基于偏振激光雷达对远距离传输沙尘在局地混合过程的观测研究

利用国控站点的PM_(2.5)和PM_(10)含量,分析了一次蒙古地区沙尘的远距离传输事件;并结合532 nm偏振激光雷达的观测结果,研究了沙尘在武汉地区的混合过程。研究表明,在这次沙尘事件中,边界层顶的夹卷过程和边界层内的对流混合对沙尘在局地的分布起到重要的作用。在沙尘输入初始时期,沙尘高度约为1 km,主沙尘层经过边界层顶的夹卷过程进入边界层内,并在对流混合作用下在边界层内最终呈现近似均匀的高度分布。在沙尘事件末期,北方污染的输入带来约4300 t城市气溶胶,约为军运会期间武汉地区城市气溶胶总含量的十倍。

2003—2011年平流层顶抬升事件的SABER/TIMED观测

利用2003-2011年的SABER/TIME）温度数据观测发现,在2006年、2009年和2010年北半球高纬（70°N）的冬季（1-3月）发生了＂平流层顶抬升＂.在这3次事件中,1月末-2月初的-50 km和-80 km高度处分别出现了温度的极大值-260 K和-230 K,即平流层顶的高度突然由原来的50 km左右上升至80 km左右,这就是平流层顶抬升事件;随着时间的推移,抬升的平流层顶的高度逐渐下降直至恢复到原有位置,与此同时其温度由-230 K上升至-260 K.值得注意的是,虽然在极区的每年冬天都发生平流层突然增温事件,但是只在伴随着极涡分裂的平流层突然增温事件后出现平流层顶抬升.此外,在发生平流层顶抬升事件的冬季里,高纬的重力波活动在1月末-2月初的-80 km高度处突然增强,对应着平流层顶的抬升时间和高度;在2月份之后,重力波活动在75 km以下逐渐增强、在75 km以上逐渐减弱,同时抬升的平流层顶也不断下降.通过重力波活动与平流层顶抬升事件的相关性分析,表明重力波活动可能对平流层顶的抬升有重要影响.

热源激发重力波特征以及波流作用的数值模拟研究

本文在二维等温可压大气中引入了一个随时间和空间变化的热源扰动,分别以静止风和中纬1月份月平均向东的纬向风急流为背景,对不同背景下热源激发的重力波的传播详细过程及其特性进行了数值模拟研究.热源激发出来的重力波在初始阶段有很宽的频谱范围,随后由于重力波的传播效应,水平波长和垂直波长分布范围随时间都有所减小.顺风传播的重力波的小尺度和低频部分会容易被急流吸收,从而加强了对流层急流,而逆风传播的重力波更容易上传,会导致中间层区域向西的背景风增强.这体现了低层大气急流对中间层大气风场结构的影响.热源的尺度直接决定激发波的尺度;激发波的垂直尺度和时间尺度对热源的变化比其水平尺度更敏感.

纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法

利用大气分子的纯转动信号反演大气温度,被证明是一种精度很高的方法,目前已得到广泛的应用并在世界各地建立起多台纯转动拉曼激光雷达.全部的纯转动拉曼谱线之和是不依赖于温度的,利用这个特性,可以不需要任何的假设,反演大气气溶胶的消光.本文介绍了一种新的探测大气气溶胶的方法,首次提出通过提取纯转动单支谱(J=4和14),加上Rayleigh&Mie通道的激光雷达方程,不需要附加任何假设,导出了气溶胶后向散射系数的数学表达式.

高纬地区低层大气行星波的无线电探空仪观测研究

本文通过分析美国阿拉斯加地区三个站点(Nome,64.50°N,165.43°W;McGrath,62.97°N,155.62°W;Fairbanks,64.82°N,147.87°W)无线电探空仪1998～2006年观测数据,研究了北半球高纬地区低层大气行星波特性.通过分析发现行星波主要存在于两个区域,一个在对流层顶附近,一个在冬季极夜急流附近,两个区域的行星波都具有明显的间断性,持续时间一般不超过2个月;三个分量中,温度扰动量的振幅最小,经向风扰动量的振幅最大.对流层顶附近的行星波没有明显的季节变化且谱成分较为复杂,5天波的振幅最小,10天波的振幅略强于16天波.极夜急流附近的行星波主要出现在冬季,波振幅比对流层顶附近小,主要为10天波和16天波,且16天波的振幅强于10天波.由折射指数可以看出,夏季在对流层上方有明显反射层,冬季则较弱甚至消失,很好地解释了平流层行星波主要在冬季出现的原因.对2003/2004年冬季三个站点行星波的细致分析发现对流层区域和极夜急流区域出现明显的准10天波和准16天波,准10天在垂直方向为驻波,温度分量垂直波长约为12km,经向风分量垂直波长大于26km,波自东向西传,纬向波数在2～4之间.准16天波在垂直方向也是驻波,垂直波长大于20km,且在水平方向是一个静态波.

