【摘要】：瑞利激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)式光學(xué)遙感設(shè)備,可以精確探測(cè)30-80km范圍內(nèi)中層大氣的溫度和密度,提供高時(shí)空分辨率的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),是探測(cè)和研究中層大氣結(jié)構(gòu)及變化趨勢(shì)的有力手段。位于北京市延慶縣(40.3°N,116.2°E)的子午工程北京雙波長(zhǎng)瑞利激光雷達(dá)在2009年11月份建成投入運(yùn)行,用來(lái)探測(cè)北京上空中層大氣的密度和溫度結(jié)構(gòu)。為克服光電倍增管可能出現(xiàn)的非線性效應(yīng),本文采用雙通道拼接技術(shù)來(lái)反演35-90km范圍內(nèi)的大氣密度廓線和35-85km范圍內(nèi)的大氣溫度廓線,反演算法的精度分析表明大氣密度探測(cè)誤差為1%~5%,大氣溫度探測(cè)誤差為2~10K。本文將激光雷達(dá)反演溫度與TIMED/SABER溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了同時(shí)同地的對(duì)比,驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)反演算法的可靠性。利用子午工程北京瑞利激光雷達(dá)從2012年5月至2013年4月一整年的溫度觀測(cè)數(shù)據(jù),本文對(duì)北京上空中層大氣進(jìn)行了研究,結(jié)果表明中層大氣溫度結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)變化特征:平流層大氣呈現(xiàn)出夏熱冬冷的變化趨勢(shì),中間層大氣呈現(xiàn)出夏冷冬熱的變化趨勢(shì);70km以上中層頂區(qū)域大氣溫度變化主要受年振蕩因素控制,55-70km中間層區(qū)域大氣溫度變化同時(shí)受年振蕩和半年振蕩因素控制,而在55km以下區(qū)域年振蕩、半年振蕩和3個(gè)月振蕩因素的聯(lián)合貢獻(xiàn)決定了大氣溫度結(jié)構(gòu)的變化;平流層頂高度呈現(xiàn)出明顯的半年振蕩(SAO)特征,平流層頂溫度呈現(xiàn)出明顯的年振蕩(AO)特征。同時(shí),激光雷達(dá)溫度數(shù)據(jù)和MSIS-00大氣模式數(shù)據(jù)的長(zhǎng)周期對(duì)比結(jié)果表明觀測(cè)溫度在整個(gè)高度范圍內(nèi)普遍低于模式預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),該現(xiàn)象可能與強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)、溫室氣體的排放以及華北地區(qū)頻發(fā)的“霧霾”天氣等因素有關(guān)。激光雷達(dá)和衛(wèi)星TIMED/SABER均觀測(cè)到2012年冬季北京上空出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間中層頂逆溫層(long-term MIL)和平流層突然增溫過(guò)程(STE),統(tǒng)稱為中層大氣冬季溫度異常結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)溫度數(shù)據(jù)和SABER溫度數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間中層頂逆溫層的產(chǎn)生機(jī)制可能是重力波-背景場(chǎng)-行星波耦合作用。衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析表明平流層突然增溫過(guò)程與行星波1波在平流層活動(dòng)大幅度增強(qiáng)密切相關(guān),而且此次北京上空觀測(cè)到的平流層增溫過(guò)程可能是2013年1月份北極地區(qū)平流層爆發(fā)性增溫事件(SSW)的前兆。子午工程延慶多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)于2015年初完成調(diào)試并對(duì)北京上空夜間大氣水平風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行了初步探測(cè),在數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率為(1h,384m)的情況下,15-35km的風(fēng)場(chǎng)反演誤差不超過(guò)?5m/s,探測(cè)結(jié)果表明延慶多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已具備對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)的夜間連續(xù)觀測(cè)能力,為今后實(shí)現(xiàn)常規(guī)觀測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

圖 1. 子午工程北京雙波長(zhǎng)瑞利激光雷達(dá)原理框圖2.1.1 發(fā)射單元子午工程北京激光雷達(dá)發(fā)射單元主要包括一臺(tái) Nd:YAG 固體激光器（Continuum PowerLite 9030）、一臺(tái)染料激光器（ND6000）、倍頻晶體、強(qiáng)光分光元件、激光擴(kuò)束鏡、裝有步進(jìn)電機(jī)的反射棱鏡等組成。利用兩次倍頻余光復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái) Nd:YAG 固體激光器同時(shí)產(chǎn)生兩束 532nm 脈沖激光：一束直接擴(kuò)束后經(jīng)反射垂直射入大氣；另一束用于泵浦 ND6000 染料激光器，，產(chǎn)生589nm 脈沖激光。兩次倍頻余光復(fù)用技術(shù)最大效率的利用了 Nd:YAG 固體激光器的能量，合理地實(shí)現(xiàn)了 532nm 激光和 589nm 激光的同時(shí)輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)激光與倍頻器的匹配角度，可以靈活調(diào)節(jié)兩束激光的能量比。

圖 1. 子午工程北京雙波長(zhǎng)瑞利激光雷達(dá)原理框圖元程北京激光雷達(dá)發(fā)射單元主要包括一臺(tái) Nd:YAG PowerLite 9030）、一臺(tái)染料激光器（ND6000）、倍光擴(kuò)束鏡、裝有步進(jìn)電機(jī)的反射棱鏡等組成。利用兩了一臺(tái) Nd:YAG 固體激光器同時(shí)產(chǎn)生兩束 532nm 脈反射垂直射入大氣；另一束用于泵浦 ND6000 染料激光。兩次倍頻余光復(fù)用技術(shù)最大效率的利用了 Nd:Y理地實(shí)現(xiàn)了 532nm 激光和 589nm 激光的同時(shí)輸出，配角度，可以靈活調(diào)節(jié)兩束激光的能量比。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P412.25

【參考文獻(xiàn)】

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1 吳永華,胡歡陵,胡順星,周軍,張民;激光雷達(dá)探測(cè)平流層中上部大氣密度和溫度[J];量子電子學(xué)報(bào);2000年05期

2 范全林;;基于子午工程的國(guó)際空間天氣子午圈計(jì)劃[J];中國(guó)科學(xué)基金;2008年02期

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1 常啟海;武漢上空中層大氣的瑞利激光雷達(dá)觀測(cè)與研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2005年

本文編號(hào)：2651021