云是影響大氣輻射傳輸?shù)闹匾蛩?對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射收支平衡有重要影響。近年來(lái)許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用各種主被動(dòng)探測(cè)手段對(duì)云的微物理特性開(kāi)展了一系列研究。水云的液態(tài)含水量和云粒子半徑是影響大氣輻射傳輸過(guò)程的重要參量,因此開(kāi)展對(duì)二者的探測(cè)是十分有意義的。隨著散射理論的發(fā)展,部分學(xué)者提出可以利用云的多次散射攜帶的信息來(lái)反演云微物理參量,由于云粒子平均自由程較小,容易發(fā)生多次散射。而多次散射與散射體的粒子數(shù)濃度有關(guān),因此可以利用多次散射來(lái)反演云的微物理參量。本文基于蒙特卡洛算法計(jì)算了液態(tài)水云的散射特性并根據(jù)其散射特性提出了一種用于反演水云液態(tài)水含量和云粒子半徑的方法。根據(jù)模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)了一部多視場(chǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對(duì)南京北郊地區(qū)的水云進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)和反演方法計(jì)算得到了水云的兩個(gè)微物理參量。并將得到的微物理參量與GPM衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,從而驗(yàn)證了該反演方法的準(zhǔn)確性。然后,我們利用蒙特卡洛算法研究了液態(tài)水云的偏振特征,分析了液態(tài)水云的偏振度與多次散射因子的關(guān)系。根據(jù)模擬結(jié)果,我們得到液態(tài)水云的偏振度隨多次散射強(qiáng)度的增加而敏感性降低,表現(xiàn)為偏振飽和現(xiàn)象且飽和值與視場(chǎng)角有關(guān)。在此理論基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)了一部多視場(chǎng)偏振激光雷達(dá)系統(tǒng),完成了對(duì)偏振激光雷達(dá)的定標(biāo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)南京北郊地區(qū)的液態(tài)水云的觀測(cè)。通過(guò)分析該雷達(dá)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),我們得到實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)和蒙特卡洛算法模擬數(shù)據(jù)具有一致性。最后,我們對(duì)水云核化及水源動(dòng)力過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因子(氣溶膠和水汽)的反演方法進(jìn)行了優(yōu)化并利用雙波長(zhǎng)雙拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)反演得到氣溶膠和水汽的垂直探測(cè)廓線。通過(guò)改進(jìn)氮?dú)饫退囱菟惴?獲得了從近地面到平流層底部的大氣氣溶膠光學(xué)特性垂直廓線以及從近地面到12 km高度的水汽混合比垂直廓線,為研究水云核化及水源動(dòng)力過(guò)程提供原始數(shù)據(jù)積累。
【學(xué)位單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P426.5
【部分圖文】：

云粒子平均自由程較小，激光與云粒子碰撞發(fā)生第一次散射之后，散射光將繼續(xù)傳輸，作為入射光與下一個(gè)粒子碰撞產(chǎn)生散射現(xiàn)象，這個(gè)過(guò)程將會(huì)一直重復(fù)下去，直到散射光離開(kāi)水云的內(nèi)部。多次散射模型如圖1.1所示，發(fā)生多次散射后，只有沿著接收機(jī)的接收視場(chǎng)區(qū)域所在軸線方向那部分能量才能回到接收機(jī)。因此激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)不僅包括單次散射信號(hào)，還包括多次散射信號(hào)。望遠(yuǎn)鏡接收到的后向散射信號(hào)中多次散射的占比主要與液態(tài)水云的光學(xué)性質(zhì)和望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)角等因素有關(guān)。

隨消光系數(shù)和云粒子有效半徑都變化。因此我們提出基于多次散射過(guò)程對(duì)云微物理參數(shù)反演的方法。其反演流程圖如圖2.4所示。首先我們可以通過(guò)激光雷達(dá)信號(hào)計(jì)算得到SRCLS和IRCLS，然后通過(guò)SRCLS反演得到云的消光系數(shù)，根據(jù)消光系數(shù)并結(jié)合IRCLS反演得到云粒子半徑。最后根據(jù)云粒子半徑并結(jié)合消光系數(shù)計(jì)算云的液態(tài)含水量。圖2.4反演方法流程圖2.3本章小結(jié)本章介紹了多次散射過(guò)程的研究方法—蒙特卡洛算法。著重介紹了基于該方法計(jì)算得到的液態(tài)水云的散射特性，提出了一種基于多次散射特性對(duì)云液態(tài)含水量和云粒子半徑反演的方法：1）通過(guò)激光雷達(dá)觀測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到SRCLS和IRCLS。2）根據(jù)SRCLS反演得到云的消光系數(shù)，并結(jié)合IRCLS反演得到云的尺度譜信息。3）根據(jù)反演得到的尺度譜信息并結(jié)合消光系數(shù)反演得到水云的液態(tài)含水量。最后本章討論該反演方法用于反演云微物理參量的敏感性及其適用性的問(wèn)題，得到在反演過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮多次散射因子的影響并指出可以通過(guò)減小視場(chǎng)角變化來(lái)避免這一影響。

和1 mrad。 圖3.2給出了視場(chǎng)角為0.25mrad下激光雷達(dá)的回波能量隨探測(cè)高度的變化，圖中黑色方塊中是我們研究的區(qū)域。從圖中可以得到，在此觀測(cè)過(guò)程中，激光雷達(dá)在三個(gè)時(shí)刻內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有一致性，這說(shuō)明在觀測(cè)過(guò)程中云的微物理參數(shù)沒(méi)有發(fā)生改變。根據(jù)蒙特卡洛計(jì)算，我們給出典型云參數(shù)下的液態(tài)含水量和云粒子有效半徑，根據(jù)計(jì)算我們得到在這三個(gè)視場(chǎng)角下其多次散射因子分別為0.9589, 0.9517, 0.9424。因此我們可以得到設(shè)置此視場(chǎng)角變化范圍，多次散射因子基本保持恒定。根據(jù)我們觀測(cè)的數(shù)據(jù)，我們選取盡量滿足我們理論模型的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步研究液態(tài)水云的微物理特性。圖3.3給出了在不同視場(chǎng)角下激光雷達(dá)回波信號(hào)，其中數(shù)據(jù)采集于2016年12月24日。由圖可知，該個(gè)例云底高度和云頂高度分別為1965 m和2080 m（如圖中的黑框所示）。因此我們提取這段數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析
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