地月激光测距角反射器研制进展

月球激光测距在广义相对论的检验以及地月系统的理解上做出了巨大贡献。然而由于月球天平动效应的影响,约50年前安置在月球上的阵列式角反射器将单个回波光子对应的测距精度限制在了厘米级的水平。为了进一步提升测距精度,需要部署新一代单体大孔径的激光角反射器。本文主要介绍我们170 mm有效孔径的中空激光角反射器的研制进展。测试结果表明,我们实现了空心激光角反射器三个二面角的精度分别为0.10″,0.30″和0.24″。远场衍射图样模拟表明,该样机能够达到理想Apollo 11/14反射器阵列68.5%返回信号强度。我们期望这种空心激光角反射器可以应用于新一代的月球激光测距。

2010-2020年激光雷达数据集

中层顶区域存在着大量的金属原子和离子,这些金属原子和离子可作为示踪剂去研究中层顶区域的动力学和化学过程。激光雷达是探测金属原子离子的最有利工具。激光雷达数据集对于研究中层顶大气金属层以及电离层和中高层大气的耦合具有重要意义。激光雷达数据集根据子午工程一期北京、武汉、合肥和海口台站的钠激光雷达和瑞利激光雷达探测得到的回波光子获得。本数据集包括30-80 km的瑞利散射光子计数以及反演出的中层大气密度和温度数据、80-110 km的荧光散射光子计数和钠密度数据。通过对本数据集的分析可以得到金属钠密度对低层大气中重力波、潮汐波的响应,金属钠层的长期和短期变化、突发钠层与突发E层之间的关系以及中层大气的密度和温度变化。本数据集为空间物理学研究提供了更多的数据保障。

武汉地区(30.5°N,114.4°E)钠流星尾迹激光雷达的初步观测

通过将Na激光雷达的积累时间设置为3.2s,我们在武汉地区(30.5°N,114.4oE)对原子流星尾迹进行了测量.在16个晚上166h的观测时间里,总共发现了125个Na流星尾迹事件.这些尾迹峰值密度变化范围为4040～39170cm–3,平均值为16430cm–3.出现高度范围为77.2～111.6km,质心高度为92.6km.钠尾迹高度分布的上边界与同时观测到的平均钠层剖面相类似.特别地,尾迹高度柱状图最大值出现在平均钠层峰值处.这表明流星体进入大气层后消融产生能被地基激光雷达探测到的流星尾迹,更多的出现在常规金属层的峰值附近.这与早期的K和Fe尾迹的激光雷达观测结果一致.观测发现,偶发钠层的形成往往伴随着钠流星尾迹群,这些尾迹出现高度与偶发钠层的高度一致.

连续谱重力波参数化模拟赤道准两年振荡

在以往参数化格式的基础上,同时考虑重力波的饱和破碎和临界层吸收过程,通过引入重力波动量流谱分布密度函数,真正实现连续谱重力波的参数化,从而进一步完善重力波的参数化模式.以实验观测值为基础,选取大气背景参数和波特征参数,结合行星波和重力波参数化后的驱动力,能模拟出更接近实际观测的赤道准两年振荡.数值计算结果表明,重力波和行星波的驱动力大小随风场结构变化而变化,在振荡的某些阶段,重力波的贡献可以和行星波相比拟.稳定的振荡形成后,其振幅、周期和风场结构等特征受背景大气的扩散效应及重力波动量流的谱分布的影响,与初始背景风场无关.而且,对于任意非零的初始背景风场,在两种波的共同作用下,都能形成稳定的准两年振荡.

多光束测风激光雷达技术分析和比较

多光束测风激光雷达是在假设探测的时间内气溶胶团的结构不发生变化的条件下,利用接收到的多光束气溶胶后向散射信号的强度,通过不同计算方法得到水平风速。这种系统具有设备简单、对硬件要求不高等优点。本文分析并比较了基于多光束雷达信号之间的相关性的多光束测风激光雷达和基于两个多波束激光雷达信号的傅里叶变换的比值的多光束测风激光雷达两种技术,后者具有可快速计算水平风速的优点。