基于斯托克斯参量激光雷达的卷云散射特性测量研究

Cirrus clouds are one of the most commonly occurring cloud types globally and they cover nearly 40% of the earth's surface in the view of satellite data. Cirrus clouds play an important role in weather and climate because of their absorption of long-wave outgoing radiation from Earth surface and reflection of incoming solar radiation. It is not enough that scattering from cirrus cloud is only described by depolarization ratio, which is used as a token of cirrus cloud particle morphological characteristic and is measured by traditional polarization lidar.But scattering from cirrus cloud can be shown in full based on a stokes lidar and this technique is still ongoing in foreign and is rarely reported in China.The stokes lidar technique will be promoted in this project, and four stokes parameters of backscattering light from cirrus cloud will be observed. Then on the basis of measurement and simulation, the sensitivity of the stokes parameters by lidar to the morphological parameters of cirrus cloud will be analysed and certain relationship will also be built between them. At last, the scattering property of cirrus cloud under various condition will be derived from lots of lidar observational data and it is efficient to distinct cirrus cloud particulate from each other.

卷云在全球的覆盖率接近40%，它既吸收地面长波辐射，又反射太阳短波辐射。因此，卷云对天气和气候有着重要影响。卷云的散射特性与其粒子的形态有着重要的关系，传统偏振激光雷达通过测量退偏振比来表征卷云粒子形态特征，其对卷云散射特性描述不够充分，容易对有序取向的卷云粒子造成误判。基于斯托克斯参量激光雷达技术，可以较全面的描述卷云散射特性。国外斯托克斯参量激光雷达技术尚在研究发展中，而国内鲜见报道。本项目将在现有双通道偏振探测激光雷达的基础上进行技术改造，实现对卷云后向散射光的四个斯托克斯参量的完全测量；基于激光雷达技术参数和几何光学方法仿真计算，分析卷云的形态参数与激光雷达测量的斯托克斯参量的敏感性，建立斯托克斯参量与卷云形态特征的关系；最后通过激光雷达外场观测实验，测量不同条件下卷云散射特性，并与理论计算结果相验证，实现斯托克斯参量激光雷达区分实际卷云粒子的形态特征。

卷云在全球的覆盖率接近40%，它既吸收地面长波辐射，又反射太阳短波辐射。因此，卷云对天气和气候有着重要影响。卷云的散射特性与其粒子的形态有着重要的关系，传统偏振激光雷达通过测量退偏振比来表征卷云粒子形态特征，其对卷云散射特性描述不够充分，容易对有序取向的卷云粒子造成误判。基于斯托克斯参量激光雷达技术，可以较全面的描述卷云散射特性。本项目在现有双通道偏振探测激光雷达的基础上进行了技术改造，实现对卷云后向散射光的四个斯托克斯参量的测量；从理论上仿真计算，分析卷云的形态参数与激光雷达测量的斯托克斯参量的关系，建立了斯托克斯参量与卷云形态特征的关系；通过激光雷达外场观测实验，测量不同条件下卷云散射特性，并与理论计算结果相验证，初步实现利用斯托克斯参量激光雷达研究和区分实际卷云粒子的形态等微物理特征。实施过程中，利用激光雷达系统对典型卷云结构、云相态、卷云光学厚度等特性进行的研究，包括激光雷达近距离几何因子的校正（探索出新的几何因子修正技术方法）、偏振通道的增益因子的标定、信号信噪比的考查、探测信号通道的线性的考查等性能；从物理光学的角度，计算了卷云后向散射的色比、退偏比以及激光雷达比等微物理特性，并与测量的结果比较（一致性很好），卷云冰晶粒子的形状和取向状态影响其微物理特性；首次从理论上计算了在高度角与方位角选择取向的六角形冰柱和冰片两种冰晶类型的后向散射穆勒矩阵；上述结果为实验研究和参数化提供依据和指导。