钠测温测风激光雷达的研制及重力波动量通量的探测

【摘要】：中高层大气温度和风场是描述中高层大气特性的重要参数,对研究中高层大气潮汐波、重力波、行星尺度波以及波与波之间的相互作用,中高层大气环流和温度结构具有非常重要意义。目前,国内对中高层大气的温度和风场探测比较匮乏,主要是借助流星雷达进行中高层大气风场的探测。激光雷达作为一种新型的探测手段逐步成为大气遥感领域不可或缺的工具。本论文以高光谱分辨率激光雷达技术为基础,详细阐述了我国首台经过国内外专家鉴定的高光谱分辨率钠测温测风激光雷达的成功研制,并利用该激光雷达观测的大气温度和风场数据,研究了中间层顶区域半日潮汐波与重力波动量通量。全文共分两部分： 第一部分为综述和原理部分,包括两章。第一章主要介绍了大气成分及大气层结的基础知识、大气温度及风场的测量方法和钠荧光激光雷达国内外发展动态等。第二章以激光雷达大气探测技术为基本理论,阐述了钠荧光测温测风激光雷达的方程,结合钠原子超精细光谱结构和荧光光谱知识,详细叙述了高光谱分辨率钠荧光激光雷达探测大气温度和风场的基本原理。 第二部分为本人博士期间主要工作和研究成果,主要的研究工作如下： (1)作为骨干成员研制成功了我国首台经过国内外专家鉴定的高光谱分辨率钠测温测风激光雷达系统,详细论述了发射机、接收机和数据采集时序系统等关键技术的研制。发射机部分：采用半导体激光器泵浦环形染料激光器作为系统种子激光光源,研制了激光频率绝对锁定跟踪系统、三频激光产生器、脉冲染料放大激光器、自动准直系统等。接收机部分：设计了多维调整耦合装置,斩光盘系统等减少强回波信号影响和探测单元的非线性失真问题,并通过合理确定耦合光纤、透镜、滤光片和光电探测器参数,提高了系统回波信号光子数的探测效率。数据采集时序系统中设计了时序控制系统,自主开发了数据采集软件,实现了回波信号的连续自动采集。 (2)开展了高光谱分辨率钠激光雷达探测中间层顶大气温度和风场垂直分布的实验研究。详细阐述了自动数据处理程序从三频回波信号中反演80-105km高度范围的大气温度和风场的垂直廓线的过程。 (3)钠激光雷达探测的大气温度廓线与TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)卫星搭载的SABER (Sounding of the atmosphere using Broadband Emission Radiometry)仪器观测结果进行了对比,结果显示两种仪器观测的温度廓线基本一致。大气风场的观测结果与位于纬度接近相同距离约300km的武汉流星雷达的观测结果进行了对比,两者吻合较好,且两种观测仪器均探测到明显的相位向下传播的潮汐波结构。这表明钠激光雷达探测的大气温度和风场垂直廓线是合理的和可靠的。 (4)利用钠激光雷达探测的大气温度和风场数据,我们初步研究了中间层顶区域半日潮汐波的结构。对2011年12月3日的数据分析结果表明,纬向风半日潮汐幅度在98km高度约45m/s,垂直波长约28km,经向风半日潮汐幅度约50m/s,垂直波长约25km,温度半日潮汐幅度在98km高度约24K,垂直波长约24km。风场半日潮汐和武汉流星雷达观测的结果进行了对比,钠激光雷达探测的幅度大于武汉流星雷达探测的结果。在90km附近,我们探测到较为明显的相位变化。垂直波长较短以及相位变化均暗示了可能是由于重力波耗散和破碎引起的。 (5)中间层顶区域重力波动量通量的探测对中高层大气动力学的研究具有非常重要的科学意义。我们利用双光束(向东和向西离天顶角20°)的探测方式,实现了重力波纬向动量的垂直通量探测,其数值基本在-10m2s-2-10m2s-2之间。我们发现了重力波动量通量和纬向平均风的存在正相关和负相关特征。正相关特征可能是由于重力波在观测高度以下经历了反向的风剪切后,造成动量通量增加。而负相关特性是由于纬向平均风风剪切对重力波波谱的过滤作用,和风剪切方向一致的重力波动量通量会逐渐减小,而和风剪切方向相反的动量通量会增加。由于潮汐波直接调制了纬向风剪切方向的变化,重力波的耗散和破碎也必然可以造成潮汐波在短期内的剧烈变化。相反,潮汐波的变化也会进一步导致重力波动量通量及其散度的变化。