对流层、中高层大气的微波和光学探测资料分析及反演方法研究

摘要

降雨是对流层中最常见的气象要素之一，它不仅与人类的生活、生产息息相关，而且降雨体系在整个大气的能量传输中起着很重要的作用，它在相当程度上引起了全球热量和湿度的重新分布。因此很早就受到了人们的关注和研究。对它的了解将推动大气海洋耦合的研究，帮助我们理解潜热在大尺度环流中的作用，提高我们对暴雨系统的动力学及形态学等许多方面的理解。 目前，机载、星载雷达被越来越广泛的用于降雨的观测，它们有许多相似之处，如都是从上到下进行观测、探测范围都很广、都需要考虑束内填充效应等。而且空基雷达因为受到天线尺寸，探测精度等的限制，多工作在易受雨衰减的频段，必须修正由于衰减所导致的误差。其中一种经典的校正方法就是利用SRT(surface reference technique)，它需要利用有雨和无雨时的地表后向散射系数对衰减进行估算，估算中需要一个非常重要的参量就是无雨时的地表后向散射系数σ<'0>。而kZS算法正是基于SRT的一种能够在较大雨强范围内订正衰减的稳定算法，它利用有雨和无雨时的地表后向散射系数σ<'0><,m>、σ<'0>获得雨区的积分衰减总量PIA(path-integrated attenuation)，从而反演出雨强。因此在反演区域只要建立了晴空条件下的σ<'0>模型库，在以后的反演中就可以用雨区测量到的地表后向散射系数σ<'0><,m>和σ<'0>模型库中的晴空σ<'0>，快速反演出雨强。为此需进行的主要工作就是建立晴空、各种典型地表条件下的σ<'0>模型，为以后雨强反演带来便利。首先我们选取了具有代表性的南太平洋(90-95°W、15-20°S)、撒哈拉沙漠(15-20°E、15-20°N)和亚马逊热带雨林地区(62-67°W、3°S-2°N)地区，利用TRMM 2A21数据，对2002-2005年间σ<'0>的年际和季节变化情况进行统计分析后，建立起了σ<'0>均值模型。然后利用kZS算法和模拟雨场来研究σ<'0>均值模型的误差对雨强反演精度的影响。结果表明在地表条件相对均一的海洋和沙漠地区，5°×5°区域范围内，利用σ<'0>均值模型能够取得很好的反演效果，尤其是在海洋地区，σ<'0>均值模型能够在更广的区域内使用。但是对于地表条件相对复杂的亚马逊热带雨林5°×5°区域内反演效果较差，必须将σ<'0>模型的适用范围缩小，以达到较好的反演精度。另外，在没有地面反射信号时，如处理机载雷达资料时遇到的情况，SRT算法不再适用。双束-立体雷达算法的联合算法被证明是处理这一问题的有效方法。本文选择了1998年发生的Bonnie飓风事件，反演采用了双束-立体雷达算法的联合算法，反演后的机载雷达数据与具有时空可对比性的TRMM卫星数据比较，进一步验证了这种联合算法具有可靠的反演精度，适用于处理机载雷达数据。 另外，随着探测手段的发展，人们不再将视野局限在对流层。对流层上面的中高层大气也日益受到了众多空间物理学家和大气科学家的关注，同时激光雷达的出现也为中高层大气的探测提供了有利的条件。国际上先后组织了多项全球性的合作研究，如美国根据自身发展的需要提出了“空间天气计划”，“大气各区域耦合、能量和动力学计划”(CEDAR PhaseⅡ)，欧空局的“欧洲空间天气计划”，中国的“东半球空间环境地基综合监测子午链”等。中国科学技术大学也于2005年底建成了一台米-瑞利-钠荧光双波长激光雷达系统，它能够实现对从近地面到30km高度的大气消光系数；30km到70km范围内的大气密度和温度；70km到110km范围内的钠层密度的探测。本文利用2005年12月到2008年3月间的观测资料进行反演分析后给出了合肥地区(31.87°N，117.23°E)上空的钠层主要形态、夜间变化、季节变化等初步结果。夜间观测表明钠层中存在着显著的波动扰动。合肥钠层柱密度最小值1.126×10<'9>cm<'-2>出现在6月份，最大值6.014×10<'9>cm<'-2>出现在12月份。在冬季柱密度表现峰值，而在夏季柱密度则相对较小。质心高度的月平均值维持在91.5-92.4km之间，夏季较高。RMS宽度有准半年周期变化，夏季和冬季的宽度较大，6月份和1月份的月平均宽度为6.21km和5.37km；3月份和9月份的RMS宽度分别为4.59km和4.51km。

目录

文摘

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第一章引言

第二章对流层微波探测资料分析

2.1降水的观测

2.1.1地基雷达

2.1.2机载雷达

2.1.3卫星观测

2.1.4大型科学考察实验

2.2降雨反演算法介绍

2.2.1 kZS算法

2.2.2双束算法

2.2.3立体雷达算法

2.2.4双束-立体雷达联合算法

2.3 SRT类算法及σ0模型的建立以及其对雨强反演精度的影响

2.3.1地表后向散射系数σ0均值模型的建立

2.3.2 σ0均值模型对雨强反演精度的影响

2.4机、星资料对比分析

2.4.1 Bonnie简介

2.4.2 P-3数据与TRMM数据介绍

2.4.3对比分析及结果

2.5小结

第三章中高层大气光学探测资料分析

3.1激光雷达概述

3.1.1激光和大气相互作用的各种机制

3.1.2激光雷达探测原理

3.2中国科学技术大学激光雷达简介

3.2.1系统结构

3.2.2技术特征

3.3合肥地区上空观测的初步结果

3.3.1钠层密度激光雷达反演原理

3.3.2钠层密度的观测结果

3.4 小结

第四章总结

参考文献

攻读博士学位期间已发表的论文

致谢