数及阈值选取规则,并分别使用小波硬阈值法与软阈值法对信号进行处理,相比而言软阈值法具有更好的降噪效果。利用上述算法反演出南京上空平流层28~46km的温度廓线,将结果与MSISE-90大气模式及AIRS卫星数据进行比对,均表现较好的一致性,验证了小波降噪在瑞利激光雷达温度反演算法中的可靠性。在算法研究的基础上,反演了2009年12月19日19时20分至20时20分连续观测的数据,表明在短时间内平流层温度总体趋势稳定;并对2009年10月至12月的观测数据进行分析处理,得到南京上空平流层月平均温度廓线,表明南京上空的平流层温度在冬季变化不明显。

利用瑞利激光雷达观测北京地区上平流层地形重力波活动

本文利用中国科学院空间科学与应用研究中心的瑞利激光雷达首次观测到了平流层地形重力波活动的现象,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数.与惯性重力波相比较,地形重力波的密度扰动没有下传的相位,在同一高度上,其扰动相位保持不变.北京空间科学与应用研究中心瑞利激光雷达自2012年开始观测实验以来,已经观测到多起地形重力波活动事件.本文以2013年11月11日的观测数据为例,研究北京上空的地形重力波活动,并结合GFS风场数据分析了北京上平流层地形重力波的波长、传播方向、传播速度等参量.通过分析得到在2013年11月11日北京上空存在一列传播方向为北偏西52.4°,水平波长为5.5km,平均垂直波长约为6.0km的地形重力波.

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。

瑞利激光雷达探测北京上空中间层低逆温层

利用延庆瑞利激光雷达(40.47°N,115.97°E)2012年1-2月及2012年5月至2013年4月的探测数据,分析得到北京上空60~80 km高度140个晚间的温度廓线,对这一区域内的低中间层逆温层现象(Lower Mesospheric Inversion Layer,Lower MIL)进行了统计分析,发现平均逆温幅度为23.4 K,平均垂直尺度为4.78 km,逆温层底部平均高度为68.2 km.约有2/3的逆温层存在随时间垂直传播现象,且大多为向下传播.此外,还观测到三个垂直传播速度相差近一倍的特殊双低层MIL演化现象.

利用瑞利激光雷达和无线电探空仪观测数据对武汉上空重力波特性的研究

本文利用武汉大学的瑞利激光雷达的瑞利散射回波数据（30～65km）来研究武汉地区上空（30．5°N，114．4°E）重力波的活动规律和统计特性．通过对2003年12月到2005年3月观测的200h数据反演的密度进行处理分析，得到了重力波的一些个例特征，并提取垂直波长为2km以上的重力波进行统计分析．结果表明，最可几的垂直波长是3．4km和17．20km，重力波振幅的月平均值在冬季有较大值，夏季值较小．与武汉2004年无线电探空仪的密度扰动提取到的重力波做比较，发现与瑞利激光雷达得到的重力波振幅的月平均值有很强的相关性，也是冬季值比较大，夏季值比较小．通过无线电探空仪的风场数据，本文还得到了急流的季节变化规律、最大风剪切年变化规律，发现急流和最大风剪切与激光雷达的重力波统计结果有很强的相关性．

基于瑞利激光雷达对格尔木中间层大气密度的探测研究

2013年8月到2015年10月，利用MARMOT激光雷达对青海格尔木（36．25°N，94．54°E）上空50～90km高度的中间层大气密度进行了探测。利用TIMED／SABER卫星在50km高度探测的大气密度作为参考数据，提出了一种瑞利激光雷达探测大气密度的改进算法。结果表明，在中间层高度范围内，激光雷达的大气密度探测结果与TIMED／SABER卫星数据的一致性较好，二者的结果基本均低于MSIS-00模式值，尤其在冬季75～90km高度存在较大偏差。

基于瑞利激光雷达对格尔木中间层大气密度的探测研究(英文)

2013年8月到2015年10月,利用MARMOT激光雷达对青海格尔木(36.25°N,94.54°E)上空50~90 km高度的中间层大气密度进行了探测。利用TIMED/SABER卫星在50 km高度探测的大气密度作为参考数据,提出了一种瑞利激光雷达探测大气密度的改进算法。结果表明,在中间层高度范围内,激光雷达的大气密度探测结果与TIMED/SABER卫星数据的一致性较好,二者的结果基本均低于MSIS-00模式值,尤其在冬季75~90 km高度存在较大偏差。

用瑞利激光雷达16年观测数据分析合肥地区大气密度分布特征（英文）

介绍了L625瑞利激光雷达系统结构以及基于瑞利散射理论探测大气分子数密度的原理．提出了反复迭代修正大气透过率的计算方法，并通过模拟仿真验证了该算法的可靠性．通过误差分析得到影响大气分子密度不确定度的主要因素为回波信号信噪比以及参考点处大气分子数密度值，给出了回波信号误差产生的主要来源以及参考点选取方法．最后，分析了激光雷达16年观测数据反演的结果，得到合肥地区大气分子数密度的月份以及年份分布状况，结果表明：中层大气分子数密度分布呈现明显的季节性分布特征，冬季分布稀疏，夏季分布密集，随年份分布则较为平稳．通过将统计平均得到的密度廓线与1976美国标准大气模式比对分析，发现由激光雷达观测反演得到的结果较模式值大，二者的比值在1．05～1．13之间．

