海洋大气边界层结构和三维风场的多普勒激光雷达观测研究

The transport and transformation of the momentum and energy in the marine atmospheric boundary layer (MABL) have always been the focal point of atmosphere research. The coupling of ocean and atmosphere in this region is becoming the one of the hottest issues on the global climate changing trend. In order to describe the characteristics of dynamics and thermodynamics in the MABL, this project propose to detect the wind and boundary height with the shipborne Doppler wind lidar in the South China Sea etc. According to the great variation of aerosol load above the open ocean, the Doppler lidar adopts both aerosol Mie scattering and molecule Cabannes scattering to retrieve the wind profile and three dimensional wind vectors. Boundary height and aerosol optical parameters such as extinction coefficient and backscatter ratio can be obtained by the high spectral resolution detection mode of the Doppler lidar. On the basis of current Doppler wind lidar technique, methodology of this work will concentrate on the detection modes and retrieval algorithms for wind and aerosol observations in the particular oceanic situations based on the observation database. High resolution in-situ data and validation data of wind and aerosol should contribute to the improvement of retrieval method and help us to understand the complex behavior of MABL and its impact on the climate change.

海洋大气边界层的动量和能量输运过程一直是大气研究的重点领域之一，也是全球气候变化背景下的海气耦合研究的热点问题之一。海洋大气边界层风场和高度是描述其动力学和热力学结构的重要特征,本课题针对海洋大气边界层的风场和边界层高度特征的探测需求，基于多普勒激光雷达技术，对我国南海和选定大洋区域进行船载大气边界层观测研究。根据海上气溶胶浓度差异，采取测量气溶胶米散射和大气分子Cabannes弹性散射的多普勒频移的方法，探测海气边界层大气风速风向剖面和三维风场；采用高光谱分辨率方法，探测气溶胶消光系数、后弦散射系数等相关光学参数，获取大气边界层特征。重点关注海洋观测环境下的风速和边界层高度的探测、反演和标定方法和数据积累。通过现场观测资料和印证数据，进一步改进反演方法，提高边界层的探测分析能力，揭示其特征和发展变化规律。

海洋大气边界层的动量和能量输运过程是大气研究的重点领域之一，也是全球气候变化背景下的海气耦合研究的热点问题之一。海洋大气边界层风场和高度是描述其动力学和热力学结构的重要特征，课题针对海洋大气边界层的风场和边界层高度特征的探测需求，基于多普勒激光雷达等垂直剖面探测技术，对我国近海进行船载和岸基大气边界层观测研究。课题研究期间，对我国近海区域进行了多次激光雷达大气边界层观测实验。解决了海洋环境下的风速测量实时姿态校正、灵敏度实时定标、边界层特征提取等关键问题，实现了海上大气边界层三维风场和边界层结构的多尺度特征探测和反演，并提出了适于海上风场和边界层观测的多普勒激光雷达观测模式和反演方法，为进一步研究近海海域的边界层动力学和热力学多尺度结构特征提供观测依据，按进度完成了各年度的研究计划。同时，针对海气通量研究对垂直速度的探测需求，课题增加了高精度的脉冲相干多普勒激光雷达（测速精度0.1m/s）观测方案，并基于脉冲相干多普勒激光雷达开展了综合参数反演边界层高度算法开发、稳定边界层特征分析、海气边界层湍流参数反演等关键科学问题的研究，为研究中国近海典型区域海气边界层通量输运耦合、数值模式参数化等前沿科学问题提供新思路。