对流层顶精细结构的拉曼激光雷达高精度探测方法与实验研究

Fine structure and its variation of tropopause have direct impact on the weather and air conditions near surface, therefore long-term observations of tropopause has important scientific significance and application requirements in the study of climate and weather changes for the global and local region. Based on the developed Lidar system for atmospheric temperature and humidity measurements and the achievements of the National Fund project completed, it is continued to further optimize the Raman Lidar system, and present a new inversion algorithms for atmospheric temperature with large-dynamic, and conduct long-term observational studies，in order to achieve the simultaneous detection research of all-time atmospheric parameters with high precision from Troposphere to lower stratosphere. Combined with the results of WRF atmospheric model and HYSPLIT data model, data validations and merged analysis are carried out, and the temporal change of vertical profiles of atmospheric water vapor (relative humidity), temperature and aerosols at the regions from troposphere to lower stratosphere are obtained, and thus the correlation characteristics between atmospheric parameters and pressure, flow trajectory are acquired, which can be used to obtain the spatial and temporal variation of tropopause structure. Therefore, the results will provides a new solution to study the temperature characteristics from lower to middle atmosphere and to study the atmosphere fine structure, which has important significance and application value.

对流层顶的精细结构及其变化直接影响着近地层的天气与空气状况，因此，对其长期精细观测，对研究地球全体与局地的气候与气象变化，具有重要的科学意义与应用需求。本项目依托已结题国家基金仪器专项所研发的大气温湿度与气溶胶观测系统及所取得的研究成果，进一步优化拉曼激光雷达系统，探索新的大气温度大动态高精度反演算法，并开展实验观测研究，实现对对流层-下平流层范围内大气参数的全天时高精度同步探测研究。并将长期观测结果与大气WRF模式和HYSPLIT模式相结合，开展数据交互验证和融合分析，获得对流层-下平流层范围内大气水汽、温度及气溶胶等大气参数时空变化剖面与气压场、气流轨迹等的相关性特性，以期解明对流层顶精细结构时空变化规律。本项目的研究成果将为低层-中层大气温度变化特性以及大气结构的精细研究提供新的科学依据和解决方法，具有重要的研究意义和应用价值。

对流层顶的精细结构对研究地球气候与气象变化具有重要的科学意义与应用需求。项目针对对流层顶大气结构的拉曼激光雷达探测技术和实验展开研究，重点研究了基于转动拉曼激光雷达的大动态大气温度反演新方法，高精度全天时拉曼激光雷达的优化，拉曼激光雷达结合大气模式的校正和融合等关键技术，获得了对流层-下平流层全天时大气参数时空剖面和关联特性，实现了西安局地上空对流层顶精细结构的初步研究。. 项目组优化设计并建立了一套大气多参量同步探测拉曼激光雷达系统，实现了对流层-下平流层大气多参量的同步有效探测，其中对大气温度的探测高度可达到25 km以上，可实现对流层范围内大气水汽的有效探测，为对流层顶精细结构研究提供强有力的技术支撑。. 项目提出了一种基于单通道转动拉曼激光雷达的大动态大气温度反演新方法，获得了晴天条件25 km和有云条件15 km以下的大气温度廓线。提出了一种基于后向散射比校正的大气气溶胶拉曼反演改进方法，获得了对流层-下平流层范围内大气气溶胶后向散射系数的精确反演。提出了基于小波阈值去噪的太阳背景光高精度抑制方法和WRF 模式的数据融合方法，获得了近地面-20 km高度范围内大气水汽和相对湿度的高时空分布，实现了对流层-下平流层范围内大气参数的全天时高精度同步探测研究。 . 项目进一步提出了激光雷达数据与大气模式融合分析的对流层顶结构研究方法，利用激光雷达提供的对流层-下平流层范围内温度、水汽和湿度、气溶胶等多参量时空剖面，结合太阳光度计、WRF 模式、HYSPLIT 模式和NECP 资料的验证和融合技术，获得了对西安局地对流层顶高度(17-18 km)、对流层顶逆温现象、对流层顶气溶胶层(后向散射比大于1)以及大气温湿度与风场的分布特征，关联特征和长期变化趋势，实现了激光雷达探测技术对对流层顶精细结构的初步应用研究。本项目的研究成果将为低层-中层大气温度变化特性以及大气结构的精细研究提供新的科学依据和解决方法，具有重要的研究意义和应用价值