瑞利激光雷达反演中层大气温度算法

瑞利激光雷达是探测中层大气温度的重要设备,具有高时空分辨率且不存在探测盲区的优点.为充分利用激光雷达探测到的原始数据,改进了传统的Chanin-Haunchecorne方法,采用由均匀搜索生成温度初值的方式反演大气温度.位于北京延庆(40.3°N, 116.2°E)的瑞利激光雷达具有589 nm和532nm两个通道,将589nm通道用于计算,532nm通道作为参考.在150～250K区间等间隔选取多个温度初值,利用589nm通道反演60～70km高度范围内的大气温度廓线和大气密度廓线,利用参考密度廓线选取准确的温度初值,反演得到准确的大气温度廓线.将589 nm通道和532 nm通道反演的温度廓线相比较,发现二者具有较高的一致性.改进后的方法有效利用了信噪比较差的光信号,使589 nm通道的温度探测上限从60 km提高到70 km.

通过瑞利激光雷达观测研究武汉上空中层大气(30-60km)的稳定性

利用WIPM瑞利激光雷达大约一年的观测数据, 对武汉上空30～60 km高度段的中层大气的稳定性进行了初步研究. 通过激光雷达探测的中层大气温度分布, 计算了表征大气稳定性的参数浮力频率N2, 发现30～60 km高度段的N2均大于零值, 但呈现出有规则的近似半年振荡, 表明武汉上空中层大气在全年均处于基本稳定的状态, 但其稳定程度在一年中随季节呈现出周期变化: 夏季和冬季大气的稳定性较差, 而春季和秋季大气稳定性较好.

用于大气温度廓线测量的瑞利-拉曼激光雷达

大气温度廓线及其时间演变特征资料在地球科学领域具有重要的应用,为获取高时空分辨的大气温度的垂直分布,建立了瑞利-拉曼温度测量激光雷达。介绍了瑞利-拉曼激光雷达进行温度测量的主要原理和研制的瑞利-拉曼激光雷达的主要参数;数据处理方面,通过背景噪声剔除和小波算法降噪提高系统的信噪比;使用研制的激光雷达对大气温度廓线进行观测,将观测结果与大气模式数据和卫星观测结果进行对比,均显示较好的一致性,证明了激光雷达温度测量结果的准确性,其温度测量数据可以用于气象学研究。

南极中山站瑞利散射激光雷达的初步探测结果

一套瑞利散射激光雷达已部署在南极中山站(69.4°S,76.4°E)用于探测大气密度和温度。该激光雷达的光源为二倍频Nd:YAG脉冲激光器,重复频率30 Hz,单脉冲能量约400 mJ,同时使用一台0.8 m口径的垂直指向望远镜作为接收望远镜,可以探测平流层上层及中间层下层(USLM)区域的大气密度及温度廓线。在垂直分辨率为300 m,时间分辨率为30 min的情况下,由光子噪声引起的大气密度和温度测量不确定性分别小于1.5%和1 K。该激光雷达自2020年3月开始在中山站开展常规观测,有助于研究极区USLM区域的大气密度、温度的变化特征以及大气波动的传播特性。

瑞利散射激光雷达强光感生噪声修正的新方法及大气温度探测

借助一套全新的地面高精度光电探测器强光感生噪声检测平台,建立了强光感生噪声精细结构扣除模型,同多通道信号接收技术相结合,改进了一台用于中高层大气温度探测的子午工程双波长三通道瑞利散射激光雷达数据的处理方法。处理后数据反演的大气温度廓线与TIMED卫星结果相比较,得到了很好的吻合。在35-85km高度范围内二者反映了较一致的温度分布特征,30-55km温度误差小于±5K,55-75km温度误差小于±10K。

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。

夏季格尔木中间层大气温度探测初步分析

中间层大气温度及时空演变特征对研究青藏高原中高层大气动力、热力学结构具有重要的科学意义。利用大气物理研究所设计建造的MARMOT激光雷达对青藏高原地区中层大气温度进行探测。介绍了MARMOT激光雷达的瑞利测温原理、系统构成及主要功能参数;并利用格尔木夏季大气温度的激光雷达探测资料分析该地区中间层大气温度,并与MSIS-00大气模式和SABER卫星数据进行对比分析,获得了夏季格尔木地区中间层大气温度的初步结果,并对激光雷达的温度数据进行验证。结果表明:MARMOT激光雷达探测温度与MSIS-00模式和SABER卫星结果整体上均具有较好的一致性;在上中间层和低中间层,激光雷达均比MSIS-00模式值、SABER卫星数据偏高;在中中间层,激光雷达与卫星数据均略低于模式值。

Studying the stability of the middle atmosphere (30―60km) over Wuhan by Rayleigh lidar

The stability of the middle atmosphere ranging from 30 km to 60 km over Wuhan is elementarily studied, according to the observational data obtained in about one year through the WIPM Rayleigh lidar. The stability parameter (buoyancy frequency squared), which was obtained through the temperature field, shows that the middle atmosphere over Wuhan is stable all the year round, but the sta- bility appears variable because the stability of sum- mer and winter is lower, and that of spring and au- tumn is higher.