高精度实时水汽Raman激光雷达自标定方法研究

For importance of the water vapor in the climate changing, weather system, atmospheric chemistry and so on, long-term measurements of temporal and spacial distribution of water vapor are very important, especially the long-term measurements of water vapor in the upper troposphere and lower stratosphere with high precision. Water vapor Raman lidar is a powerful tool for profiling water vapor in the troposphere and lower stratosphere, but its measurements need to be calibrated, and the uncertainty of measured water vapor mixing ratio is mainly determined by the uncertainty of calibration. The existing calibration methods can not satisfy the requirement of long-term water vapor measurements with high precision. In this study, a high precision real-time self-calibration method for water vapor Raman lidar was studied. By improving the existing water vapor Raman lidar, uncalibrated nitrogen mixing ratio (NMR) could be derived from the signals measured by nitrogen Raman channel and water vapor Raman channel. As the NMR in the atmosphere is known, which is 0.755, calibration const for NMR could be calculated. The calibration const for water vapor mixing ratio (WVMR) is derived from the one for NMR according to their relationship, and the uncertainty of the determined the calibration const for WVMR is about 5%~8%. The calibration method developed in this study is helpful for solving the calibration of water vapor Raman lidar for routine measurements, and the calibrated Raman lidar could be used for long-term water vapor measurements with high precision.

由于水汽在气候变化、天气系统和大气化学等过程中的重要性，水汽时空分布的长期测量，特别是对流层上部和平流层底部水汽的长期高精度测量，是非常重要的。水汽拉曼激光雷达是当前测量对流层和平流层底部水汽垂直分布的重要工具，但是水汽拉曼激光雷达需要标定，其标定精度直接决定了水汽混合比的测量精度。现有的标定方法不能满足当前对水汽长期高精度测量的要求。本项目中提出一种高精度实时水汽拉曼激光雷达自标定方法。通过对当前的水汽拉曼激光雷达进行改造，使其利用原有的水汽和氮气拉曼通道测量大气中的氮气混合比，而大气中氮气混合比是已知的（0.755），从而得到氮气混合比标定常数。然后根据建立的水汽混合比标定常数和氮气混合比标定常数之间的关系，计算出水汽混合比标定常数。这样得到的水汽混合比标定常数的误差大约为5%～8%。该标定方法有助于解决水汽拉曼激光雷达常规观测中的标定问题，使其能够对大气中的水汽进行高精度的长期测量。

大气中的水汽影响着全球气候变化、水循环、天气系统以及大气化学等重要过程，需要对其空间分布进行长期的连续观测。水汽拉曼激光雷达由于其系统简单、可靠性高，能够自动化运行，已经成为当前测量水汽分布的重要手段之一。但是，水汽拉曼激光雷达的测量结果需要进行标定后，才能得到水汽混合比。水汽拉曼激光雷达的标定已经成为目前限制该技术被广泛应用的关键。.本项目提出了一种基于氮气混合比测量的水汽拉曼激光雷达自标定方法。首先，对水汽拉曼激光雷达测量氮气混合比的方案进行了深入研究，通过增加发射特定波长的激光脉冲，使水汽拉曼通道能够测量大气弹性散射回波信号。在清洁大气中，联合该弹性散射回波信号和氮气拉曼散射回波信号，得到氮气混合比的垂直分布，而氮气混合比是已知的,为0.755，进而得到氮气混合比的标定系数。然后，校正水汽拉曼通道中滤光片在水汽拉曼散射波长和新增加的激光波长上的透过率差异,建立氮气混合比标定常数和水汽混合比标定常数之间的定量关系，将氮气混合比标定常数换算成水汽混合比的标定系数，即完成了水汽混合比的标定。该自标定方法的理论标定误差可以小于6%。.根据项目中提出的自标定方法，在已有的水汽拉曼激光雷达中增加了一台660nm的激光器，使其升级成为一台具有自标定功能的532nm/660nm双波长拉曼米激光雷达。在晴朗的夜间，开展自标定实验，并根据自标定的结果测量大气中的水汽混合比垂直分布。利用无线电探空仪测量的水汽混合比与激光雷达自标定测量的水汽混合比进行对比，结果表明两个测量结果之间的相对差别在10%之内。实验表明本项目中提出的自标定方法是可行的，建立的532nm/660nm双波长拉曼米激光雷达能够实现水汽混合比的自标定。.本项目中提出的自标定方法具有很强的可行性，对传统的水汽拉曼激光雷达经过升级后，就能具有自标定功能。这将会有效地促进和拓展水汽拉曼激光雷达在气象和气候等领域的应用，为大气中水汽浓度分布的长期连续测量提供了一个强有力的探测手段。