【摘要】：對流層頂是對流層和平流層之間的過渡層,它是地球大氣的一個最基本的結(jié)構(gòu)特征,也是人類活動引起氣候變化的一個敏感區(qū)域。對流層與平流層之間的物理、化學變化和輻射過程的耦合直接影響著氣候變化。尤其是對流層頂結(jié)構(gòu)、位置、強度的變化直接影響著近地層的天氣與空氣狀況。因此,對流層頂?shù)拈L期精細觀測以及結(jié)構(gòu)分析對研究地球全體與局地的氣候與氣象變化,具有重要的科學意義與應(yīng)用價值。論文以對流層頂大氣結(jié)構(gòu)為研究目標,在現(xiàn)有大氣多參量同時探測拉曼激光雷達系統(tǒng)和傳統(tǒng)反演技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種基于振動-轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達的大動態(tài)大氣溫度反演方法。利用氮氣振動拉曼激光雷達的的大氣溫度反演技術(shù)以及基于誤差權(quán)重的振動-轉(zhuǎn)動拉曼數(shù)據(jù)拼接技術(shù),從而實現(xiàn)了對流層-下平流層范圍內(nèi)大氣溫度的精確反演,在高度22km以下的溫度統(tǒng)計誤差小于3K。提出了一種基于后向散射比校正的大氣氣溶膠光學參數(shù)精確反演的改進方法,并以后向散射比作為特征參量,獲得了對流層-下平流層范圍內(nèi)易產(chǎn)生氣溶膠層或云層的有效探測,為對流層頂大氣結(jié)構(gòu)的研究提供了可靠的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)來源。利用2013-2015年大氣多參量同步探測拉曼激光雷達系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù),開展了長期的數(shù)據(jù)反演和分析,獲得了對流層-下平流層范圍大氣溫度、氣溶膠光學參數(shù)、水汽密度及相對濕度等廓線,并結(jié)合NCEP數(shù)據(jù)資料和HYSPLIT模式的氣流軌跡追蹤,獲得了西安地區(qū)局地上空對流層頂區(qū)域內(nèi)的大氣多參量日變化和季節(jié)變化趨勢。大氣多參量的同步分析結(jié)果表明:西安地區(qū)的對流層頂高度在17-18.5km范圍內(nèi),在對流層頂附近易形成氣溶膠層,對應(yīng)的后向散射比明顯增大；在該區(qū)域內(nèi),相應(yīng)的大氣水汽密度、相對濕度和風速都呈現(xiàn)驟減的趨勢,且受到來自西和西北方向為主的快速氣流軌跡影響,初步完成了西安地區(qū)對流層頂大氣結(jié)構(gòu)的探索性分析。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN958.98
【圖文】：

平流層是一個放射性、動力學及化學過程都分布特征受地面影響較小，其變化特征與大氣中臭與高空重力波和大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)有關(guān)【1,2】。值得注意個厚度不定的過渡層-對流層頂。頂?shù)亩x主要有三種，第一種為對流層頂?shù)臒崃斪鞒隽巳缦露x【3】：500 hPa 等壓面之上溫度遞減而且在此高度與其上 2 km 氣層內(nèi)的溫度平均遞熱力學定義操作性比較強，僅根據(jù)大氣溫度廓線就流層頂還有一個通常使用到的熱力學定義，即溫度低點所對應(yīng)的高度【4】。第二種為基于位渦的“動力不連續(xù)性通過對流層頂將對流層內(nèi)位渦的低值與平化學角度，對流層的大氣濕潤但臭氧含量少，平流層點，Bathan 等人于 1996 年提出了臭氧對流層頂?shù)母牛撼粞鯇α鲗禹斖ǔ１葻崃W對流層頂更低【6】。以流層頂作為不連續(xù)面，無論哪一種定義都不是完美

圖 2-1 激勵激光波長為 354.7nm 時的激光雷達大氣回波信號光譜 Spectrum distribution of return signals at laser excitation wavelength為 354.7nm 的激光進入大氣，其后向散射回波信號中包括信號，如圖 2-1 所示，主要包括：由大氣氣溶膠和分子產(chǎn)-瑞利散射光譜，由大氣氧氣、氮氣和水汽分子產(chǎn)生的中nm 和 407.5nm 的振動拉曼散射光譜，以及分布在米-瑞利動拉曼散射光譜。利用這些光譜的回波信號強度可實現(xiàn)探測與反演，如圖 2-2 所示為利用拉曼散射進行大氣多參子的純轉(zhuǎn)拉曼散射信號可實現(xiàn)對大氣溫度的反演，結(jié)合氮信號進行對大氣水汽混合比或水汽密度廓線反演，進而可線；利用氮氣分子的振動拉曼散射信號和米-瑞利散射信號反演，進而分析氣溶膠層以及云層等。

圖 2-1 激勵激光波長為 354.7nm 時的激光雷達大氣回波信號光譜分布Fig.2-1 Spectrum distribution of return signals at laser excitation wavelength of 35波長為 354.7nm 的激光進入大氣，其后向散射回波信號中包括具回波信號，如圖 2-1 所示，主要包括：由大氣氣溶膠和分子產(chǎn)生 的米-瑞利散射光譜，由大氣氧氣、氮氣和水汽分子產(chǎn)生的中心386.7nm 和 407.5nm 的振動拉曼散射光譜，以及分布在米-瑞利散子的轉(zhuǎn)動拉曼散射光譜。利用這些光譜的回波信號強度可實現(xiàn)對大膠的探測與反演，如圖 2-2 所示為利用拉曼散射進行大氣多參量氣分子的純轉(zhuǎn)拉曼散射信號可實現(xiàn)對大氣溫度的反演，結(jié)合氮氣散射信號進行對大氣水汽混合比或水汽密度廓線反演，進而可得的廓線；利用氮氣分子的振動拉曼散射信號和米-瑞利散射信號實精細反演，進而分析氣溶膠層以及云層等。

【參考文獻】

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