水是唯一具有三相態(tài)的大氣參數(shù)。水汽是大氣中最活躍的成分之一,具有較為明顯的時空變化特征,在成云、降水等過程中是不可或缺的重要因素。大氣水汽和液態(tài)水含量又同時是云降水物理的重要參量,在大氣水循環(huán)、大氣水分收支平衡、云物理中扮演著重要的作用。因此,開展大氣三相態(tài)水的識別和探測,對認(rèn)識云微物理、云降水物理以及人工影響天氣過程等具有重要的科學(xué)意義和研究價值。論文開展了大氣三相態(tài)水拉曼激光雷達(dá)的同步探測技術(shù)研究,針對三相態(tài)水的拉曼光譜特性,首先通過理論仿真詳細(xì)探討了各拉曼通道中濾光片的選型參數(shù)對三相態(tài)水光譜重疊特性和探測信噪比的影響;并針對兩者無法同時取得最優(yōu)解的情況,提出了利用多目標(biāo)規(guī)劃問題的評價函數(shù)方法,分析獲得了各通道最優(yōu)的濾光片參數(shù)。結(jié)果表明,當(dāng)固態(tài)水、液態(tài)水和水汽拉曼通道的窄帶濾光片中心波長和帶寬分別為397.9 nm(3.1 nm),403.0 nm(5.0 nm)和407.6 nm(0.6 nm)時,可獲得各通道間最低的光譜重疊度值和最佳探測信噪比,從而實現(xiàn)了三相態(tài)水同步探測拉曼分光系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。針對三相態(tài)水拉曼散射回波信號的串?dāng)_問題,論文提出了基于光譜干擾度的大氣三相態(tài)水混合比同步反演方法,并理論分析了混合比的反演誤差分布。仿真結(jié)果表明,回波信號項是影響三相態(tài)水混合比整體誤差的首要因素,以3 km為參考點,白天有云天氣下水汽、液態(tài)水和固態(tài)水的整體誤差分別為8%、15%和30%左右。搭建了基于二向色鏡和干涉濾光片為主要分光器件的高性能拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng),并開展了初步的探測實驗和結(jié)果分析。通過晴天、有云以及霧霾等天氣條件下的典型探測結(jié)果分析,表明了該激光雷達(dá)系統(tǒng)己成功實現(xiàn)對7 km以下大氣水汽、5 km以下液態(tài)水和3 km以下固態(tài)水的同步探測和反演,尤其是獲得在云層內(nèi)大氣水汽、液態(tài)水以及固態(tài)水的同步增長。論文還開展了大氣三相態(tài)水的同步連續(xù)觀測實驗,反演得到了水汽混合比、液態(tài)水混合比和固態(tài)水混合比廓線,獲得了三相態(tài)水的時空演變特征,反映了云層的漂移過程以及云層內(nèi)三相態(tài)含量的同步變化趨勢,實現(xiàn)了大氣三相態(tài)水的拉曼激光雷達(dá)同步探測以及三相態(tài)水含量的反演,為云中液態(tài)水積分、云微物理特性等研究提供技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN958.98
【部分圖文】：

并具有同步增長趨勢，說明在云層內(nèi)存在更多大氣水相態(tài)的相互轉(zhuǎn)變和時空輸送過程。5.4 大氣三相態(tài)水的連續(xù)探測與時空分布特性分析為了進(jìn)一步研究大氣三相態(tài)水的時空分布特征，在相同的系統(tǒng)參數(shù)下，利用該拉曼激光雷達(dá)進(jìn)行了對大氣三相態(tài)水的連續(xù)觀測。第一組連續(xù)探測是在晴天條件下，2018 年11 月 19 日晚間 20:45-2018 年 11 月 20 日 06:30 CST 進(jìn)行的，當(dāng)天空氣質(zhì)量為輕度污染，AQI 指數(shù) 110 左右，PM2.5 平均值約為 80 μg/m3。圖 5-8 (a)為連續(xù)探測的米-瑞利距離平方校正信號的 THI 圖，從空間分布上來看，米-瑞利回波信號在盲區(qū)以上呈現(xiàn)出平緩衰減趨勢。并且各個時刻米-瑞利回波信號的整體強度呈現(xiàn)出明顯的隨時間變化的特征。在高度 1.8 km 附近有一氣溶膠聚集層，在 00:00 以前該處氣溶膠較多，在 00:00-05:45 氣溶膠較少，06:00 以后由于人類活動氣溶膠又出現(xiàn)增大趨勢。圖 5-8(b)為水汽回波信號 THI圖，水汽回波信號在高度分布上平緩較小，00:00 時刻以前底層大氣中水汽信號較強，00:00-06:00 水汽信號明顯減小。圖 5-8(c)是液態(tài)水連續(xù)探測回波信號 THI 圖，在 1-2 km范圍內(nèi)，液態(tài)水回波信號較強并且隨著時間有減小趨勢。圖 5-8(d)為固態(tài)水連續(xù)探測回波信號 THI 圖，可以看到受探測信噪比的影響，固態(tài)水的探測距離十分有限。

西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 5-10 所示。其中圖 5-10(a)為米-瑞利通道的距離校正平方信號，由于底層氣溶膠較多，1.5 km 以下米-瑞利回波信號也較強。在 20:45 時刻高度為 1.7 km 位置，對應(yīng)的米-瑞利信號在該處有顯著的增強，隨著時間的推移，云層的位置在 22:15 后基本均在 1.8-2 km范圍內(nèi)小幅度移動。圖 5-10(b)為水汽通道的距離校正平方信號 THI 圖，從高度分布來看，云底以下水汽信號平緩減小，在過云后 2 km 附近迅速衰減，從時間分布來看，底層水汽回波信號有逐漸增大趨勢。圖 5-10(c)為液態(tài)水通道的距離校正平方信號 THI 圖，同樣的在過云位置液態(tài)水信號迅速衰減，在 1.5 km 以下底層大氣中液態(tài)水回波信號逐漸增大。圖 5-10(d)為固態(tài)水通道的距離校正平方信號，20:45-23:45 內(nèi)底層固態(tài)水回波信號相對較小，23:45-04:15 內(nèi)底層固態(tài)水隨著時間逐漸增大。綜上，三相態(tài)水回波信號具有明顯的時空分布特征，在云層內(nèi)信號強度均有一定程度的增強，說明云層內(nèi)三相態(tài)水含量豐富，而過云后信噪比迅速降低，回波信號迅速衰減。

-1，在不同時刻氣溶膠消光系數(shù)峰值的位置有所不同，表明云層隨時間發(fā)生漂移運動。圖5-15給出了連續(xù)測量的氣溶膠消光系數(shù)廓線 THI 圖，更加清晰的顯示了氣溶膠垂直分布廓線隨時間演變的分布特征。從圖中可以看出，在 2 km 附近云層處氣溶膠消光系數(shù)較大

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本文編號：2830384