多波长雷达识别冰雹的数值研究

利用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云模式，详细地讨论了云雨衰减作用和云中各粒子共存于同一空间给多波长雷达识别冰雹带来的影响。在实际工作中，分析多波长雷达的回波时，这些讨论结果对分析和理解云降水过程有帮助。另外，本工作能为改装多波长雷达提供有益的理论参考。

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E,31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。

车载式1 064 nm和532 nm双波长米散射激光雷达

新近研制的车载式双波长米散射激光雷达可用于1064nm和532nm两个波长对白天与夜晚对流层气溶胶消光系数垂直分布进行的探测。该激光雷达由激光发射单元、接收光学和后继光学单元、信号探测和采集单元以及系统运行控制单元组成,后继光路之间采用光纤导光、高低层分层探测等关键技术。该激光雷达使用1064nm和532nm的两个波长,其单发脉冲能量分别为400和300mJ,重复频率都为20Hz,光束发散角小于0.5mrad;望远镜接收视场为1～3mrad,滤光片的中心波长为1064nm和532nm,带宽1nm。分别使用R3236及H7680的PMT和VT120及Phillips777的放大器对两个波长的信号进行探测;对532nm波长用3A/D采集卡、1064nm波长用了光子计数卡。给出了双波长测量对流层气溶胶消光系数垂直分布的结果,该激光雷达可以探测10-5～1之间的消光系数,探测高度可达10km以上。

二氧化硫-臭氧-气溶胶多波长差分吸收激光雷达同时观测

利用多波长差分吸收雷达同时观测Miyakejima(34°04′22″N,139°31′40″E)火山爆发在对流层产生的SO2、O3以及气溶胶。此观测技术通过合理选择激光波长对((288.83nm,289.83nm),(288.10nm,289.83nm))能消除观测数据中由于SO2、O3的吸收以及气溶胶散射导致的相互影响,提高观测精度。用波长对(288.10nm,289.83nm)测量O3的浓度,然后再用实测O3所产生的吸收矫正其对SO2观测(使用波长对(288.83nm,289.83nm))浓度的影响;气溶胶消光系数通过实测弱吸收波长回波信号(或由532nm的单波长回波信号)直接反演所得,并用来矫正气溶胶对SO2、O3观测产生的散射和消光误差;介绍了实验之前用于测试光路调试的定标误差分析,以及由于激光能量和实测大气的不稳定产生的统计误差。实测火山爆发产生的对流层二氧化硫的浓度高达45ppb,测量误差小于10ppb,远远大于通常情况下二氧化硫的本底浓度1ppb;长期观测对流层臭氧的浓度约为45ppb,在2000年冬季对臭氧进行了时间为半个月的连续观测,最高浓度达250ppb,该高浓度臭氧可能来自于平流层的传输,该数据有助于研究对流层顶与平流层底交接区的大气运动。

地基多波长雷达垂直探测云降水微物理特征研究进展

雷达作为一种遥感探测仪器,在云和降水的观测中发挥着重要作用。然而,由于不同水凝物粒子在形状、密度、粒径、主轴取向和谱分布等方面的巨大差异,单部雷达的反射率因子对云降水系统内部微物理特征的准确量化存在困难。近年来,水凝物粒子散射理论、电子计算机和毫米波器件技术的进步加速了多波长雷达遥感技术的应用,为进一步认识云微物理过程和改进云微物理方案提供了重要观测依据。多波长垂直探测雷达技术已经从散射理论催生新的观测方法进入到观测试验揭示关键云降水微物理过程的阶段。本文从雷达反演液态和固态水凝物的角度,讨论基于水凝物粒子衰减和散射特性的地基双波长和三波长垂直探测雷达遥感技术研究进展,介绍了国内外地基多波长云雷达实验的研究进展,并从粒子散射理论出发,提出多波长雷达正在从传统波段组合(如W/Ka/X波段)向结合更短波长和更长波长的“三波长+”方向发展。随着卫星雷达载荷从单波长到双波长,地基多波长气象雷达遥感技术的发展将为下一代星载多波长雷达载荷的研制提供有力支撑。

雷达识别冰雹云方法的进展

回顾了用气象雷达识别冰雹云方法的进展情况，介绍了双波长雷达、园偏振雷达，特别是双线偏振雷达在研究云体中降水粒子相态方面的原理及部分观测结果。

星载合成孔径雷达海浪遥感测量

与传统测站式海浪测量不同,具有高空间分辨率的合成孔径雷达能提供大面积海浪的二维波场特性,是遥感测量海浪场的新手段,其使用的微波可穿透云层,因而测量不受恶劣天气的影响.在合成孔径雷达海浪成像机理的基础上建立了遥感测量二维海浪谱及相关海浪要素的模式和算法.从台湾东北部海域海浪的ERS-1 SAR图像中获得了二维海浪谱及海浪的波高、波长和波向等特征参数,与实测资料相比,其中波高和波向的误差分别为0.2 m和2.0°.

