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用于斜程能见度的气溶胶主被动探测技术的校正与融合

高天乐  
【摘要】:大气能见度是大气物理的重要参量,也是大气污染的重要因子,反映了大气层的稳定程度。尤其是斜程能见度是航空运输中的重要影响因素,它的精确探测对机场飞机安全起落有着重要的影响意义。传统的斜程能见度探测技术存在一定的反演缺陷,忽略了斜程路径中大气发光的影响。本论文以激光雷达为主要探测手段,结合太阳光度计、能见度仪和粒谱仪等主被动探测手段,实现对大气气溶胶光学参量、微物理参量和散射参量的反演与校正融合,为解决斜程能见度精确探测中大气发光亮度的研究提供技术和数据支持。首先,设计并搭建了一套多波长全天时米-拉曼激光雷达气溶胶精细探测系统,完成了 4通道高光谱分辨率高性能分光系统的设计和分光性能测试。垂直探测和扫描探测实验表明了该系统可成功实现全天时多角度气溶胶的有效探测。其次,开展了大气气溶胶光学参量的精细反演与融合校正技术研究。利用小波阈值去噪技术和盲区校正技术实现了对大气气溶胶消光系数的校正反演,获得了准确的大气气溶胶消光系数廓线和后向散射系数廓线。利用气溶胶标高和能见度仪计算得到了整层大气气溶胶光学厚度,与太阳光度计得到的光学厚度具有高的正相关性(相关系数达到0.99),最大相对误差小于16.57%。表明了激光雷达结合能见度仪和太阳光度计融合校正技术可获得准确的大气气溶胶光学参量,为大气气溶胶微物理参量和散射参量的反演以及辐射传输方程的求解提供了可靠的基础数据支持。进而,开展了大气溶胶粒子谱分布的研究。利用正则化算法进行粒子体积谱反演,通过双峰对数正态谱模型和粒径谱仪获得的实测谱进行算法验证,反演平均误差小于21.6%。并与同时刻太阳光度计计算得到的整层气溶胶粒子体积谱结果进行对比和分析,验证了气溶胶粒子体积谱分布反演算法的可靠性。最后,利用激光雷达探测数据进行大气气溶胶的光学-微物理-散射特性的反演,着重探讨了有云和雾霾天气情况下0-100km大气共33层的大气气溶胶粒子的不对称因子、单次散射反照率以及散射相函数变化趋势。为了验证结果的正确性,利用激光雷达和SBDART模式计算获得了连续探测时段内的太阳直接辐射亮度,与太阳光度计的结果对比,两者具有强的正相关性,相关系数达到0.994,平均相对误差小于7.657%。充分验证了激光雷达结合多种探测手段进行的大气气溶胶光学-微物理-散射特性的一系列反演算法的可行性,为辐射传输方程的求解提供关键的数据支持,为斜程能见度的精细探测提供了有力的技术支撑。


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