昆明平流层-对流层雷达系统及初步探测结果

基于昆明站(25.6°N,103.8°E)ST雷达近一年的风场观测结果给出了5～22.1km高度范围内风场的季节变化特征及利用镜面反射方法和雷达回波功率数据估测了对流层顶的高度.结果显示:17 km是平均风特征发生变化的高度,即17 km以下夏季为西向风和南向风,其他季节为东向风和北向风,而17 km以上纬向风几乎全年盛行东向风,经向风变化则更为复杂,且二者与HWM07模式结果的变化特征不完全一致.估测得到的昆明上空对流层顶高度范围是14～17.6 km,由此推测对流层中强烈的对流活动很可能是形成平均风场该特征的主要原因.     

近40年中国区域对流层顶温度场时空变化特征

利用1981—2020年NCEP/NCAR再分析月平均资料,对中国区域近40年的对流层顶温度场进行了时空变化特征分析和四季变化状况研究。采用线性回归、Mann-Kendall突变检验分析、经验正交分解(EOF)等方法研究了对流层顶温度场的年际变化趋势和时空分布特征。结果表明：中国区域对流层顶温度在1981—2020年总体呈下降趋势,其中在1995—2020年减少趋势显著。对流层顶温度存在明显的季节性特征,春季和冬季气候倾向率较小,对全年对流层顶温度减小趋势贡献也较小;夏季和秋季气候倾向率较大,对全年对流层顶温度减小趋势贡献也较大。运用EOF法对对流层顶温度场空间变化特征分析发现,第一模态空间分布反映了中国区域对流层顶变化趋势在空间上基本一致,且分布由南到北呈现“+,-”的纬向结构;第二模态空间分布由南到北呈现“+,-,+,-”的纬向结构,并以34°N为界呈现出很明显的南北相反分布;第三模态空间分布由南到北呈现“+,-,+”的纬向结构。     

中国地区探空漂移距离与漂移速度分析

本文利用中国120个探空站一年所有探空气球漂移信息,从漂移距离、漂移地域、漂移速度等方面开展分析。分析结果显示,年平均漂移距离随着高度的增加,漂移距离一般呈增大的趋势,并且在500hPa到100hPa之间漂移现象十分明显,年平均每100hPa漂移约10km;冬、春季漂移大,夏、秋季漂移小,纬向的变化幅度远大于经向的变化幅度;整体上气球漂移的年平均速度均小于2km/min,气球漂移速度从地面到对流层顶呈递增趋势,到了对流层顶漂移速度达到最大,过了对流层顶漂移速度逐渐减小,各月漂移速度变化趋势基本一致,漂移速度从小到大为6月、7月、8月、9月、5月、10月、4月、11月、12月、3月、1月、2月;纬向整体上为向西的漂移,最大纬向漂移速度达到3km/min,经向漂移速度3月-8月与其它月份变化趋势基本呈反相变化,漂移速度最大达到0.4km/min。     

合肥地区大气风速风向联合概率密度函数研究

在光电扫描系统中,热晕驻区会对激光大气传输能量产生严重的衰减,而热晕驻区出现的概率是由大气风速风向联合概率决定的.由合肥地区2007年5月至2011年6月的对流层风廓线雷达1h平均风场数据,根据最小二乘法原理,分别拟合Frechet、Gumbel和Weibull概率分布,得到拟合参数及相关系数和剩余标准差,从而比较得到最优分布模型;在上述方法拟合不出较好结果的情况下,由样本数据,根据圆形正态概率分布的特点,计算出纬向风和经向风平均值和均方差,这样也可以得到风场概率随风速和风向的关系,从而计算某一风场对应的概率.     

合肥对流层风场风廓线雷达测量与分析

大气风场是研究气溶胶输送与复合过程以及时空分布变化研究的一个重要方面,也是天气分析和天气预报中的一个重要参数.采用对流层风廓线雷达,连续测量了合肥地区的对流层大气风场.统计了2009年合肥地区风场变化,得到了一些统计结果:边界层(2 km以下)风速基本小于5 m/s,风向变化复杂,不同季节风向略有不同;对流层风速多在5...     

