海口中层大气温度变化特性的...leigh激光雷达观测研究_龚少华.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，龚少华，杨洁，杨国韬等 海口中层大气温度变化特性的 激光雷达观测研究地球物理学报，（）：，：，（，）.（），（）：，：海口中层大气温度变化特性的 激光雷达观测研究龚少华，杨洁，杨国韬，徐寄遥，李发泉，丁宗华，王钰茹，陈伟鹏，彭鸿雁，符运良，曲佚，刘汉军，沈振江，孙书娟，吴伟，羊大立，程学武海南师范大学物理与电子工程学院，海南海口 中国科学院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室，北京 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 电波环境国家重点实验室，中国电波传播研究所，青岛 摘要中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分，本文基于海南激光雷达 年间的长期观测，通过对中层大气 散射信号的反演，探讨了海口（，）上空中层大气（）温度变化特性 研究结果显示，中层大气温度呈周期性变化趋势，年、半年、季节变化幅度最大值分别为、，平流层顶位于 高度，日平均温度最高为 平流层温度主要表现为年变化趋势，半年和季节变化不明显；平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征，季节变化不明显 在太阳活动性发生明显变化的周期里，平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量 指数变化有较明显的响应；而在太阳活动平静的年份里，温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显关键词海南岛；激光雷达；中层大气温度；太阳辐射通量 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目海南省重点研发项目（），海南省高层次人才项目（），国家自然科学基金项目（），海南省生态文明与陆海统筹发展重点实验室专项基金项目，空间天气国家重点实验室专项基金项目，海南省创新专项基金项目（）资助第一作者简介龚少华，年生，教授，主要从事临近空间大气活动的光学观测与研究 ：通讯作者程学武，年生，研究员，主要从事激光雷达技术及大气分子光谱学研究 ：（，），期龚少华等：海口中层大气温度变化特性的 激光雷达观测研究 （，），（），（）（），（），；引言在地球大气中，中层大气（）相对稀薄，却占有较大的体积，在太阳、底层大气和高层大气的共同影响下，其中充斥着复杂的物理和光化学等动力学过程（，；，）大气温度探测与变化趋势研究是大气物理学、气候学以及空间天气变化与预报等的重要内容基于中层大气同对流层和高层大气的耦合以及大气环流机制，中层大气温度变化对人类的生存环境和全球气候变化有着重要的影响中层大气温度的探测手段主要有：探空气球、地面无线电遥感、激光雷达、卫星、探空火箭等 相比较而言，激光雷达为主动式光学遥感探测，具有高的灵敏度和时空分辨率，同时能实现时间上的准连续观测（，；，）早在 年，等（）就利用激光雷达的大气 散射回波，开展了大气温度的有效探测 在 年，和 （）实现了中层大气（）密度、温度廓线的 激光雷达探测 年，和 （）基于金属钠层的荧光共振回波探测技术，实现了中层顶区域（）风场和温度的激光雷达测定在 年，等（）采用 滤光器技术首次实现了大气温度的白天探测 等（）将共振、和转动 三种不同测温技术相结合，首次实现 高度范围内的大气温度的激光雷达探测在过去的几十年里，基于激光雷达的长期探测，在世界各地开展了大量的中层大气温度变化的观测研究工作，人们发现在不同地区观测到的中层大气温度变化常呈现出不同的区域变化特征（，；，；，；，；，；，；，）等（）的研究工作比较具有代表性，通过分析几个中纬度（，；，；，；，）和低纬度地区（，）激光雷达长期观测结果，指出中纬度地区中层大气变化主要表现为是年振荡，而低纬度地区中层大气温度则呈现出半年振荡趋势然而，大多数观测研究工作集中在中高纬度地区，低纬度的中层大气温度变化研究报道相对较少到目前为止，在较低纬度开展了激光雷达中层大气温度变化特性的观测研究工作有：在 （），基于 激光雷达长期观测研究，等（）指出，该地区的 高度大气温度变化主要表现为半年变化趋势，季节变化不明显；等（）基于 激光雷达的 年的观察数据，开展了中层大气（）温度的年际变化（）特征综合研究，发现该地区平流层和中间层温度变化主要呈现出明显的准两年地 球 物 理 学 报（）卷振荡趋势（，）在 （，），等（）、等（）和 等（）基于 （）激光雷达的观测研究，得到该地区平流层顶区域高度范围在 ，最高温度变化范围为 ，平流层顶高度和温度都表现出明显的半年振荡趋势 在 （，），等（）基于 （）激光雷达的长期观测数据，研究指出该地区平流层大气温度变化主要是以年振荡为主，也有半年振荡特征，平流层顶区域最高温度变化范围为 ，平流层顶区域与中间层温度都表现出明显的半年变化趋势在我国，中层大气温度变化的激光雷达观测研究工作，开展的相对较晚，更是不曾见到低纬度中层大气温度长期变化的研究报道 等（）基于中科院武汉物理与数学研究所 激光雷达在 年间的 天观测数据分析，指出武汉（，）平流层顶高度年平均值为 ，温度年平均值为 ，平流层顶最高温度出现在月和月 王晓宾等（）利用中国电波传播研究所激光雷达在 年间 个夜晚里的观测数据，初步分析了青海地区（，）中层大气的季节变化；等（）基于延庆激光雷达在 年的观测数据（天）分析，得到北京（，）平流层顶区夏暖冬冷，月份温度最高达 ，月份最低为 ；在 高度的大气温度变化呈现年、半年和季节振荡共同作用特征；在 的高度上，大气温度变化则以年和半年振荡为主海南岛处于近赤道濒海地区，受热带海洋季风气候影响，在大气环流中，该区域大气温度变化对我国整体空间气候变化影响明显 自 年以来，子午工程海南激光雷达观测站（，）开展了中高层大气及活动的长期实验观测工作 基于这些夜间实验观测数据（），本文开展了海口中层大气温度变化特性研究，并分析了该低纬度地区中层大气温度的年、半年和季节变化特征；探讨了中层顶区域大气温度年际变化趋势与太阳辐射通量 变化曲线的对应关系这些研究结果对我国陆地气候变化以及全球变暖等课题研究有一定的参考价值激光雷达系统与实验观测数据海南双波长激光雷达（和 ）系统主要由三部分组成：激光发射系统、信号接收系统和数据采集控制系统 激光发射单元主要由 ：脉冲激光器和 染料脉冲激光器输出 和 的双波长激光束，通过扩束镜和全反射棱镜垂直射入高空 大气分子后向散射的回波信号由直径约 的 反射式望远镜接收，接收到的光信号经过滤光片和光电倍增管（，）后，由高速数据采集卡采集，并储存于计算机中 海南激光雷达系统具体参数如表所示（龚少华等，）表海南激光雷达系统参数 规格参数双波长 脉宽 重复率 脉冲能量 线宽 接收望远镜直径 视场角 滤光片带宽 自 年建站以来，在子午工程项目的支持下，海南激光雷达开展了中高层大气的长期观测工作，并积累了大量的夜间实验观测数据 图为 年间，不同年份里（图）和不同月份（图）开展的激光雷达实验观测统计直方图 由于激光雷达观测实验容易受到天气变化影响，剔除设备调试阶段（如，开关机过程等）的实验观测数据和明显受到天气变化（如，云层等）影响且观测时间少于的夜间观测数据，共计在 个夜晚开展了激光雷达大气观测实验，累计有效实验观测数据时长 在激光雷达观测数据集中，由于波长 通道实验数据较波长 通道具有更好的时间连续性，本文基于 通道的 散射回波信号数据，经大气密度和温度反 演，研 究 年 间，海 口 上 空 高度范围的中层大气温度变化特性以 年月 日海南激光雷达实验观测原始信号图为例，图为波长 通道的光子回波计数廓线图（），实验观测数据的高度和时间分辨率分别为 和 （，）其中，高度段为待分析的中层大气 散射回波信号数据，以上的信号数据视作背景噪声期龚少华等：海口中层大气温度变化特性的 激光雷达观测研究图海南激光雷达在 年间开展有效实验观测天数和小时数统计（）在不同年份里；（）在不同月份里 （），（）图 年月 日 ，海南激光雷达 通道原始回波信号图 （），中层大气温度反演基于激光雷达探测的大气 