气候变化研究中的大气垂直结构探测述评

有关大气成分和性质的垂直廓线的观测和资料积累在气候强迫、气候反馈以及有关气候变化研究的许多方面起着关键性作用。关于温室气体、大气气溶胶、水汽、云和温度的大气垂直廓线,目前仍然有许多尚未解决的科学问题;这些问题的解决,对于理解与未来气候变化有关的多种人为和自然因素的作用,以及影响气候变化敏感性的多种复杂的物理过程十分关键。此外,大气垂直结构观测水平的提高对于气候模式的发展也具有重要意义。进一步完善整层大气的高分辨率垂直结构的观测方法在气候变化研究领域具有广阔的应用前景。     

利用超光谱红外卫星数据反演大气廓线研究

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂直分辨率的大气温度廓线和水汽廓+线,同时反演得到的表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。     

利用风廓线雷达测量数据反演大气湿度廓线

测量大气湿度廓线对短时天气预报和长期气候分析有重要意义,概述目前探测大气湿度廓线的几种方法,指出这些方法存在的一些问题,突出风廓线雷达测量大气湿度廓线的优越性。论述风廓线雷达反演湿度廓线的理论,利用合肥2009年9月29日三个时间段的风廓线雷达数据和探空数据,通过计算雷达测得的大气湍流耗散率和探空得到的温度廓线,分析计算得到三个时刻的湿度廓线,能够得到比较可信的结果,显示利用风廓线雷达反演湿度廓线是可行的。     

海上湍流对雷达波传播影响模拟研究

基于海洋大气近地层相似理论,给出了大气折射指数和微波波段湍流强度垂直廓线模型;基于一维Kolmogorov湍流谱,数值模拟随机瞬变大气折射指数,并将其叠加在大气折射率垂直廓线上,建立了海洋大气近地层考虑湍流影响的大气修正折射率垂直廓线模型.利用海面水文气象观测数据和美国海军高级传播模型,数值模拟了蒸发波导和湍流对雷达波传播和雷达探测性能的影响,发现:海洋大气近地层湍流在一定程度上增大了蒸发波导内雷达波传播损耗,减弱了雷达对海面目标的超视距探测能力;而在蒸发波导高度以上部分空域,湍流效应在一定程度上减弱了雷达波传播损耗;因此,在定量评估舰载雷达探测性能时有必要考虑蒸发波导和湍流的综合影响.     

可用于探测大气CO2垂直廓线的无线传感系统

大气CO2是一种温室气体,在气候变化等领域起着关键作用。基于NDIR技术研制了可用于探测大气CO2垂直廓线的无线传感系统。系统采用电调制型的红外辐射光源、双通道探测器并结合超低功耗单片机实现大气CO2信号的采集与控制。提出采用调制信号周期内扣除信号起伏与背景噪声的方法,使得本系统具有0.29%的相对测量误差。通过分时工作的方式解决了数字式无线电探空仪中高频发射机对CO2检测电路运算放大器的电磁辐射干扰,进而实现了气象探空仪与小型化的CO2探测系统的高度集成。通过与地面LI-COR LI7500对比分析,两者表现出较好的一致性,24 h测量数据的相关性达0.89,表明所研制的探测系统的稳定性与准确性。为实现大气CO2垂直廓线的探测提供一种选择。     

基于反向传播神经网络估算大气光学湍流廓线

大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数.通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制,因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义.提出一种结合遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络.首先,基于Tatarski大气光学湍流参数化方案,利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线;其次,尝试基于实测数据训练BP神经网络,并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线.将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比,结果表明:GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差(RMSE)比HMNSP99模式的RMSE小,表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法.     

基于平均探空廓线和地表实测数据构建大气参数廓线的方法研究

许多光学工程都需要掌握实时大气参数廓线,用来预测大气透过率和大气背景辐射,而目前除了无线电探空和大气遥感外,不易获得实时大气参数廓线。利用历年探空站点数据,并根据地面实时大气参数值,构建各高度层比例因子,得到实时大气参数廓线。以厦门地区为例,将模拟构建的实时温度、气压、水汽密度廓线及整层大气可降水量与实际探空廓线进行对比,表明:构造的对流层以下的温度廓线偏差小于2.5 K,气压基本保持不变,水汽密度廓线在晴天条件下与真实廓线吻合较好,水汽总量偏差小于15%。此方法在某些光学工程中有一定的应用价值。     

地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述

作为气象学和气候学研究的重要参量,温湿廓线在辐射传输过程、层结稳定度、对流有效位能、降水过程以及云的形成和演变过程中具有重要作用。目前,对大气温湿廓线的遥感探测主要有激光雷达、微波辐射计以及红外高光谱分辨率探测器等探测技术。总结了地基红外高光谱遥感大气温湿廓线在仪器、反演算法等方面的研究进展,重点介绍了统计反演算法和物理反演算法的基本原理,具体分析了不同算法在反演精度、稳定性和计算时间等方面的技术特点。最后,对目前地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演中存在的问题及未来的发展趋势进行了探讨。     

固定式边界层风廓线雷达TR组件相关故障分析

固定式边界层风廓线雷达是一部上视、晴空探测脉冲多普勒雷达,能实时探测大气三维风场,能不间断地提供被探测高度范围内的大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布。对固定式边界层风廓线雷达的组成、原理进行了简单的阐述,并着重介绍了关于固定式边界层风廓线雷达TR组件相关故障的发现和排除方法。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

