用瑞利激光雷达16年观测数据分析合肥地区大气密度分布特征

介绍了L625瑞利激光雷达系统结构以及基于瑞利散射理论探测大气分子数密度的原理.提出了反复迭代修正大气透过率的计算方法,并通过模拟仿真验证了该算法的可靠性.通过误差分析得到影响大气分子密度不确定度的主要因素为回波信号信噪比以及参考点处大气分子数密度值,给出了回波信号误差产生的主要来源以及参考点选取方法.最后,分析了激光雷达16年观测数据反演的结果,得到合肥地区大气分子数密度的月份以及年份分布状况,结果表明:中层大气分子数密度分布呈现明显的季节性分布特征,冬季分布稀疏,夏季分布密集,随年份分布则较为平稳.通过将统计平均得到的密度廓线与1976美国标准大气模式比对分析,发现由激光雷达观测反演得到的结果较模式值大,二者的比值在1.05～1.13之间.     

基于多孔径闪烁的湍流强度廓线反演方法研究

以多孔径闪烁方法的理论为基础,分别讨论了孔径滤波函数和光谱响应函数对权重函数的影响.根据包括边界层项的Hufnagel-Valley 5/7模型得到的闪烁指数,采用奇异值分解法反演了垂直方向的湍流强度廓线,结果的量级介于10~(-15)~10~(-17)之间,并随高度的增加不断减小,在量级和趋势上与理论模型基本一致;同时结合Shack-Hartman的实际测量结果,反演了水平方向1 km传输路径上的湍流强度分布状况.水平方向反演结果的量级在10~(-14)~10~(-15)之间,随传播距离的变化趋势与实验场地的实际情况较为符合,随时间的变化趋势与合肥地区同期的统计结果基本一致.     

内陆地区近地面大气消光系数统计特征及气象要素影响分析

使用能见度仪测量了合肥地区2005年6月到2007年7月期间近地面的大气消光系数.给出了大气消光系数的时间变化特征和频数分布特征以及大气消光系数与相应时间段的水汽、温度、气压、风速的相关性.结果表明:局地大气消光系数具有明显的日变化、月变化、季节变化和频数特征;不同季节的消光系数与气象要素的相关性有所不同;其中水汽、温度是两个较为重要的影响消光系数特征分布的因素.分析结果可以作为局地大气消光系数模型建立的基础.     

戈壁地区近地面折射率结构常数统计特性分析

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量,通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明:测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18m为区别界限,表现出明显的不同;所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性;季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显;测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近"-2/3"指数,夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性,低层折射率结构常数随高度递减接近"-0.16"指数,而高层变化则接近"-1.05"指数。     

戈壁地区折射率结构常数高度分布的统计特性

通过以系留气球和探空气球为平台的方式, 搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析, 探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容, 结果表明:在测量地区, 随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异, 并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点, 表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现, 尤其是夜间;白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性, 在高度分布上有所不同;季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响, 集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。     

合肥上空大气二氧化碳Raman激光雷达探测研究

Raman激光雷达是用于大气成分探测与特性研究的有效工具.介绍了中科院安徽光学精密机械研究所自行研制的一台用于测量低对流层大气CO2时空分布的Raman激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和对比分析.系统选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的Raman后向散射信号与Li-7500型H2O/CO2分析仪进行对比标定,通过反演获得了大气CO2水平与垂直方向时空分布廓线,并且获得了合肥地区大气边界层CO2的夜变化趋势.结果表明,大气CO2在空间的分布相对均匀,Raman激光雷达与CO2分析仪变化趋势一致性较好,能够对大气CO2时空分布进行有效、连续的观测.     

Shack-Hartmann传感器用于湍流大气横向风速的测量

分析了利用Shack-Hartmann波前传感器子孔径对之间光强信号的时间延迟交叉相关函数, 进行光传播路径上横向平均风速测量的基本原理, 给出了横向平均风速的计算公式, 并进行了水平1 km湍流大气实验测量.实验结果如下: 不同子孔径对同时测量的横向风速相关系数达0.988; 将多对子孔径对测量的结果取平均, 与接收端附近布置的风速计测量的横向风进行了对比, 发现两系统的测量结果在随时间的变化趋势上具有较好的一致性, 两次实验拟合的相关系数分别为0.848和0.820, 标准偏差分别为0.372和0.376.以上结果表明, 将Shack-Hartmann波前传感器用于横向平均风速的测量是可行的, 拓展了该传感器的使用功能.     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。     

湍流大气中光束的相位不连续点数密度

基于Rytov近似和几何光学近似条件下,导出了对数振幅导数方差的解析表达式,证明了该参量主要取决于湍流内尺度、Rytov方差以及Fresnel尺寸大小.在此基础上,给出了光束相位不连续点数密度的修正表达式,分析了相位不连续点数密度随上述湍流参量变化的情况.分析表明在Rytov方差小于1的湍流条件下,不连续点数密度数随Rytov方差的增大而增大,而随湍流内尺度和Fresnel尺寸的增大而减小.     

拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统,选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法,提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定,结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好,激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性,通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%,垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布,给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0～2.0km与垂直方向0～2.5km分布的典型测量结果。