發(fā)布時間：2020-11-18 10:34

　　 云是影響大氣輻射傳輸?shù)闹匾�因�?對地氣系統(tǒng)的輻射收支平衡有重要影響。近年來許多國內(nèi)外學者利用各種主被動探測手段對云的微物理特性開展了一系列研究。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程的重要參量,因此開展對二者的探測是十分有意義的。隨著散射理論的發(fā)展,部分學者提出可以利用云的多次散射攜帶的信息來反演云微物理參量,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,因此可以利用多次散射來反演云的微物理參量。本文基于蒙特卡洛算法計算了液態(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)模擬結果,設計了一部多視場激光雷達系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對南京北郊地區(qū)的水云進行了觀測。結合觀測數(shù)據(jù)和反演方法計算得到了水云的兩個微物理參量。并將得到的微物理參量與GPM衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對比驗證,從而驗證了該反演方法的準確性。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系。根據(jù)模擬結果,我們得到液態(tài)水云的偏振度隨多次散射強度的增加而敏感性降低,表現(xiàn)為偏振飽和現(xiàn)象且飽和值與視場角有關。在此理論基礎上,我們設計了一部多視場偏振激光雷達系統(tǒng),完成了對偏振激光雷達的定標并實現(xiàn)對南京北郊地區(qū)的液態(tài)水云的觀測。通過分析該雷達系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù),我們得到實際觀測數(shù)據(jù)和蒙特卡洛算法模擬數(shù)據(jù)具有一致性。最后,我們對水云核化及水源動力過程的驅(qū)動因子(氣溶膠和水汽)的反演方法進行了優(yōu)化并利用雙波長雙拉曼激光雷達系統(tǒng)反演得到氣溶膠和水汽的垂直探測廓線。通過改進氮氣拉曼和水汽拉曼反演算法,獲得了從近地面到平流層底部的大氣氣溶膠光學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力過程提供原始數(shù)據(jù)積累。
【學位單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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粒子碰撞產(chǎn)生散射現(xiàn)象，這個過程將會一直重復下去，直到散射光離開水云的內(nèi)部。多次散射模型如圖1.1所示，發(fā)生多次散射后，只有沿著接收機的接收視場區(qū)域所在軸線方向那部分能量才能回到接收機。因此激光雷達望遠鏡接收到的信號不僅包括單次散射信號，還包括多次散射信號。望遠鏡接收到的后向散射信號中多次散射的占比主要與液態(tài)水云的光學性質(zhì)和望遠鏡的接收視場角等因素有關。

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程對云微物理參數(shù)反演的方法。其反演流程圖如圖2.4所示。首先我們可以通過激光雷達信號計算得到SRCLS和IRCLS，然后通過SRCLS反演得到云的消光系數(shù)，根據(jù)消光系數(shù)并結合IRCLS反演得到云粒子半徑。最后根據(jù)云粒子半徑并結合消光系數(shù)計算云的液態(tài)含水量。圖2.4反演方法流程圖2.3本章小結本章介紹了多次散射過程的研究方法—蒙特卡洛算法。著重介紹了基于該方法計算得到的液態(tài)水云的散射特性，提出了一種基于多次散射特性對云液態(tài)含水量和云粒子半徑反演的方法：1）通過激光雷達觀測的數(shù)據(jù)計算得到SRCLS和IRCLS。2）根據(jù)SRCLS反演得到云的消光系數(shù)，并結合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題，得到在反演過程中應當考慮多次散射因子的影響并指出可以通過減小視場角變化來避免這一影響。

和1 mrad。 圖3.2給出了視場角為0.25mrad下激光雷達的回波能量隨探測高度的變化，圖中黑色方塊中是我們研究的區(qū)域。從圖中可以得到，在此觀測過程中，激光雷達在三個時刻內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)具有一致性，這說明在觀測過程中云的微物理參數(shù)沒有發(fā)生改變。根據(jù)蒙特卡洛計算，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)計算我們得到在這三個視場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置此視場角變化范圍，多次散射因子基本保持恒定。根據(jù)我們觀測的數(shù)據(jù)，我們選取盡量滿足我們理論模型的觀測數(shù)據(jù)來進一步研究液態(tài)水云的微物理特性。圖3.3給出了在不同視場角下激光雷達回波信號，其中數(shù)據(jù)采集于2016年12月24日。由圖可知，該個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)做進一步分析
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本文編號：2888620