FY-4A大气垂直探测仪 (GIIRS) 温度探测通道优选

针对中国第二代静止气象卫星风云四号(FY-4A)的干涉式大气垂直探测仪(GIIRS),从信息容量的角度,运用分步迭代法,以及精确型辐射传输模式LBLRTM,进行温度探测通道优选试验。计算得到在全球范围反演温度廓线的56个优选通道以及FY-4A探测范围的58个优选通道,所选通道自身信息容量较高,相互之间相关性小,可应用于大气温度廓线反演和数据同化研究。     

纯转动拉曼激光雷达反演低层大气折射率廓线

大气折射率是影响光电探测领域测量精度的重要因素.为了提高光电测量精度,提出利用纯转动拉曼激光雷达信号反演低层大气折射率廓线的方法.通过接收N2和O2的纯转动拉曼回波信号,由双光栅单色仪分光后获得高低量子信号.根据高低量子信号的比值反演得出大气温度和大气压强廓线,从而获得大气折射指数垂直分布.通过与折射指数理论模型相比较,表明纯转动拉曼激光雷达反演对流层折射指数有较高的精度.给出了多组折射指数廓线的反演结果,得出多天夜晚不同时刻折射指数的特性.结果表明一天中不同时刻折射指数变化较小,7.5 km内最大相对误差约为0.4%;不同月份之间折射指数波动较为明显,4.5 km内相对误差可达3.5%左右.     

915M微波测风雷达原理及实验对比

本文讨论了一种用于探测晴空大气边界层的微波风廓线雷达。这种雷达可以测量100～3000m风的垂直廓线,另外附加一套无线电声学探测装置,还可以测量100～1000m的温度廓线,首先介绍了雷达的测量原理和性能指标,在此基础上讨论了影响测量的几个因素,最后给出了若干对比实验的结果。     

地基多通道微波辐射计在大气遥感中的应用

地基多通道微波辐射计可实时探测大气微波辐射亮温并反演出大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线等。本文主要介绍了自主研制的地基多通道微波辐射计以及数据反演方法,同时将微波辐射计反演的大气参数与探空资料对比分析了反演精度,结果表明微波辐射计观测反演大气温度、湿度和液态水廓线具有很好的精度。同时辐射计可实时精确的探测反演大气边界层逆温,能够很好的探测到地表辐射逆温的强度和逆温厚度,这对研究大气边界层有着重要作用。     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

一种估测气溶胶吸收系数垂直分布的理论方法

研究气溶胶辐射强迫和激光大气传输效应,需要掌握气溶胶光吸收特性参数及其垂直分布情况.提出一种基于实测与模式相结合的方法来估测垂直高度上气溶胶吸收系数分布.首先采用太阳辐射计和激光雷达观测的数据分别反演整层气溶胶光学厚度(AOD)和消光廓线,再将辐射传输计算软件moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model (MODTRAN)和santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer(SBDART)在相应气溶胶模式下的数据结果作为约束条件,得到气溶胶吸收廓线,并通过外场实验测量数据进行反演实验.结果 表明,所提方法是可行的,可作为气溶胶吸收系数垂直分布有效获取的一种新的技术途径.     

船载激光雷达观测青岛海域气溶胶光学性质实验研究

研制了一套能连续探测海洋大气气溶胶光学性质垂直分布的船载小型米散射激光雷达系统,用该系统于2015年5月和9月在青岛海域开展了海洋大气气溶胶观测实验.以同船搭载的Microtops II型手持式太阳光度计同步测量得到的气溶胶光学厚度作对比数据,比较了两种仪器的气溶胶光学厚度测量结果,得到观测海域柱平均激光雷达比为32.4sr,标准偏差4.6sr.由Fernald方法得到了实验海域夏季15 km以下的气溶胶消光系数廓线.连续观测实验表明研制的船载米散射激光雷达结构紧凑,易于在船载平台操作,能对海洋大气气溶胶的光学特性进行连续有效的高时空分辨率廓线测量.     

湍流廓线激光雷达控制软件设计

对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究.介绍了湍流廓线激光雷达控制系统的设计和实现,运用Visual C 语言编写软件,通过单片机实现了对像增强器、发射望远镜和接收望远镜焦距的有效调节,实现了基于NT平台下的端口操作.     

THz技术在大气探测领域的应用研究进展

THz波的频段范围（0.1~10 THz）及其特性使THz波具有较高的空间分辨率及大气参数灵敏性,同时THz辐射在地球辐射平衡中的重要作用决定了其在大气探测领域有重大的研究价值和广阔的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的应用现状,重点分析介绍了THz波遥感探测大气水汽廓线、温度廓线、卷云的微物理参数及大气微量气体成分的原理、特性及存在的问题,最后对THz波大气探测技术的研究提出几点建议和展望,并指出了当前THz波大气探测技术的研究前沿和研究热点。     

LEO-LEO红外激光掩星CO_2浓度测量技术研究

利用基于近地轨道(LEO)卫星组网的红外激光掩星(LIO)技术,可对地球大气温室气体垂直廓线进行主动探测,为全球温室气体浓度廓线的测量提供新手段。介绍了基于LIO技术的大气温室气体浓度廓线的测量原理,针对最主要的温室气体CO_2建立了LIO信号链路模型,通过仿真分析了工作波数对CO_2探测精度的影响,并基于误差最小的仿真结果对CO_2探测波数进行优化选择。采用所选波数对LIO技术的探测性能进行分析,最终得到可用于CO_2浓度廓线探测的波数为4771.6215 cm~(-1)和4772.0240 cm~(-1)。在5～35 km高度的有效探测范围内,实现了0.6～1.4 km的垂直分辨率,CO_2浓度探测的相对随机误差小于0.8%,最小相对随机误差(0.229%)出现在10 km处。研究结果为星载LIO大气探测系统原理样机的设计提供了重要参考。