散射回波信号，能有效反演中层大气密度和温度垂直分布（，；，；，；，；，）依据雷达探测的回波光子数廓线，先由公式（）得到大气密度垂直分布，再基于理想气体近似和流体静力学平衡方程，由公式（）计算出大气温度垂直分布廓线（，；，）：（）（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）（），（）其中，（）、（）分别为高度处的大气密度和温度，（）为高度处激光雷达接收的回波光子数，为背景噪声，、为大气摩尔质量和热力学常数；为参考高度，（）、（）为大气模式、卫星或探空气球测量数据反演过程中，以 大气模式相同时间段数据、高度处的大气密度为参考，先运用（）式由雷达回波信号反演出 的大气密度廓线，这里常采用 高度范围上的平均 回 波 光 子 数 为 背 景 噪 声的 值；再 依 据 大气模式同时间段，高度处的大气温度为参考，采用自上往下的数据反演方式，由公式（）得到夜间不同时刻在 高度的大气温度廓线 最后，这些由激光雷达观测数据反演得到的夜间大气温度廓线，采用 （，）卫星和 （；，）卫 星 在 时 间 和 地 理 位 置 相 近 观 测 点（）的测量数据作对照和矫正分析（，；，）如图所示，依据海南激光雷达的 通道的 散射回波数据，采用上述温度反演方法，得到了海口中层大气 年月 日温度结构随时间演变结果（图），图中时间和高度分辨率分别为 和；当天晚上，两 颗 卫 星 分 别 在 和 完 成地 球 物 理 学 报（）卷图（）年月 日夜间激光雷达观测到海南上空中层大气温度结构随时间的演变；（）激光雷达探测的温度廓线与 卫星、卫星测量数据对照，误差棒表示不同高度上激光雷达测量的误差范围 （），；（），了观测点（，）和（，）的大气温度廓线测量，结果如图 所示 对照发现，依据激光雷达观测数据反演的温度与卫星相同时刻测量结果有较好的随高度变化趋势一致性，且在对应高度上测量结果的温度差值都小于 激光雷达测量误差与光子回波信号的信噪比（，）相关，图 中误差棒表示不同高度上激光雷达测量的温度误差范围，在数据分析过程中，将不同高度上温度的相对误差控制在以内，平流层顶区域（）温度误差为 在完成光电倍增管的非线性响应、光子计数堆栈效应和信号感应噪声等系统误差矫正后，由激光雷达 回波信号反演中层大气密度的误差主要由回波光子数的随机统计误差引起 在认为回 波 光 子 相 互 独 立，且 光 子 数 统 计 近 似 满 足 分布的情况下，大气密度的测量相对误差与回波光子数的平方根成反比（，；，）：（）（）（）（）（），（）其中，信噪比表示为（）（）（）.（）与此同时，由公式（）的全微分和误差传递公式可知，大气温度的反演误差也同样依赖于回波光子数的统计误差 在考虑到大气密度随高度的变化呈指数衰减的情况下，可以推导得出，激光雷达探测的中层大气温度的相对误差亦近似与回波光子数的平方根成反比例（，；，；，；，）：（）（），（）即激光雷达接收的回波光子数越多，实验数据反演的大气温度误差就越小 因此，实际温度廓线反演过程中，为了减小反演误差，常采用回波信号在时空上累加的办法，增大回波光子计数，从而将不同高度上的温度相对误差控制在以内，同时雷达探测的时间和空间分辨率相应调整为 和 另外，卫星在邻近观测点的同时探测数据对照分析，对雷达探测数据的温度廓线反演也有重要参考价值 卫星和 卫星能实现全球低纬度大气温度结构的有效探测 前者是 年发射的首个基于全球导航卫星系统（）无 线 电 掩 星（期龚少华等：海口中层大气温度变化特性的 激光雷达观测研究 ）技术对地球大气和电离层进行遥感探测的卫星星系，能较准确测出 高度大气干温度（）廓线（由于电子密度和水汽压作用都较小，中层大气真实温度与干温度非常接近）（，；，）后者是 年发射的基于临边（）探测方式获得平流层中间层热层的大气温度、密度、气压和大气成份等信息，其温度测量数据在中层大气区域探测精度约为（，；，）图 中的对照结果显示，激光雷达观测数据反演的温度廓线与两颗卫星相同时刻测得的大气温度结构有较好的一致性，但在一些高度上的测量结果还是存在些许差异 除了激光雷达设备以及卫星探测系统自身的测量存在误差范围外，这些差异主要源于探测 方 法以 及观 测 点 位 置 的 不 同（，）激光雷达采用垂