基于高光谱分辨率测温激光雷达的对流层大气温度廓线测量

Troposphere temperature is an important meteorological parameter in atmospheric physics, weather analysis and forecasting, and atmospheric environment research. Research and development of tropospheric temperature profile measurement techniques with high precision and high spatial-temporal resolution, enable provide a new method of detection for the study of tropospheric inversion layer structure and cloud temperature structure. Based on gas Rayleigh-Brillouin theory, the project intends to study uncertainty of system parameters and gas transfer coefficient, as well as different concentration and particle size of particles existence, that lead to the effect to temperature retrieved from fitting of Rayleigh-Brillouin scattering spectrum. Further research on the analytical model of the gas Rayleigh-Brillouin spectrum is performed, which is used to quickly and accurately fit the Rayleigh-Brillouin scattering spectrum, and to improve the accuracy of the gas temperature retrieval in the presence of aerosol particles from the algorithm. A high spectral resolution temperature measurement laser radar based on Fizeau interferometer is developed. The system parameters are optimized to realize the absolute, day and night detection of troposphere temperature with high accuracy and high spatial-temporal resolution. The temperature profiles measured by laser radar are compared to the data from the sounding balloon to verify its reliability and the applicability, that enable to provide technical support for practical research and development, and provide a new method of detection and lay a foundation for the relevant scientific research.

对流层温度是大气物理、天气分析与预报及大气环境研究中的一个重要气象参数。研究发展高精度和高时空分辨对流层大气温度廓线测量技术，可为对流层中的逆温层结构以及云内温度结构等研究提供新的探测手段。本项目以气体瑞利-布里渊理论为基础，研究实验系统参数和气体传递系数的取值不确定度，以及不同浓度、不同粒径的气溶胶粒子的存在对基于瑞利-布里渊散射谱线拟合测温的影响；进一步研究气体瑞利-布里渊频谱的解析模型，快速准确地拟合瑞利-布里渊散射谱，从算法方面提高气溶胶粒子存在下气体温度反演精度；研制基于Fizeau干涉仪的高光谱分辨率测温激光雷达，优化系统参数实现对流层大气温度高精度、高时空分辨以及全天时的绝对探测；将激光雷达温度反演结果与探空气球探测数据进行比较来验证其可靠性和适用性，为实用化研发提供技术支撑，为相关科学研究提供新的探测手段并奠定研究基础。

本项目以气体瑞利-布里渊理论为基础，理论和实验研究了瑞利-布里渊散射测量系统参数和气体传递系数的取值不确定度，以及气溶胶粒子的存在对基于瑞利-布里渊散射谱线拟合测温的影响。研究结果表明温度反演的主要参数仪器函数线宽的偏差≤5MHz，散射角的偏差≤0.2°，体黏滞系数的偏差≤0.2×10-5 kg m-1s-1，以及压强的相对误差≤3%，导致温度反演的绝对误差最大为2K，且在低压时（≤3atm）温度反演结果基本不受上述参数的影响，最大温度绝对误差低于0.1K。米氏散射的强度对温度反演无明显的影响，但同样低压比高压下温度反演的误差小。.研究了在气溶胶存在条件下基于自发瑞利布里渊散射的压强和温度反演，实验测量了不同压强，不同温度下加入气溶胶的氮气在90°散射方向的自发瑞利布里渊散射光谱。将测量光谱与理论模型进行比较，并在χ2最小值点分别实现气体压强与温度的反演。结果表明反演的压强和温度与参考压力值和温度值能够较好的符合，反演压强与参考压力值之间的相对误差小于2.1%，反演温度与参考温度值之间的绝对误差小于3K。.进一步研究了不同的气体瑞利-布里渊频谱模型（S6、G3和V3），比较不同模型（S6、G3和V3）对于快速准确地拟合瑞利-布里渊散射谱的影响。结果表明，G3和V3模型的拟合效果较好；G3模型拟合速度最快；反演温度最为准确的是S6模型。.开展了基于自发瑞利布里渊散射的N2、O2、CO2和空气的体黏滞系数的测量。实验分别测量了N2、O2、CO2和空气在压强为4-7bar，温度为278-400K条件下的自发瑞利-布里渊散射光谱，分别得到了N2、O2、CO2和空气的体粘滞系数与温度之间的线性关系，并将测量结果与文献报道值进行对比。结果表明本实验测量的结果与相关文献报道值相近，但是本实验结果的测量不确定度明显要小于文献报道值。.研制了基于干涉仪的高光谱分辨率测温激光雷达，优化系统参数开展实际大气温度高精度、高时空分辨以及全天时的绝对探测，为实用化研发提供技术支撑，为相关科学研究提供新的探测手段并奠定研究基础。