激光雷达对高层卷云后向散射系数波长依赖关系的研究

高层卷云既反射太阳的短波辐射，又吸收地面的长波辐射，在全球中出现的概率高达30%，因此，它对天气和气候有着重要的影响。后向散射系数波长依赖关系是高层卷云的一个基本光学特性。掌握其变化规律，有助于了解高层卷云的其它光学性质及内部粒子的尺度分布；有助于CALIPSO 卫星1064 nm 通道的定标。国内外研究高层卷云的文献较多，但仅有几篇文献涉及后向散射系数波长依赖关系的探测研究，国内未见报道。本项目利用项目组成员在激光雷达测气溶胶和云方面的学术积累，以安徽光机所激光雷达为基础，发射355 nm、532 nm 和1064 nm三个波长的激光，探测这些波长的激光通过高层卷云后的后向散射回波信号。经过对长时间大量探测数据的深入分析研究，得出这三个波长下高层卷云的后向散射系数随波长变化的统计规律。结合模拟计算，定性了解高层卷云的内部信息，以及提高CALIPSO 卫星1064 nm 通道的数据质量。

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部，主要由各种大小和形状的冰晶粒子组成。卷云在全球出现的概率约为30%左右，它既反射太阳的短波辐射，又吸收地面的长波辐射，因此，对天气与气候有着重要的影响。在理解和预测全球系统的变化研究中，卷云的辐射强迫是一个尚不能精确确定的因子，故卷云一直是大气科学领域中一个热点研究内容，其光学特性的研究在国际上受到广泛的关注。人们对卷云的探测已从地面测量延伸到空间卫星遥感、从被动式测量发展到主动式测量。因此，本项目用地基三波长激光雷达来探测卷云，分析卷云在3个波长上的光学特性，具有重要的学术意义和应用前景。. 研制并建立了三波长（355 nm、532 nm和1064 nm）激光雷达系统。该系统于2010年底完成组装和调试工作，随后用于对卷云进行常规探测。2年多来我们共获得了123天的卷云探测数据，数据的空间分辨率为7.5 m。提出了三个波长激光雷达后向散射信号的定标方法。对激光雷达信号进行绝对定标是比较困难的，经过分析和实验研究，我们认为相对定标的方法是有效的、也是可行的。相对定标方法是利用参考点的气溶胶后向散射系数值、雷达方程和大气分子参数进行计算，得出定标常数。其关键点是气溶胶在参考点的后向散射系数值的确定。为了解决这一难题，我们提出了用近似实时的气溶胶后向散射系数实测值来进行定标，以减小定标带来的误差,反演结果表明，我们的定标方法是可行的、可信的。. 得出了强卷云在3个波长上后向散射系数比统计分布。对2011年1月至10月激光雷达探测到的卷云数据进行了分类，得知我们探测到的卷云绝大部分为强卷云。对于强卷云，我们用带衰减的后向散射系数比来估算卷云的后向散射系数比（又称后向散射系数颜色比），对10个月卷云数据反演出的后向散射系数颜色比进行统计，得出：3个后向散射系数颜色比近似呈正态分布，其峰值分别为0.9、0.7，和0.6。结合模拟计算，定性得出：被激光雷达探测的卷云大部分可能是聚合物状的,且平均有效半径大于20 um。得出了强卷云后向散射系数波长指数的统计值。把卷云3个后向散射系数颜色比出现概率最大的比值作为一个统计值，根据波长指数计算公式，得出强卷云后向散射系数波长指数为：对于1064 nm和532 nm波长为0.15；对于532 nm和355 nm波长为0.88；对于1064 nm和355 nm波长为0.47。