基于多次散射特性对云微物理参数的研究

发布时间：2020-11-18 10:34

　　 云是影响大气辐射传输的重要因素,对地气系统的辐射收支平衡有重要影响。近年来许多国内外学者利用各种主被动探测手段对云的微物理特性开展了一系列研究。水云的液态含水量和云粒子半径是影响大气辐射传输过程的重要参量,因此开展对二者的探测是十分有意义的。随着散射理论的发展,部分学者提出可以利用云的多次散射携带的信息来反演云微物理参量,由于云粒子平均自由程较小,容易发生多次散射。而多次散射与散射体的粒子数浓度有关,因此可以利用多次散射来反演云的微物理参量。本文基于蒙特卡洛算法计算了液态水云的散射特性并根据其散射特性提出了一种用于反演水云液态水含量和云粒子半径的方法。根据模拟结果,设计了一部多视场激光雷达系统并利用该系统对南京北郊地区的水云进行了观测。结合观测数据和反演方法计算得到了水云的两个微物理参量。并将得到的微物理参量与GPM卫星数据进行对比验证,从而验证了该反演方法的准确性。然后,我们利用蒙特卡洛算法研究了液态水云的偏振特征,分析了液态水云的偏振度与多次散射因子的关系。根据模拟结果,我们得到液态水云的偏振度随多次散射强度的增加而敏感性降低,表现为偏振饱和现象且饱和值与视场角有关。在此理论基础上,我们设计了一部多视场偏振激光雷达系统,完成了对偏振激光雷达的定标并实现对南京北郊地区的液态水云的观测。通过分析该雷达系统的观测数据,我们得到实际观测数据和蒙特卡洛算法模拟数据具有一致性。最后,我们对水云核化及水源动力过程的驱动因子(气溶胶和水汽)的反演方法进行了优化并利用双波长双拉曼激光雷达系统反演得到气溶胶和水汽的垂直探测廓线。通过改进氮气拉曼和水汽拉曼反演算法,获得了从近地面到平流层底部的大气气溶胶光学特性垂直廓线以及从近地面到12 km高度的水汽混合比垂直廓线,为研究水云核化及水源动力过程提供原始数据积累。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P426.5
【部分图文】：

云粒子平均自由程较小，激光与云粒子碰撞发生第一次散射之后，散射光将继续传输，作为入射光与下一个粒子碰撞产生散射现象，这个过程将会一直重复下去，直到散射光离开水云的内部。多次散射模型如图1.1所示，发生多次散射后，只有沿着接收机的接收视场区域所在轴线方向那部分能量才能回到接收机。因此激光雷达望远镜接收到的信号不仅包括单次散射信号，还包括多次散射信号。望远镜接收到的后向散射信号中多次散射的占比主要与液态水云的光学性质和望远镜的接收视场角等因素有关。

随消光系数和云粒子有效半径都变化。因此我们提出基于多次散射过程对云微物理参数反演的方法。其反演流程图如图2.4所示。首先我们可以通过激光雷达信号计算得到SRCLS和IRCLS，然后通过SRCLS反演得到云的消光系数，根据消光系数并结合IRCLS反演得到云粒子半径。最后根据云粒子半径并结合消光系数计算云的液态含水量。图2.4反演方法流程图2.3本章小结本章介绍了多次散射过程的研究方法—蒙特卡洛算法。着重介绍了基于该方法计算得到的液态水云的散射特性，提出了一种基于多次散射特性对云液态含水量和云粒子半径反演的方法：1）通过激光雷达观测的数据计算得到SRCLS和IRCLS。2）根据SRCLS反演得到云的消光系数，并结合IRCLS反演得到云的尺度谱信息。3）根据反演得到的尺度谱信息并结合消光系数反演得到水云的液态含水量。最后本章讨论该反演方法用于反演云微物理参量的敏感性及其适用性的问题，得到在反演过程中应当考虑多次散射因子的影响并指出可以通过减小视场角变化来避免这一影响。

和1 mrad。 图3.2给出了视场角为0.25mrad下激光雷达的回波能量随探测高度的变化，图中黑色方块中是我们研究的区域。从图中可以得到，在此观测过程中，激光雷达在三个时刻内的观测数据具有一致性，这说明在观测过程中云的微物理参数没有发生改变。根据蒙特卡洛计算，我们给出典型云参数下的液态含水量和云粒子有效半径，根据计算我们得到在这三个视场角下其多次散射因子分别为0.9589, 0.9517, 0.9424。因此我们可以得到设置此视场角变化范围，多次散射因子基本保持恒定。根据我们观测的数据，我们选取尽量满足我们理论模型的观测数据来进一步研究液态水云的微物理特性。图3.3给出了在不同视场角下激光雷达回波信号，其中数据采集于2016年12月24日。由图可知，该个例云底高度和云顶高度分别为1965 m和2080 m（如图中的黑框所示）。因此我们提取这段数据做进一步分析
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本文编号：2888620