浅谈天气雷达的多能化综合化现状

天气雷达作为掌握直接天气资料的重要手段,它的研究与开发越来越得到广大气象工作者的重视,天气雷达的发展也为人们提供了大量丰富的大气信息,不断地促进气象科技的发展。那么,天气雷达发展至现阶段一机多能综合发展就更显其重要性。对于云、雨中粒子的运动、相态和晴空湍流的探测是气象工作者所关切的问题,这些问题用常规天气雷达是难以解决的。因此,国内外都在积极开展新型天气雷达的研制工作,试图寻求新的途径以解决这些迫切要解决的问题。从当前情况来看。

大气气溶胶粒径分布的多波长激光雷达反演

提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下,90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明,所提算法基于多波长的气溶胶光学特性,可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。

多波长激光雷达探测多种天气气溶胶光学特性与分析

设计和构建了波长为355,532和1064nm的多波长米散射激光雷达系统,并研究了多波长激光雷达信号数据处理和反演算法,实现了对地表气溶胶的探测;利用该激光雷达对2013年冬季西安市上空大气进行了探测,研究分析了雾霾天、晴天和有云天气的混合层高度、气溶胶消光特征和粒径分布特征.分析比较了不同波长探测到的混合层高度变化情况.在雾霾天,大气混合层高度与晴天和有云天相比明显偏低,在0.4 km附近,而晴天的混合层高度有0.5—0.8 km.利用长波(1064 nm/532 nm)段和短波(532 nm/355 nm)段两个ngstrm指数分析了不同天气情况下的粒径分布特征.对于近地层气溶胶,雾霾天的长波ngstrm(1064/532)指数小于短波ngstrm(532/355)指数,而晴天与之相反,说明在近地层雾霾有污染的大气中,存在有较多的粗粒子.在云层中,ngstrm指数明显减小,并且出现负值,说明云粒子半径比较大.

全天时多波长激光雷达系统研制与信噪比分析

利用Nd：YAG 激光器产生10 Hz 的1064、532 和355 nm 激光束作为光源，研制了用于对流层大气气溶胶探测的全天时多波长激光雷达，实现了溶胶Mie散射信号在紫外、可见和红外三个波段的精细分离和提取。通过小孔光阑和窄带干涉滤光片对背景光的强烈抑制，实现了全天时探测。通过对三波长Mie 散射信号日间和夜间探测信噪比数值仿真和实际探测信噪比分析，得出日间探测时532 nm 的信噪比最低，夜间探测时355 nm 的信噪比最低，这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为1时的数据，得到该系统日间探测高度可达8~10 km，夜间探测高度可达10~12 km。对西安地区晴天、多云天和雾霾天的初步探测结果表明，该多波长激光雷达的性能完全能够满足对流层内气溶胶粒子的全天时和不同天气情况下的探测要求。

基于粒子谱的多波长激光雷达近场大气光学参数校正方法

非同轴激光雷达由于存在发射激光与接收望远镜之间的不完全重叠区,造成近场回波信号与真实大气信号不一致.对于多波长激光雷达,这种不一致更为突出和复杂.然而,近场大气是人类活动最集中的区域,因此对多波长激光雷达近场信号进行校正,对于了解和探究边界层大气具有十分重要的意义.提出了一种利用粒子谱仪测量近地层气溶胶尺度谱分布并运用Mie散射理论和低层大气指数衰减规律,进而直接校正多波长激光雷达消光系数廓线近场信号的新方法.通过对晴天、多云天气和雾天多波长气溶胶消光系数廓线近场信号的校正,证明了该方法的可行性和实用性.该方法着重考虑了多波长激光雷达比的波长依赖性和气溶胶粒子谱分布的天气相关性,将该方法用于近地层大气消光系数廓线校正,减少了由于不考虑这两个因素带来的消光系数廓线反演和校正的不确定性.该方法对于研究不同天气情况下边界层内的大气气溶胶物理、光学特性具有一定的实用价值和借鉴意义.