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。     

Hawaii地区钠激光雷达与流星雷达和中频雷达同时观测的水平风场的对比分析

钠激光雷达、流星雷达和中频雷达是测量中间层顶水平风场的三个重要手段。Hawaii地区在2002～2005年间同时存在这三种仪器,进行了多次对中间层大气水平风场的同时观测。通过对2002年7月9日晚和2003年10月23日晚这三种设备连续8 h同时探测的风场数据进行对比分析,发现钠激光雷达与流星雷达观测的径向风和纬向风结果比较吻合,并且都远大于（约两倍）中频雷达观测的结果。风场的夜平均垂直廓线表明,在速度较小并且风速变化比较平稳时,中频雷达能够表现出与钠激光雷达和流星雷达相对较好的一致性;反之,差异较大。     

基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

研制了1 064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry?蛳Perot标准具的双边缘技术,探测了对流层三维风场分布。介绍了多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层径向风速的初步探测结果。结果表明,该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9 km。     

基于Fizeau条纹技术的测风激光雷达风速反演方法

建立了基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达后向散射信号的理论模型,并利用最小二乘拟合方法结合数值迭代方法反演风速。该方法无需确切知道实际系统参数的大小和测量时的大气状况。风速反演的精度受迭代次数的影响,而迭代初值的选取只会影响迭代的收敛速度。用Monte-Carlo方法模拟了低对流层的回波信号并进行了风速反演,验证了该风速反演方法的可行性。模拟的系统参数在0～5 km高度,由信号的散粒噪声引起的系统误差小于1 m/s。     

分子散射对星载测风激光雷达Mie通道的影响

多普勒测风激光雷达利用大气中粒子的后向散射信号谱测量风速,但分子和气溶胶后向散射强度和光谱宽度差异较大,所以在实际测量中需要根据分子和气溶胶的垂直分布情况选择不同的信号。当选择气溶胶散射信号反演风速时,会受到分子散射信号的影响。本文研究了分子散射对星载多普勒测风激光雷达Mie通道风速反演的影响问题,并进行了仿真模拟,结果表明,当直接利用探测器接收到的原始信号进行风速反演时,分子散射信号会增大反演误差；因此基于探测器所有通道上光子数最小的一个通道上的光子全部来自于分子散射的假设,提出了一种减小分子散射信号对Mie通道风速反演干扰的方法,通过模拟表明,利用该方法后,对流层内风速反演精度明显提高,相对误差从原来的20%~30%减小到10%以内,除近地层以外的相对误差小于5%；但平流层内的误差几乎不发生变化。     

South Pole温度风速廓线的统计分析

利用2008年South Pole的探空资料,通过大气温度和风速廓线,确定了South Pole地区冬季（6,7,8月）和夏季（12,1,2月）的大气边界层结构,边界层和对流层顶的高度。对近地面的温度、水汽压、风速和风向进行了统计分析。结果表明,South Pole大气边界层大多时候为稳定型,但在夏季也存在不稳定的情况,尤其在1月份较多;夏季夜晚的边界层平均高度为389米,比白天的304米大,冬季夜晚的边界层平均高度为591米,大于夏季夜晚;夏季白天对流层顶平均高度比夜晚略大,分别为6172米和5770米。South Pole高层大气理查森数的倒数基本都小于4,发生湍流的可能性很小。     

北京春季一次对流层顶卷云的激光雷达观测研究

2011年3～4月,利用车载多普勒测风激光雷达系统在北京观象台(39°48′N,116°28′E)进行观测期间,在天气晴朗、无明显云的4月12日晚8时成功捕获到对流层顶附近薄卷云的存在。对激光雷达信号进行背景噪声剔除、平滑滤波和距离平方校正等处理后,时间-高度显示结果表明,该卷云位于约11km高度,厚约250m。利用Fernald方法反演激光雷达不同时刻和不同方向的观测信号,所获得大气消光系数剖面显示出该卷云存在明显时空变化,与探空资料对比显示其位于对流层顶。最后,通过对大气消光系数积分得到该层卷云光学厚度为0.02,透过率为98.02%,这与经常在南北纬30°间出现的对流层顶薄卷云(不可见卷云)具有相似性。     

多普勒测风激光雷达数据处理方法分析

介绍了基于双Fabry-Perot标准具的测风激光雷达的工作原理,分析了大气分子散射对风速测量的影响,并给出了相应的数据处理方法。模拟并分析了两种不同迭代初值在1～3次迭代时产生的系统测量误差,给出了1 km和5 km处风速的测量误差。利用自行研制的一台多普勒测风激光雷达对合肥地区对流层风场进行测量,并用两种方法处理了实验数据。结果表明,改进的数据处理方法是切实可行的。     

对流层散射实现雷达信号超视距传输的研究

非均匀对流层对投射的电磁波会产生二次辐射,从而进行前向散射,形成超视距传播。文中介绍了对流层散射的传播原理、对流层的几种数学模型,对流层散射的各种损耗,以及基于对流层散射传播原理的微波超视距无源探测定位系统的探测性能分析,给出了探测距离R与工作频率f的关系曲线和探测距离R与辐射源功率P的关系曲线。     

