全天时平流层风场观测的实现及其重力波反演

Middle and upper atmosphere environment has been one of important researches in space sciences, as the appearance of the near space concept. Gravity wave is one of the most important atmosphere dynamics, and the wind disturbances reflect the gravity wave change. One of the most effective tools for wind measurement in the middle and upper atmosphere is Rayleigh Doppler lidars. ALOMAR and USTC observed.the gravity wave using Doppler lidar, but only at night because of the solar background radiation. Knowing the continuously change of the gravity wave is very much needed, so the ability of lidar wind observation in daytime is necessary for all day observation. The project aims at that using the USTC Rayleigh Doppler lidar and improving the performance of lidar optical receiver with a super narrowband (<20pm) filter, the all day stratosphere wind measurement is realized. It will be important for the deep study of the atmosphere dynamics and near space environment.

近些年随着临近空间概念的提出，中高层大气空间环境成为空间科学研究及其应用的热点之一。大气重力波过程是中高层大气中最重要的动力学过程之一，大气风场的扰动反映了重力波变化过程。目前国际上最有效的中高层大气风场探测手段是瑞利多普勒激光雷达。欧洲ALOMAR和中科大利用多普勒激光雷达都观测到重力波现象，但是受到太阳背景散射辐射的影响，目前还仅限于夜间观测。了解大气重力波的连续变化特征非常重要，这要求瑞利多普勒激光雷达探测能力扩展到白天观测，实现昼夜连续测量。本项目利用中科大瑞利多普勒激光雷达，通过设计和研制超窄带（<20pm）光学滤光器提升激光雷达系统光学接收性能，突破中高层大气瑞利激光雷达风场昼夜观测的瓶颈，达到全天时平流层大气风场连续观测。为中高层大气重力波的动力学特征和周期特性研究提供长时间、连续的、大范围的观测数据，为大气动力学过程的深入系统的研究奠定基础。

近些年随着临近空间概念的提出，中高层大气空间环境成为空间科学研究及军事应用的热点之一。在科学研究方面，大气重力波现象是中高层大气中最重要的动力学过程之一，而大气风场的扰动直接反映了重力波变化过程。目前国际上最有效的中高层大气风场探测手段是瑞利多普勒激光雷达，欧洲ALOMAR和中科大利用多普勒激光雷达都观测到重力波现象，但是受到太阳背景散射辐射的影响，目前还仅限于夜间观测。.为了更好地了解大气重力波特征，瑞利多普勒激光雷达探测能力需要扩展到白天观测，实现昼夜测量。本项目设计和研制了新的超窄带（~10pm）光学滤光器，白天背景抑制达到15倍，探测高度提高十几公里，为实现全天时平流层大气风场连续观测奠定了基础。完成了3次外场试验，获得了风场有效观测数据88天，在此基础上观测到大气重力波以及次生重力波现象，为大气动力学过程的深入研究奠定了基础，同时为临近空间各种系统空间环境保障提供了一种重要工具。项目执行阶段共发表论文15篇，授权发明专利5项。