双波长高空探测激光雷达技术

在原有瑞利散射和钠层荧光激光雷达的基础上，通过采用二次倍频余光复用和双光纤焦面分光等关键技术，将上述两种高空探测机制融入一台激光雷达中，实现了对30～80km瑞利散射和80～110km钠层荧光回波的同时探测，从而达到了利用一台激光雷达对30-110km这一宽广的大气段进行连通性探测的目的，为中高层大气的探测研究提供了一种更为有效的手段。主要报道双波长高空探测激光雷达的基本原理、关键技术及目前所达到的探测性能。

苏联的人工防雹工作

1989年7月下旬至8月上旬,我随中国气象专家代表团访问了苏联,参观了苏联高山地球物理研究所、实验气象研究所以及位于北高加索的防雹综合试验基地。通过访问,对苏联的人工防雹工作,特别是以“雷达——火箭”为主要手段,具有较强业务能力和较大作业规模的人工防雹业务系统,留下了深刻的印象。针对我国实际,下面就苏联的双波长雷达、防雹火箭、作业设计和组织管理等情况作一概要介绍。一、双波长雷达苏联的(?)——5双波长(3.2和10cm)雷达是专门为人工防雹设计的新型雷达。它不仅同时具备3cm和10cm常规天气雷达测示降水云体回波结构和强度的能力,同时还具有测示云内降水(冰雹)粒子大小与分布的功能,是人工防雹作业中不可缺少的重要手段。

双波长海洋激光雷达探测近岸到大洋水体的叶绿素剖面

蓝绿激光波段作为海洋主动探测技术中常用的波段,被广泛应用于各种海洋激光雷达设备中。然而由于近岸水体和大洋水体的水质参数不同,不同水体对蓝光和绿光的衰减存在差异。通过反演双波长海洋激光雷达(DWOL)系统中486 nm蓝光通道和532 nm绿光通道在南海获取的近岸水体和大洋水体探测的波形数据,结果表明:在清洁大洋水域中,486 nm通道的水体衰减系数明显小于532 nm通道,由此说明蓝光更适用于大洋清洁水体探测;在近岸水域中,由于水质变差,486 nm通道和532 nm通道的衰减系数差异减小,同时考虑到532 nm激光的稳定性和低成本,可知绿光更适用于近岸水体探测。另外,为了分析南海水域次表面层叶绿素散射层(CSL)从近岸水体到大洋水体的分布变化,基于486 nm通道数据,反演了从清洁大洋水域到近岸水域近120 km连续条带的机载数据。反演结果表明:在大洋水体中,CSL深度稳定分布在水下60 m左右;在临近近岸时,由于水深变浅,CSL深度分布开始快速上升;在近岸水体中,CSL深度上升到水下40 m,甚至到20 m左右。分析船测实验数据与机载反演数据的相关关系,可知机载反演结果和船测结果具有良好的一致性。

多波长气溶胶激光雷达观测北京地区持续性雾霾的典型案例

为了解雾霾天气条件下大气气溶胶的光学特性,利用多波长气溶胶激光雷达在北京海淀气象局的观测数据,反演得到了2017年11月4日至7日持续性雾霾期间大气气溶胶的消光系数、退偏振比和雾霾高度等参数,实现了在雾霾期间对大气的实时监测。结合探空资料数据获取的气象参数,并利用拉格朗日混合单粒子轨迹模式(HYSPLIT)分析了雾霾期间气团的路径来源和走向,分析得出,相对湿度增大、风速低以及逆温层的存在是雾霾形成和持续存在的重要因素。河北一带的污染物输送导致此次北京海淀区的雾霾形成,而西北风为污染物向上扩散消失提供了条件。

Wavelength Estimation Method Based on Radon Transform and Image Texture

In order to overcome the shortcoming of poor accuracy and non-serious intuitivism of traditional wavelength calculation method in serious noise, a revised Radon transform algorithm is proposed by using a straight-line instead of using the wave＇s texture approximately applied to wavelength estimation. Firstly, Radon transform of the radar image is analyzed. Then, to obtain its fitting straight line combined with wave texture, the distance is calculated between straight lines to get the wavelength. Finally, the algorithm is programmed with Matlab on PC. The experimental results show that the proposed algorithm can improve the estimation accuracy of the wavelength with good visibility.

遥感与气象

遥感与气象张铁岩，刘克利，张振华（内蒙古气象学校呼和浩特０１００５１）遥感作为一种环境监测和信息侦察手段，近年来发展极为迅速．它集中了近代物理学、光学、电子学、计算机科学、空间科学和地球科学的最新成就，逐步形成了一门新兴的综合性科学技术，广泛应用于天...