基于红外与再分析资料的深对流系统个例分析

在夏季,青藏高原及其邻近地区的深对流活动十分活跃。利用FY-2C卫星两个红外 通道的资料以及ERA-Interim再分析资料对2009年7月12日发生在青藏高原南坡上的一次对流系统进行了 分析。结果表明,位于高原南坡的对流系统由于受地形抬升和高层反气旋抽吸的综合作用,其深对流发 展高度较高;此时若将对流层低层的水汽向上输送到对流层顶附近,则将有利于平流层与对流层之间的物质交 换。高原及其邻近地区的对流系统所处的位置和低层温度梯度与水汽梯度的分布情况都会对对流系统的发 展产生重要影响。     

海上对流层微波超视距传播与海洋大气环境特性相关性研究

海上对流层微波超视距传播与海洋大气环境特性的相关性研究对电波传播的短期预测以及无线电通信系统的设计和应用有着十分重要的意义。该文根据在我国黄渤海海域进行的14.1 GHz海上对流层微波超视距传播试验的传输损耗数据以及在发射端塔基平台上同步进行的气象梯度仪试验的气象数据,分别分析了风向、风速以及气海温差对传输损耗和蒸发波导高度相关性的影响,研究了沿海海域气象数据在微波超视距传播链路中的可用性,并结合散射抛物方程方法和高级折射效应预报系统(AREPS)对分析结果进行了验证。该文的研究结果对海上对流层微波超视距传播的传播特性以及短期预测的研究有一定的指导意义。     

MEMS固态风速风向传感器的设计与制作

风速风向参数的测量在气象测量中占有重要的地位。基于MEMS技术的固态风速风向传感器具有体积小、重量轻、成本低的优点。设计了两种基于MEMS工艺的固态测风传感器,即硅薄膜式测风传感器和硅悬梁式测风传感器,用流体力学原理对这两种风速风向传感器进行了理论分析及ANSYS CFD软件模拟仿真,得出了风速与挠度、剪切力的关系。用惠斯通电桥测量传感器输出信号,通过单个传感器的二次封装测量风向信号。制作出了硅悬梁式测风传感器,并进行了初步测试。     

MEMS固态风速风向传感器的设计与制作

风速风向参数的测量在气象测量中占有重要的地位.基于MEMS技术的固态风速风向传感器具有体积小、重量轻、成本低的优点.设计了两种基于MEMS工艺的固态测风传感器,即硅薄膜式测风传感器和硅悬梁式测风传感器,用流体力学原理对这两种风速风向传感器进行了理论分析及ANSYS CFD软件模拟仿真,得出了风速与挠度、剪切力的关系.用惠斯通电桥测量传感器输出信号,通过单个传感器的二次封装测量风向信号.制作出了硅悬梁式测风传感器,并进行了初步测试.     

MEMS固态风速风向传感器的设计与制作

风速风向参数的测量在气象测量中占有重要的地位。基于MEMS技术的固态风速风向传感器具有体积小、重量轻、成本低的优点。设计了两种基于MEMS工艺的固态测风传感器，即硅薄膜式测风传感器和硅悬梁式测风传感器，用流体力学原理对这两种风速风向传感器进行了理论分析及ANSYS CFD软件模拟仿真，得出了风速与挠度、剪切力的关系。用惠斯通电桥测量传感器输出信号，通过单个传感器的二次封装测量风向信号。制作出了硅悬梁式测风传感器，并进行了初步测试。     

相干多普勒激光雷达风场反演方法研究与实验印证

提出基于共轭梯度算法的速度方位显示(VAD)风场反演方法,应用最优化理论,将共轭梯度算法代替传统VAD方法中的傅里叶级数展开来求取最优解,并针对算法在风场反演应用时存在不收敛于最优解的问题,使用Hessian矩阵对算法进行了修正。同时开展了多普勒激光雷达与符合IEC 61400-12-1国际标准的高精度风杯风速计的43天对比实验,结果显示,当激光雷达的方位角扫描范围为60°、径向个数为7个时,两者的风速、风向相关系数分别为0.991和0.998,风速、风向标准偏差分别为0.52m/s和5.1°,风速、风向偏差分别为-0.02m/s和3.6°。对比实验结果表明,基于共轭梯度算法的VAD风场反演方法使用较小的扫描方位角仍能保证其测量的准确性满足国际标准,具有更强的适用性,同时印证了激光雷达系统的测量性能,为动态复杂风场的监测提供了更佳的选择。