大气边界层中水汽场精细结构的激光雷达探测与多尺度分析研究

Due to the influences of the terrain forcing, thermodynamic forcing and background weather system, multi-scale dynamic processes occur in the atmospheric boundary layer (ABL). These multi-scale dynamic processes are related to the transport and diffusion of air pollution. Now, the understanding of these multi-scale dynamic processes in the boundary layer is still very low, that is mainly because of the lack of fine temporal and spacial scale measurement data. As the development of high resolution models, the fine temporal and spacial scale measurement data in the ABL is urgently needed..This proposal focused on the fine structures of the water vapor distribution in the ABL. The fine structures of the water vapor distribution in the ABL could be measured by using the updated multi-wavelength water vapor Raman lidar during the daytime and nighttime. Employing the water vapor molecule as a tracer, the lidar measurement data of the fine structures of the water vapor distribution will be multi-scale analyzed by using wavelet analysis, and the multi-scale dynamic structures in the ABL could be obtained. Under the stable boundary layer, the fine structure of the water vapor distribution in the ABL was measured and multi-scale analysis was performed to obtain the multi-scale atmospheric dynamical structure features, as well as its spatial distribution and evolution process in the stable boundary layer. The research work in this project will help better our study and forecast of the sudden pollution incidents in the stable boundary layer.

由于受到下垫面地形强迫、热力学强迫和背景天气系统等的影响，大气边界层中会发生各种尺度的运动，这种多尺度运动与空气污染物的输送与扩散密切相关。目前对于边界层中的多尺度大气运动的研究存在很大的不确定性，主要是由于有效的精细化观测数据不足造成的。随着高分辨率模式的发展，对于边界层内精细化观测数据的需求日趋强烈。本项目针对边界层中的水汽空间分布的精细结构特征，利用升级后的多波长水汽拉曼激光雷达，实现对边界层内水汽场精细结构的昼夜连续测量。以水汽作为示踪物，利用小波分析对激光雷达测量的水汽场精细结构数据进行多尺度分析，得到边界层中不同尺度的大气动力学结构特征。在静稳天气条件下，测量边界层内水汽场的精细结构并做多尺度分析，得到静稳边界层中的不同尺度的大气动力学结构特征及其空间分布和演变过程。本项目的研究内容有助于更好地研究和预报静稳天气条件下突发的污染事件。

由于受到下垫面地形强迫、热力学强迫和背景天气系统等的影响，大气边界层中会发生各种尺度的运动，这种多尺度运动与天气现象、空气污染等密切相关。目前对于边界层中的多尺度大气运动的研究存在很大的不确定性，主要是由于有效的精细化观测数据不足造成的。随着高分辨率模式的发展，对于边界层内精细化观测数据的需求日趋强烈。本项目以大气边界层中的水汽为示踪物，利用水汽拉曼激光雷达对边界层中的水汽空间分布的精细结构进行探测，利用小波分析对激光雷达测量的水汽场精细结构数据进行多尺度分析，得到边界层中不同尺度的大气动力学结构特征。在本项目中，升级后的水汽拉曼激光雷达具备昼夜探测边界层内水汽高分辨率的时空分布，并开展昼夜连续观测试验，获得了边界层内水汽高分辨率的时空分布数据。基于小波分析，初步建立了多尺度分析算法和小波相干去噪算法，并应用于实测数据中，验证了利用水汽作为示踪物研究大气边界层中多尺度运动特征的可行性，特别是对于静稳大气边界层，利用水汽作为示踪物可以有效地获取边界层高度及其时空分布。尝试开展了水汽差分系数激光雷达技术探索研究，验证了基于光纤激光器的水汽差分吸收激光雷达的技术可行性，为大气边界层水汽场的探测提供了一种更优的技术手段。通过本项目的研究，验证了利用激光雷达测量的水汽场数据研究大气边界层中多尺度特征的可行性，为提升对于大气边界层中动力学过程的认识，特别是静稳大气边界层中动力学过程的认识，提供了一个可行的技术手段，有助于推动静稳大气边界层模式以及高分辨率大气边界层模式的发展，提升对于极端天气过程和空气污染事件的预警预报能力。