大气重力波引起的偶发钠层研究

利用了中国科学院临近空间环境野外综合探测站（廊坊,39N,116E）的钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的探测数据对廊坊上空大气重力波引起的偶发钠层（SSL）进行了研究。首先从大气重力波方程出发,计算分析了大气水平风剪切和垂直风场之间的相位关系;其次利用了钠荧光多普勒激光雷达和流星雷达的实测数据对大气重力波引起的偶发钠层进行了分析研究;经研究分析可知,由于大气重力波引起强的水平风切变和垂直风场风向反转的共同作用,其堆积效应使得钠原子密度增强,形成了偶发钠层。     

合肥钠测温测风激光雷达与武汉流星雷达水平风场的对比研究

中间层顶区域大气温度和风场是研究中高层大气动力学的重要参量。简要介绍中国科学技术大学钠测温测风激光雷达系统。其可用于高分辨率探测中间层顶区域（80~105 km）大气温度和风场。给出了该激光雷达测量大气温度和风场的基本原理,对系统的发射部分、接收部分和光电探测采集及时序控制部分进行简要介绍,给出了该系统探测的大气温度和风场的结果。温度和风场结果分别与TIMED/SABER卫星仪器和武汉地基流星雷达观测结果进行了对比。     

背景风场和温度梯度对重力波传播的影响

运用射线跟踪方法，计算了背景风场和温度梯度共同影响下大气重力波的传播射线，结果表明，在顺风传播情况下，较小波长的重力波在１００ｋｍ左右的高度上被捕获，较大波长时可穿透传播到热层，但射线在水平方向拉伸；在逆风传播情况下，较长波长的波在１２０ｋｍ之下的高度发生无环反射，较短波长的波在２００ｋｍ以上的高度发生有环反射，而介于两种反射波的波长之间的波则穿透传播到热层高度，射线变陡。分析表明，上述波的反射、     

吉林一次暴雨激发平流层重力波的AIRS观测

为了分析中国陆地区域深对流激发平流层重力波的特征,针对2010年7月20日发生在吉林上空的一次暴雨事件,利用Aqua卫星高光谱大气红外探测器（Atmospheric Infrared Sounder, AIRS）的观测数据并结合ERA-interim高空背景场数据和S变换小波分析方法,分析了与暴雨相伴的深对流激发平流层重力波的传播特征,进一步讨论了重力波上传过程对暴雨发展的可能影响。     

基于瑞利多普勒激光雷达数据的重力波测量与分析

对于平流层的高空间分辨率的重力波连续测量和研究非常稀少。近几年中国科学技术大学的瑞利多普勒激光雷达观测了大量的重力波事件,这得益于激光雷达系统在重力波研究中的优越特性。文中对激光雷达系统作出了一个简单的介绍,并且展示了位于中国酒泉（39.741N,98.495E）,垂直高度范围在15~60 km,自2015年10月7日起持续了两个月的重力波夜间观测结果。在对一些重力波事件分析过程中,对中尺度的水平风速进行了二维波谱分析之后,发现重力波波动非常明显,这些波动的波长范围主要集中在3~6 km,而周期大约为10 h。这些观测结果都肯定了瑞利多普勒激光雷达在重力波观测应用方面的优势。     

基于北京流星雷达的MLT区域大气风场研究

探测和研究大气风场是认知中高层大气结构的最重要的手段之一,其中流星雷达是一种非常好的观测大气风场的手段。为了更好地了解中纬中间层-低热层(MLT)区域大气风场的特征,本文利用2016年北京流星雷达反演的风场数据进行研究。首先研究了大气平均风场随时间和高度的变化特征,得出1~3月北京上空MLT区域的纬向风均以西风为主,经向风南风与北风交替显著,但仍以北风为主导的结论。继而对于90 km处的大气潮汐波进行研究,通过Lomb-Scargle功率谱方法和谐波拟合得出了大气潮汐随时间的变动规律,即中纬地区大气水平风场受到的潮汐波影响以半日潮汐为主、周日潮汐次之。     

