中低层大气温度和气溶胶廓线的拉曼激光雷达探测研究

论文摘要

近年来由于人类毫无节制的各种破坏自然的活动,导致了生态环境的恶化,温室效应、干旱、雪灾、沙暴等异常天气现象的发生率正在不断增多。研究低层大气的规律,对解释那些不断发生的异常天气现象,提高某特定地区的气象预报的准确度来说具有很重要的研究意义。激光雷达具有时空分辨率高的特点,在大气探测中得到越来越多的应用。论文依托南京信息工程大学的瑞利-拉曼-米散射（RRM）激光雷达研究平台,研究使用振动拉曼激光雷达实现对南京地区的低层大气温度探测与反演的方法。通过对拉曼回波信号进行加长积分时间、扣除直流背景噪声、小波变换降噪和滑动平均,有效地提高了原始信号的信噪比。在温度反演算法上,分析了气溶胶对温度反演精度的影响,通过对拉曼信号的气溶胶消光修正,减少了气溶胶对温度反演结果的影响。算法验证方面,将拉曼激光雷达温度反演结果与南京上空的探空数据和大气模式数据进行对比,证明了温度反演算法的可靠性。在完成温度反演算法的基础上,使用拉曼激光雷达对南京上空的温度廓线进行了例性观测,将长期观测结果进行了统计分析,结果表明：拉曼激光雷达观测的2010年11月的月平均温度相对于探空插值平均值来说,平均误差只有1-2K；2010年11月上中下三旬的旬平均温度显示：在10km高度处,下旬温度比上旬温度低4K,通过分析三旬的大气温度递减率廓线可以看出随着入冬的进程,低空段的大气温度递减率有着明显增大的趋势。这些不仅仅验证了激光雷达对低空大气的长期观测能力,还突出了其相对于探空气球来说,低成本,高时空分辨率的特点。除使用拉曼激光雷达对大气温度进行探测外,论文还反演和分析了基于拉曼信号的气溶胶特性曲线。结果表明：使用微分法测气溶胶,反演结果对高频噪声十分地敏感,所以无气溶胶时廓线波动较大,但是面对同样的衰减,拉曼信号相对于米散射信号能探测到更高处的气溶胶层,若能进一步降低高频噪声可使得反演结果更加地理想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 激光与大气物质的相互作用
• 1.1.1 瑞利散射
• 1.1.2 米散射
• 1.1.3 拉曼散射
• 1.1.4 其他散射
• 1.1.5 激光的大气透过率
• 1.2 激光雷达技术的发展
• 1.3 激光雷达系统构成
• 1.4 大气测量激光雷达的分类
• 1.5 激光雷达大气探测的主要特点及优势
• 1.6 论文的主要工作
• 第二章 拉曼激光雷达测温原理
• 2.1 大气温度的探测
• 2.1.1 大气温度的分布结构
• 2.1.2 大气温度探测的意义
• 2.1.3 大气温度探测的国内外发展状况
• 2.2 拉曼激光雷达系统构成
• 2.3 拉曼测温原理
• 2.3.1 拉曼散射原理
• 2.3.2 拉曼雷达方程和拉曼温度公式
• 2.3.3 拉曼温度廓线消光修正的效果
• 第三章 拉曼激光雷达的数据分析
• 3.1 噪声的来源
• 3.2 激光雷达回波信号的降噪方法
• 3.2.1 多次积分提高信号的信噪比
• 3.2.2 扣除背景噪声
• 3.2.3 小波降噪
• 3.2.4 滑动平均
• 3.3 气溶胶对拉曼温度廓线的影响
• 3.3.1 气溶胶极少的情况
• 3.3.2 有气溶胶修正的情况
• 3.4 本章小结
• 第四章 拉曼激光雷达的数据反演结果
• 4.1 短时间内连续观测结果
• 4.1.1 以500秒积分一次的温度廓线
• 4.1.2 以5000秒积分一次的温度廓线
• 4.2 中长期连续观测统计结果
• 4.2.1 拉曼旬平均温度廓线与探空资料的比较
• 4.2.2 拉曼旬平均温度廓线与月平均温度廓线的变化趋势
• 4.3 本章小结
• 第五章 拉曼激光雷达反演大气气溶胶
• 5.1 大气气溶胶的研究背景和意义
• 5.2 大气气溶胶的光学特性
• 5.3 拉曼激光雷达反演气溶胶原理
• 5.4 拉曼激光雷达反演气溶胶结果与米散射反演结果的对比分析
• 5.4.1 气溶胶较多时的情况
• 5.4.2 气溶胶很少时的情况
• 5.4.3 一次有明显气溶胶变化的观测
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文