武汉上空中层大气的瑞利激光雷达观测与研究

论文题目: 武汉上空中层大气的瑞利激光雷达观测与研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 原子分子物理

作者: 常启海

导师: 龚顺生

关键词: 瑞利激光雷达,性能评估,反演算法,中层大气,温度结构,重力波,大气稳定性

文献来源: 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 在处于大约10-100Km高度的中层大气中存在着许多复杂的物理、化学和动力学过程，中层大气也是对太阳活动极为敏感的大气区域。中层大气内部的复杂变化会耦合到低层大气中，从而对全球气候的变化与人类生存环境产生影响。因此中层大气的研究具有重要意义。由于中层大气探测的困难，使得人们对中层大气的研究还很不充分。瑞利散射激光雷达的出现，在很大程度上改变了上述局面。中科院武汉物理与数学研究所(WIPM)在1995年成功地研制出了我国首台高空探测瑞利激光雷达，并在2001年对此瑞利激光雷达进行了升级，使其探测高度达到80km。本文对WIPM瑞利激光雷达的性能进行了评估，研究了激光雷达数据的反演方法，通过WIPM瑞利激光雷达对武汉上空的中层大气进行了观测和研究，取得以下结果： 1：通过对不同中层大气观测仪器的比较评估了WIPM瑞利激光雷达的探测性能。WIPM瑞利激光雷达系统基本上可以忽略准直、强光感生噪声和多光子堆积等系统误差，表明WIPM瑞利激光雷达的性能是稳定的。WIPM瑞利激光雷达探测中层大气温度的精度可达到：对于1小时、1公里的时空分辨率，40公里以下小于0.5％，60公里以下小于2％，70公里以下小于5％，对于3小时、3公里的时空分辨率，50公里以下小于0.5％，70公里以下小于2％。 2：通过回波模拟数据分别对大气传输情况和激光雷达温度反演算法进行了分析和验证。指出在选用532nm和355nm为发射波长时，必须分别考虑臭氧分子和大气分子的消光吸收作用对温度反演的影响；积分算法对温度反演最稳定；温度反演时必须考虑激光雷达所在海拔高度。 3：WIPM激光雷达的探测研究表明武汉上空中层大气温度结构具有以下的特点：在上平流层的温度普遍低于模式标准大气CIRA86。在武汉上空上平流层的温度明显表现出年振荡的特点。温度季节分布的年和半年扰动的幅度变化趋势与中纬地区其它激光雷达观测结果相一致。 4：通过创建波动模拟数据对分析重力波活动的方法进行了比较研究。发现在分析重力波的参数方面普罗尼方法要优于传统的方法。重力波事例研究发现重力波谱活动随时间呈现出间歇特性。重力波的幅度随衰减因子的减小而趋于稳定

论文目录:

摘要

Abstract

第一章概述

1.1 大气探测激光雷达原理

1.1.1 激光和大气相互作用的机制

1.1.2 大气激光雷达技术

1.2 大气探测激光雷达的分类

1.3 中层大气研究

1.4 本文的研究内容

第二章瑞利激光雷达中层大气探测技术

2.1 瑞利激光雷达原理

2.2 WIPM瑞利激光雷达技术

2.3 雷达数据反演

2.4 测量误差及其修正

2.5 激光雷达探测性能

2.6 小结

第三章瑞利激光雷达数据处理方法

3.1 瑞利激光雷达方程

3.2 激光雷达回波数据模拟

3.3 温度反演算法分析

3.3.1 大气成分和激光雷达系统的分析

3.3.2 温度反演算法的分析

3.4 小结

第四章武汉上空中层大气温度结构特征

4.1 数据描述与处理

4.2 探测结果

4.2.1 温度结构观测

4.2.2 温度分布的年和半年扰动

4.3 讨论

4.4 小结

第五章武汉上空中层大气重力波活动

5.1 重力波分析方法

5.1.1 传统方法

5.1.2 普罗尼方法

5.2 重力波分析方法的比较

5.2.1 单色波模拟数据的比较

5.2.2 多色复合波模拟数据的比较

5.3 波动数据处理

5.4 重力波事例观测

5.5 重力波场的表征参数

5.5.1 大气密度扰动参数

5.5.2 大气密度扰动谱参数

5.6 季节变化观测

5.7 小结

第六章武汉上空中层大气的稳定性初步研究

6.1 探测结果

6.2 结论

第七章总结与展望

参考文献

博士期间完成论文

致谢

发布时间: 2006-11-14

参考文献

[1].中层大气闪电现象的模拟研究[D]. 吴明亮.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）2006

武汉上空中层大气的瑞利激光雷达观测与研究

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