武汉上空中层大气的瑞利激光雷达观测与研究

【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