瑞利测风激光雷达夜间准零风层观测结果分析

一台用于观测对流层和平流层风场的车载瑞利测风激光雷达于安徽合肥建成,该雷达使用双边缘技术,设计探测高度10~40 km,距离分辨率分别为100 m(20 km高度以下)和500 m(20 km高度以上)。在2011年夏季该雷达于新疆乌鲁木齐地区(42.1N,87.1E)进行了风场观测实验并成功观测到了平流层准零风层大气结构,给出了几组夜间典型的风场数据,根据观测结果得出:准零风层底部高度稳定在17~18 km高度而不随时间变化,而准零风层厚度则随时间有一个先增大后减小的趋势,并在北京时间凌晨0点~3点期间达到最大值。在观测中出现的准零风层厚度最大值超过15 km,最小值则仅有约2~3 km。分析认为:准零风层厚度的变化与夜间平流层接收到的紫外线辐射强度变化有关,同一时刻不同纬度上的平流层接收的紫外线辐射强度变化程度不同,导致平流层温度梯度继而大气环流的速度发生变化,从而引起准零风层厚度变化。     

基于武汉MST雷达的对流层异常强反射回波观测

为研究中层-平流层-对流层(MST)雷达在对流层高度上的回波机制,利用特殊天气条件(切断低压)下的雷达回波功率、风场,采用Lomb-Scargle谱分析、谐波拟合、Richardson数等方法分析对流层上部出现回波功率异常的现象。结果表明,在切断低压的天气条件下,急流和深对流造成持续存在的重力波源,重力波由下至上传播至对流层顶下方并发生饱和破碎,能量耗散在大气中,破坏了大气的静力稳定,形成K-H不稳定层,进而发展为湍流,使对流层区域出现雷达回波功率增强。     

60km车载瑞利测风激光雷达研制

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段,为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构,对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度,设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法,并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明,接收机性能稳定,各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测,获得了水平风场的测量结果,并与当地探空气球的探测结果进行了比对,30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算,40 km以下,风速测量误差4 m/s,风向测量误差6,40 km以上,风速测量误差8 m/s,风向测量误差18。该系统设计合理,性能稳定,能够实时探测10~60 km大气风场。     

钠层密度翻转现象的激光雷达观测与研究

基于国家子午工程项目钠激光雷达的长期观测数据,统计分析了北京和海南两地出现的钠层密度翻转现象,发现这种现象往往出现在钠层的下部,宽度在2~7 km范围,持续时间约为2~8 h。观测结果显示,钠层密度翻转结构的出现常伴随着大尺度重力波的传播活动,且钠层密度翻转结构的消失过程也和较大尺度重力波的破碎过程有较好的对应关系.这表明,除风剪切和自身动力学不稳定因素外,大尺度和小尺度重力波相互作用引起的垂直对流不稳定效应可能是大尺度重力波破碎的另一个重要原因.     

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。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

Aircraft measurements of the microwave scattering signature of the ocean

Microwave scattering signatures of the ocean have been measured over a range of surface wind speeds from 3 m/s to 23.6 m/s using the AAFE RADSCAT scatterometer in an aircraft. Normalized scattering coefficients are presented for vertical and horizontal polarizations as a function of incidence angle (nadir to55deg) and radar azimuth angle (0degto360deg) relative to surface wind direction. For a given radar polarization, incidence angle, and azimuth angle relative to the wind direction, these scattering data exhibit a power law dependence on surface wind speed. The relation of the scattering coefficient to azimuth angle obtained during aircraft circles (antenna conical scans) is anisotropic and suggests that microwave scatterometers can be used to infer both wind speed and direction. These results have been used for the design of the Seasat-A Satellite Scatterometer (SASS) to be flown in 1978 on this first NASA oceanographic satellite.     

激光测风雷达研究微下击暴流引发的低空风切变

较强的低空风切变会引发超低空复飞,对飞机安全威胁较大。为了提高飞行安全保障能力,利用激光测风雷达和风廓线雷达提供的资料,对2018-04-26西宁机场突发的一次风切变进行了细致结构分析和形成机理研究。结果表明, 微下击暴流是造成此次低空风切变的主要原因,雷暴高压向外辐散气流和环境风同向叠加是低空风切变形成的直接原因; 干冷空气在2.0km高度处加速下沉,到达近地面形成雷暴高压,随后外流形成水平尺度约3.0km的辐散气流,而触发低空风切变; 此次低空风切变影响时间约8min,对飞行安全威胁最大是下击暴流产生初期; 0.4km~2.0km高度处上升气流迅速转为下沉气流的时刻,较低空风切变发生有约4min的提前量。该研究对如何利用测风雷达进一步提高飞行安全保障能力是有意义的。     

