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大气压力的激光雷达探测方法研究

赵暄  
【摘要】:单位面积上所承受的空气柱的质量被称为大气压力。在现代气象科学中,精确的气压资料是进行精确天气分析和预报的关键,大气压力是气象学中一个极其重要的物理参量,开展大气压力廓线的高精度遥感探测技术研究是很有必要的。本论文对地面至高空大气压力廓线的激光雷达探测技术展开研究。根据不同高度处的大气状况,及激光雷达散射信号特性将大气探测区域分为三层,分别是0-12 km、10-25 km、25-40km。针对不同的高度层,分别提出了用瑞利散射大气压力探测方法,振动拉曼信号探测大气压力及振转拉曼相结合探测大气压力廓线的方法。在20 km以上的高空区域,气溶胶含量很小,基本可以忽略,瑞利信号的大小就反映了分子数密度的变化,利用瑞利信号可以反演大气压力;在10-25 km范围,少量气溶胶的存在会影响到瑞利信号,故须选取振动拉曼信号来反演大气压力;在0-12 km范围,气溶胶浓度很高,分子数密度对气溶胶非常敏感,故采用转动拉曼信号先反演大气温度,再推演得出大气压力。利用西安理工大学激光雷达遥感中心的激光雷达探测数据,开展了大气压力的数据反演,并与探空数据对比,进行了精度分析。实现了 0-40km的大气压力数据反演。转动拉曼信号反演大气压力的主要误差来源于温度偏差、参考点偏差和大气比湿偏差,得到的大气压力廓线与探空数据的比对偏差小于5 hPa(百帕);振动拉曼信号反演大气压力的误差主要来源于参考点误差和大气透过率误差,反演结果与探空数据的比对偏差小于4 hPa;瑞利信号反演大气压力的误差主要来源于参考点偏差和信噪比,反演结果与探空的比对偏差小于6 hPa。本论文通过实测数据的反演与分析,初步实现了大气压力探测的激光雷达方法研究,反演数据证明了所提方法的可行性。


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