黄渤海海气边界层水汽-气溶胶-三维风场相互作用研究

The interaction between the ocean and atmosphere is a frontier area of common concern in marine science and atmospheric science research, and is an important breakthrough in future earth science research. The distribution of the water vapor, the aerosols and the dynamic field in the marine atmospheric boundary layer (MABL) is the focus of research on the ocean-atmosphere interaction. The research is based on a multi-wavelength polarization Raman lidar and a pulse coherent Doppler wind lidar developed by Ocean University of China. The application of lidar observation mode and retrieval algorithm for marine-atmospheric observation is carried out to measure the water vapor mixing ratio, optical properties of different types of aerosols and three-dimensional wind field in the MABL over the Yellow Sea and Bohai Sea. The subject mainly solves three key technical issues: calibration, validation and data retrieval for non-standardized lidar; aerosol classification based on optical characteristics; analysis method for the interaction among the water vapor mixing ratio, aerosol optical properties and three-dimensional wind field. The project aims at preliminarily explaining the scientific problems of the interaction and feedback mechanism among the water vapor, optical properties of different types of aerosols and dynamic field in the MABL over the Yellow Sea and the Bohai Sea. The project provides the data storage and technical support for the further study of the ocean-land-atmosphere interactions and their impact on the climate system, of the material and energy exchange processes between ocean and atmosphere, and of the numerical weather prediction systems.

海气相互作用是当今海洋科学和大气科学研究共同关注的前沿领域，是未来地球科学研究的重要突破口。海洋大气边界层内的水汽和气溶胶分布以及动力场是海气相互作用研究的重点。课题基于中国海洋大学研制的多波长偏振拉曼激光雷达以及脉冲相干多普勒测风激光雷达开展相关研究，应用适用于海上观测的激光雷达观测模式和反演算法，开展黄渤海海气边界层内水汽混合比、不同类型气溶胶的光学参数和三维风场特性的观测实验，积累观测数据并作综合分析研究。课题主要解决三个关键问题：非标准化激光雷达定标印证以及数据反演校正方法、基于光学特性的气溶胶分类方法和水汽混合比、气溶胶光学特性以及三维风场相互作用的分析方法。旨在初步解释黄渤海海气边界层内水汽、不同类型气溶胶光学参数分布和动力场之间的相互作用和反馈机制的科学问题。为进一步研究海-陆-气相互作用及其对气候系统的影响、海气物质能量交换过程以及数值天气预报系统提供数据储备和技术支持。

海气相互作用是当今海洋科学和大气科学研究共同关注的前沿领域，是未来地球科学研究的重要突破口，海洋大气边界层内的水汽和气溶胶分布以及动力场是海气相互作用研究的重点。项目主要围绕海上边界层气溶胶-水汽-风场的相互作用开展了相关研究。设备研制层面上，项目组自主研制了多波长偏振拉曼激光雷达以及脉冲相干多普勒测风激光雷达，进行了系统透过率测试、数据采集系统测试、暗噪声测试、测量参数校正以及反演算法完善等，保证了激光雷达对海上大气边界层大气观测数据的质量。此外，项目开发了一套基于太阳光度计和相干多普勒测风激光雷达联合观测的主被动融合气溶胶光学参数及质量通量反演算法，并完成了定标-验证-应用的全流程测试，拓展了相干激光雷达的应用场景。观测应用方面，项目对多波长偏振拉曼激光雷达和相干测风激光雷达进行了升级改造，搭载了共享航次完成2022年春季渤海、黄海北部、黄海中南部等三个海区的连续剖面观测，获取了海域上空的气溶胶光学特性、水汽混合比、温度、三维风场等垂直剖面，研究了海上大气边界层水汽含量、温度与风速等的相互作用，计算了微尺度动力场，进而判定海上大气边界层的湍流驱动类型。此外，结合星载激光雷达CALIOP/CALIPSO和ERA5再分析模式数据，分析了我国渤海-黄海-东海-南海等不同海域上空不同类型气溶胶光学特性与相对湿度的相互关系。为了获取海洋环境下的本底气溶胶（海洋性气溶胶）的基础特性，项目组应用ALADIN/Aeolus提供的颗粒物光学特性观测数据和大气风场观测数据以及气象模式提供的大气温度、相对湿度数据，选取了三个广阔大洋区域，提取出了区域上空海气边界层（0km-2km）内的海洋性气溶胶光学特性和背景风场，并分两个高度层探究了海洋性气溶胶光学特性与大气背景风场、温度、相对湿度之间的相互关系。地基与星载激光雷达协同应用方面，项目应用中国境内的相干测风激光雷达网（共17部地基相干测风激光雷达）的同步观测，对国际首颗星载测风激光雷达ALADIN/Aeolus的风场数据产品进行了验证。基于ALADIN/Aeolus、CALIOP/CALIPSO及模式数据对一次强沙尘天气的光学特性变化和通量计算进行了研究。基于上述工作，项目形成了一套适用于偏振拉曼激光雷达的定标校正标准方法，初步揭示了水汽、气溶胶及动力场的相互作用，为进一步研究海上动力、气象以及传输等提供了基础。