Measurement and Analysis of Impulsive Noise from Bullet Trains

Measurements of impulsive noise radiating from bullet trains running either an upward or downward slope on the New Tokaido Line have been performed with the amplitude probability distribution-crossing rate distribution (APD-CRD) measuring apparatus using vertical dipole antennas. APD and CRD pairs have been simultaneously measured in a narrow bandwidth for some VHF. It is noted that APD's and CRD's change remarkably, depending on whether the bullet train runs an upward or downward slope. Generally, this effect is reduced to the following. These two distributions change remarkably, depending on whether the bullet train runs with or without current feeding the main motors of the vehicles. Models of the two categories of noise are presented; they lead to reasonable agreements between the measured and calculated CRD and/or ADP curves.     

基于Fizeau干涉仪的激光风速测量技术

设计和讨论了一种利用Fizeau干涉仪进行激光风速测量的原理。该系统采用Fizeau干涉仪进行信号频谱分析 ,形成的梳状干涉图案强度分布可以通过线列CCD探测器测定 ,其重心位置决定信号的多普勒频移量或径向风速。利用Monte Carlo方法模拟计算了该系统的测量精度 ,结果表明 ,在 90 %的光子数探测几率下 ,多普勒测量精度约是单个CCD探测通道谱宽的 10 % ;激光雷达系统风速测量的精度在垂直高度 2km内优于 2m/s。     

Coherent laser radar at 2 μm using solid-state lasers

The development of a coherent laser radar system using 2-μm Tm and Tm, Ho-doped solid-state lasers, which is useful for the remote range-resolved measurement of atmospheric winds, aerosol backscatter, and differential absorption lidar (DIAL) measurements of atmospheric water vapor and CO₂ concentrations, is described. Measurements made with the 2-μm coherent laser radar system, advances in the laser technology, and atmospheric propagation effects on 2-μm coherent lidar performance are discussed. Results include horizontal atmospheric wind measurements to >20 km. vertical wind measurements to >5 km, near-horizontal cloud returns to 100 km, and hard target (mountainside) returns from 145 km     

Dependence of the normalized radar cross section of water waves onBragg wavelength-wind speed sensitivity

Measurements of the normalized radar cross section (σ°) made by the YSCAT ultrawideband scatterometer during an extended deployment on the Canada Centre for Inland Waters (CCIW) Research Tower located at Lake Ontario are analyzed and compared with anemometer wind measurements to study the sensitivity of σ° to the wind speed as a function of the Bragg wavelength. This paper concentrates on upwind and downwind azimuth angles in the wind speed range of 4.5-12 m/s. While YSCAT collected measurements of σ° at a variety of frequencies and incidence angles, this paper focuses on frequencies of 2.0, 3.05, 5.30, 10.02, and 14.0 GHz and incidence angles within the Bragg regime, 30-50°. Adopting a power law model to describe the relationship between σ° and wind speed, both wind speed exponents and upwind/downwind (u/d) ratios of σ° are found using least squares linear regression. The analysis of the wind speed exponents and u/d ratios show that shorter Bragg wavelengths (Λ<4 cm) are the most sensitive to wind speed and direction. Additionally, vertical polarization (V-pol) σ° is shown to be more sensitive to wind speed than horizontal polarization (H-pol) σ, while the H-pol u/d ratio is larger than the V-pol u/d ratio     

Doppler Weather Radar for Profiling And Mapping Winds in the Prestorm Environment

Doppler radars (10 cm) used in weather research are shown to be capable of mapping the kinematic structure of the prestorm convective boundary layer (CBL) to 100-km ranges. Zones of convergence, mapped by Doppler radar, preceded by hours the development of a single thunderstorm. Next generation operational weather radars are now being designed that will have similar capabilities if Doppler is part of this design. Furthermore, data from models and radars operating at other wavelengths suggest that 10-cm radars have the potential to obtain vertical profiles of the wind throughout the troposphere when the 5-cm scales of turbulence are within the inertial subrange. Three modes of weather radar operation are suggested: 1) wind profiling to obtain the vertical distribution of horizontal and vertical motions of air; 2) mapping winds, divergence, and deformation in the prestorm CBL; and 3) storm surveillance and warning.