鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研制及重力波動(dòng)量通量的探測(cè).pdf

1、中高層大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)是描述中高層大氣特性的重要參數(shù)，對(duì)研究中高層大氣潮汐波、重力波、行星尺度波以及波與波之間的相互作用，中高層大氣環(huán)流和溫度結(jié)構(gòu)具有非常重要意義。目前，國內(nèi)對(duì)中高層大氣的溫度和風(fēng)場(chǎng)探測(cè)比較匱乏，主要是借助流星雷達(dá)進(jìn)行中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)。激光雷達(dá)作為一種新型的探測(cè)手段逐步成為大氣遙感領(lǐng)域不可或缺的工具。本論文以高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了我國首臺(tái)經(jīng)過國內(nèi)外專家鑒定的高光譜分辨率鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的成功研制，

2、并利用該激光雷達(dá)觀測(cè)的大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，研究了中間層頂區(qū)域半日潮汐波與重力波動(dòng)量通量。
　　 全文共分兩部分：
　　 第一部分為綜述和原理部分，包括兩章。第一章主要介紹了大氣成分及大氣層結(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)、大氣溫度及風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量方法和鈉熒光激光雷達(dá)國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)等。第二章以激光雷達(dá)大氣探測(cè)技術(shù)為基本理論，闡述了鈉熒光測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的方程，結(jié)合鈉原子超精細(xì)光譜結(jié)構(gòu)和熒光光譜知識(shí)，詳細(xì)敘述了高光譜分辨率鈉熒光激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度

3、和風(fēng)場(chǎng)的基本原理。
　　 第二部分為本人博士期間主要工作和研究成果，主要的研究工作如下：
　　 (1)作為骨干成員研制成功了我國首臺(tái)經(jīng)過國內(nèi)外專家鑒定的高光譜分辨率鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，詳細(xì)論述了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集時(shí)序系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研制。發(fā)射機(jī)部分：采用半導(dǎo)體激光器泵浦環(huán)形染料激光器作為系統(tǒng)種子激光光源，研制了激光頻率絕對(duì)鎖定跟蹤系統(tǒng)、三頻激光產(chǎn)生器、脈沖染料放大激光器、自動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)等。接收機(jī)部分：設(shè)計(jì)了多維調(diào)

4、整耦合裝置，斬光盤系統(tǒng)等減少強(qiáng)回波信號(hào)影響和探測(cè)單元的非線性失真問題，并通過合理確定耦合光纖、透鏡、濾光片和光電探測(cè)器參數(shù)，提高了系統(tǒng)回波信號(hào)光子數(shù)的探測(cè)效率。數(shù)據(jù)采集時(shí)序系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了時(shí)序控制系統(tǒng)，自主開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)了回波信號(hào)的連續(xù)自動(dòng)采集。
　　 (2)開展了高光譜分辨率鈉激光雷達(dá)探測(cè)中間層頂大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)垂直分布的實(shí)驗(yàn)研究。詳細(xì)闡述了自動(dòng)數(shù)據(jù)處理程序從三頻回波信號(hào)中反演80-105km高度范圍的大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)的垂直

5、廓線的過程。
　　 (3)鈉激光雷達(dá)探測(cè)的大氣溫度廓線與TIMED(Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics)衛(wèi)星搭載的SABER(Sounding of the atmosphere using Broadband Emission Radiometry)儀器觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示兩種儀器觀測(cè)的溫度廓線基本一致。大氣風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)結(jié)果與位于緯度接近相

6、同距離約300km的武漢流星雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者吻合較好，且兩種觀測(cè)儀器均探測(cè)到明顯的相位向下傳播的潮汐波結(jié)構(gòu)。這表明鈉激光雷達(dá)探測(cè)的大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)垂直廓線是合理的和可靠的。
　　 (4)利用鈉激光雷達(dá)探測(cè)的大氣溫度和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，我們初步研究了中間層頂區(qū)域半日潮汐波的結(jié)構(gòu)。對(duì)2011年12月3日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，緯向風(fēng)半日潮汐幅度在98km高度約45m/s，垂直波長約28km，經(jīng)向風(fēng)半日潮汐幅度約50m/s，垂直波長約

7、25km，溫度半日潮汐幅度在98km高度約24K，垂直波長約24km。風(fēng)場(chǎng)半日潮汐和武漢流星雷達(dá)觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，鈉激光雷達(dá)探測(cè)的幅度大于武漢流星雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果。在90km附近，我們探測(cè)到較為明顯的相位變化。垂直波長較短以及相位變化均暗示了可能是由于重力波耗散和破碎引起的。
　　 (5)中間層頂區(qū)域重力波動(dòng)量通量的探測(cè)對(duì)中高層大氣動(dòng)力學(xué)的研究具有非常重要的科學(xué)意義。我們利用雙光束（向東和向西離天頂角20°）的探測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了

8、重力波緯向動(dòng)量的垂直通量探測(cè)，其數(shù)值基本在-10m2s-2-10m2s-2之間。我們發(fā)現(xiàn)了重力波動(dòng)量通量和緯向平均風(fēng)的存在正相關(guān)和負(fù)相關(guān)特征。正相關(guān)特征可能是由于重力波在觀測(cè)高度以下經(jīng)歷了反向的風(fēng)剪切后，造成動(dòng)量通量增加。而負(fù)相關(guān)特性是由于緯向平均風(fēng)風(fēng)剪切對(duì)重力波波譜的過濾作用，和風(fēng)剪切方向一致的重力波動(dòng)量通量會(huì)逐漸減小，而和風(fēng)剪切方向相反的動(dòng)量通量會(huì)增加。由于潮汐波直接調(diào)制了緯向風(fēng)剪切方向的變化，重力波的耗散和破碎也必然可以造成潮汐波