合肥北京两地卷云特性的激光雷达探测研究

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大气中的卷云是由于天气系统的抬升或湿空气的深度对流而形成的,通常由不规则的冰晶粒子组成,水平范围可达几百公里到上千公里,生命史为几小时到几天,大约覆盖了地球面积的20%~30%。卷云具有复杂的散射和吸收特性,是影响地气系统辐射收支的重要参数,因此成为当前国际上的热点研究领域。激光雷达因其高时空分辨率和高测量精度成为探测卷云的一种重要遥感工具。  本文使用三波长激光雷达系统和偏振-米散射激光雷达系统的探测数据,对合肥地区和北京地区的卷云结构特性、光学特性进行了研究,取得的主要结论如下:  (1)分析了三波长激光雷达系统所使用的355nm、532nm和1064nm三个波长对卷云的识别能力,其中1064nm的探测距离最短,但是对弱卷云的探测灵敏度最高,因此在实际应用中需综合考虑。  (2)分析了三波长激光雷达系统探测的合肥地区卷云结构特性,三个波长得到云结构均值如下:云底高度7.63km±1.24km(355nm),7.70km±1.21 km(532nm),7.79km±1.24km(1064nm);云峰高度8.05km±1.33km(355nm),8.23km±1.29km(532nm),8.36km±1.33km(1064nm);云顶高度8.69km±1.54km(355nm),9.21km±1.65km(532nm),9.61km±1.75km(1064nm);卷云厚度1.07km±0.52km(355nm),1.51 km±0.80km(532nm),1.82km±0.96km(1064nm)。云底高度和云峰高度的波长间差异较小,而云顶高度则相差较大,且波长越长得到的卷云高度越高,厚度也越厚。合肥地区卷云的季节分布特征为夏季最高、冬季最低,与对流层顶高度的季节变化特征相一致。  (3)合肥地区三个波长反演得到的卷云光学厚度均值分别为:0.13±0.10(355nm),0.12±0.09(532nm),0.13±0.05(1064nm)。三者在一定误差范围内基本相等,即对于三波长激光雷达系统所使用的三个波长来说,卷云的消光特性与波长无关,与米散射理论分析的结论相一致。  (4)合肥地区以光学厚度小于0.3的薄卷云为主,探测到厚卷云的比率较低。卷云光学厚度的季节变化特征与卷云厚度相一致,都是夏季最高,冬季最低,个例分析也表明两者大致呈正相关关系,即卷云越厚其光学厚度也越大。  (5)合肥地区三个波长反演得到的卷云有效激光雷达比均值分别为:21.0Sr±9.3Sr(355nm)、29.4Sr±11.7Sr(532nm)和38.1 Sr±11.4Sr(1064nm)。呈现出波长越长,有效激光雷达比均值越大的特征,与模拟分析的理论结果相一致。退偏振比大约在0.25-0.3之间,部分卷云退偏振比可达到0.5以上。  (6)偏振-米散射激光雷达系统在北京地区探测的卷云主要出现在6-11km之间,平均高度分别为云底7.53km±0.74km,云峰7.79km±0.75km,云顶8.27km±0.85km,卷云平均厚度为0.74km±0.54km。激光雷达与探空相对湿度得到的云结构较为一致。  (7)北京地区卷云光学厚度的分布范围在0-0.5之间,均值为0.089±0.080,以光学厚度小于0.3的薄卷云为主,厚卷云被探测到的较少。卷云有效激光雷达比分布范围为0Sr-90Sr,分布频率最高的区域为20Sr-30Sr,均值32.3Sr±14.7Sr。退偏振比大约在0.25-0.4之间,部分卷云可超过0.4。
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