全天时紫外纯转动拉曼激光雷达系统研制与低对流层大气温度周日变化的研究

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我们成功研制了分别基于准单支谱和多支谱提取的全天时紫外纯转动拉曼激光雷达系统,前者采用Fabry-Perot标准具与窄带滤光片联合分光光路,后者采用窄带滤光片分光光路。两种分光光路在提取N2和O2分子anti-Stokes纯转动拉曼谱线信号的同时均有效抑制了强烈的太阳背景噪声,从而实现了武汉地区(30.53°N,114.37°E)大气温度的全天时探测。本文首次展示了1小时时间分辨率的连续多天低对流层周日温度变化的观测结果。主要研究内容概括如下:(1)完成了基于准单支谱提取的全天时紫外纯转动拉曼激光雷达系统的研制。系统采用波长为354.82 nm、单脉冲能量为~250 m J、重复频率为30 Hz的种子注入三倍频Nd:YAG脉冲激光器作为发射光源;采用5倍扩束镜减小光束发散角和辐射通量密度;采用主镜通光口径为200 mm的卡塞格林反射式望远镜接收大气回波信号;通过Fabry-Perot标准具与窄带滤光片联合分光光路实现准单支anti-Stokes纯转动拉曼谱线的提取。在Fabry-Perot标准具的光路校准中,通过扫描Fabry-Perot标准具工作角度来获取不同角度下大气回波信号剖面,当整个探测范围内的回波信号强度最大时,说明此时Fabry-Perot标准具处于最佳工作角度。系统完全进视场高度为~2 km,在正午附近最大太阳高度角为~37°的晴朗天气条件下,对于信号累积时间为60 min、高度分辨率为90 m的大气温度剖面,夜间和正午附近的统计误差小于1 K的探测范围最高分别可达~5 km、~4 km。(2)在上述系统光路基础上进行改型设计,完成了基于多支谱提取的全天时紫外纯转动拉曼激光雷达系统的研制。系统采用窄带滤光片分光光路实现多支anti-Stokes纯转动拉曼谱线的提取并抑制太阳背景噪声。在晴朗天气条件下且当天正午附近最大太阳高度角为~60°时,对于时间分辨率为60 min、高度分辨率为90 m的大气温度剖面,夜间和正午附近的统计误差小于1 K的探测范围最高分别可达~4.1 km和~2.3 km。从测温统计误差、完全进视场高度等方面出发,比较了两种激光雷达系统的全天测温性能:在相同的系统参数(除滤波器参数以外)和环境条件(如太阳高度角、天气)下,准单支谱激光雷达在白天的测温精度要优于多支谱激光雷达,在夜间则相反;后者完全进视场高度较低,可以探测边界层以内的大气温度。(3)展示了1小时时间分辨率的连续多天低对流层大气温度周日变化观测结果。对三个不同月份(1月、7月、9月)共9天的周日温度变化进行了谐波分析。在7月和9月的0-~1.4 km、1月的0-~0.8 km高度范围内,大气温度展现出了强烈的周日振荡和温和的半日振荡。周日振荡占总谐波成分大于50%,半日振荡则小于30%。在0.6 km处,三个观测周期的周日、半日振荡的平均振幅分别为~1.4 K和~0.5 K,而地表空气温度相应值分别为~4.2 K和~1.4 K。周日振荡的振幅大体上随高度增加而递减。在0.6 km以上,9月的周日振荡振幅要小于7月、大于1月。从地表至0.6 km,7月的周日振荡振幅随高度衰减速率要小于9月和1月。0.6 km以上的周日振荡相对于地表空气温度存在相位延迟,即在7月为~3h、9月为5-6 h以及1月为5-7 h。0.6 km以上周日振荡的振幅和相位延迟可能存在季节依赖性。
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