利用激光雷达研究北京地区中高层大气重力波三维结构

Lidar observation data is widely used in atmospheric gravity wave research. Lidar can obtain data such as atmospheric density and temperature on the laser path, but for three-dimensional gravity waves in the atmosphere, the observation parameters extracted from a single path can obtain limited fluctuation information. This project intends to use Lidar to simultaneously observe in three directions (usually vertical, south (30° zenith) and west (30° zenith)) to obtain the three-dimensional wave structure of atmospheric gravity waves. When the lidar is measured obliquely at a certain zenith angle, the resulting wavelength contains both vertical wavelength and horizontal wavelength information of the gravity wave. Therefore, the vertical and horizontal wavelengths of the gravity wave can be extracted by using the Lidar to measure in three directions at the same time. This project will use the lidar data of Beijing area to carry out case analysis of quasi-monochromatic gravity wave activity, obtain parameters such as gravity wave wavelength, propagation direction and period; and use the accumulated data for many years to carry out statistical research on gravity wave activity characteristics; The influence of background wind field on the propagation characteristics of atmospheric gravity waves will be analyzed too.

激光雷达观测数据被广泛应用于大气重力波研究。激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度等数据，但对于大气中的三维波动而言，单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限。本项目拟利用激光雷达同时以三个方向（一般为垂直、向南（天顶角30°）以及向西（天顶角30°））开展观测，以获取大气重力波的三维波动结构。当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时，所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息。因此，利用激光雷达同时以三个方向测量，可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长。本项目将利用北京地区的激光雷达数据，开展准单色重力波活动案例分析，获取重力波波长、传播方向及周期等参量；并利用多年积累的数据开展重力波活动特性的统计研究；进一步分析背景风场对大气重力波传播特性的影响。

重力波普遍存在于中高层大气当中，被认为是中高层大气中最重要的动力学过程之一。重力波在对流层、中高层、以及电离层大气之间的耦合过程中有着至关重要的作用，并且对全球大气环流有重要的影响。开展中高层大气重力波活动研究，可以有效提高数值模式预报的准确性，保障航天器以及临近空间飞行器的安全。.本项目将利用瑞利激光雷达三个方向的观测数据对北京地区30-70km高度上的重力波特性进行分析。具体包括：.（1）瑞利激光雷达观测数据积累.（2）重力波活动案例分析.（3）重力波活动统计特性研究.（4）背景风场对中高层大气重力波的影响.研究目标.①对观测数据中的地形重力波案例进行归纳分析，给出北京地区地形重力波的特征参量，如垂直波长，水平波长，水平传播方向等；.②分析总结北京地区30-70km高度上的重力波基本特点及其变化规律，给出重力波的波谱分布以及季节变化特征，重力波的特征能量及其季节变化规律；.③结合背景风场数据分析背景风对重力波传播的影响。.数据支撑.中国科学院国家空间科学院中心的532nm瑞利散射激光雷达开展了多次临近空间大气激光雷达探测试验，积累了丰富的试验数据。2012年-2018年该雷主要在北京地区开展观测，累计观测100多个夜晚，积累数据700多个小时。2019-2020年该雷达承担国家重要探测任务，在敦煌地区开展探测试验，数据有效天数超过80天，总时长超过600小时。.主要结果.利用激光雷达同时以三个方向（垂直、向南（天顶角30°）以及向西（天顶角30°））测量，可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长；分析了2017年11月7日北京地区的一例重力波活动案例，分析给出该重力波向东南方向传播，东向的水平波长分量约为84km左右，南向的水平波长分量约为812km左右，垂直波长约为11.08km；北京地区重力波活动具有明显的年周期变化，冬季重力波势能密度约18J/kg，夏季约8J/kg，冬季重力波强度约为夏季的两倍;敦煌地区重力波活动呈现明显的秋冬季强，春夏季弱的现象，在60km高度秋冬两季平均重力波势能密度约10J/kg左右，而春夏季月3-410J/kg。