0引  言

溫度是重要的氣象參數,早在1971年,某專家學者利用瑞利激光雷達成功地對大氣溫度進行了測量。然而,在30 km以下的高度由于氣溶膠的影響,利用瑞利激光雷達難以進行溫度精確的測量。在過去的幾10年激光雷達技術的發展過程中,有很多方法用來去除低空氣溶膠散射的影響。專家利用干涉儀(FPI)嘗試對大氣散射中氣溶膠散射信號和分子散射信號進行分離。2005年，有專家學者成功地利用FPI實現24 h測量,在5 km以下測量精度達到2 K。1983年,又有專家學者提出將原子吸收濾波器用于高光譜分辨率激光雷達(HSRL)測量大氣參量。他們在HSRL中使用了鋇原子吸收濾波器測量了大氣溫度。與FPI相比,原子(分子)濾波器光路設計簡單,不依賴于入射光的角度,光路調節簡單,其吸收線在濾波器溫度確定情況下比較穩定,用于低空測量時,在適當溫度下對氣溶膠信號有強烈的吸收,這樣就可以提高分離氣溶膠米散射和大氣分子瑞利信號的精度。資料顯示專家曾在532 nm采用2個碘分子濾波器,在對流層大氣溫度測量中取得了較好的結果。據各項資料調查統籌顯示基于碘分子濾波器的HSRL系統,可以有效地分離氣溶膠散射和分子散射,從而利用瑞利散射測量對流層大氣溫度剖面。本文介紹了基于碘分子濾波器HSRL的系統結構,給出了利用該系統測量大氣溫度的原理和方法,并將測量結果與氣象局探空數據進行了對比。

1基于碘分子濾波器HSRL及溫度測量原理

1.1基于碘分子濾波器HSRL系統

采用的HSRL系統結構如圖1所示,其主要由激光發射系統、信號接收系統和信號采集、處理及控制系統組成。高功率、窄線寬和頻率穩定的532 nm輸出激光發射系統,其脈沖激光器為倍頻的激光器,種子激光器為雙波長、窄線寬及可調諧半導體泵浦非平面環形腔的固體激光器。利用碘分子吸收線將激光器的頻率鎖定在工作頻率上。種子注入和頻率鎖定的激光通過擴束準直后經掃描鏡發射到大氣中,大氣回波信號通過掃描鏡和望遠鏡系統接收。接收到的回波信號分成兩路,如圖2(a)示,一路作為能量參考被直接探測,另一路則通過碘分子濾波器。激光頻率鎖定在吸收線谷底中心位置時,如圖2(b)示,由于碘分子濾波器具有很高的抑制比,氣溶膠散射幾乎完全被濾除。表1給出了HSRL系統的主要參數。

圖1　大氣溫度測量HSRL系統

圖2　基于碘分子濾波器HSRL探測原理示意圖

表1　基于碘分子濾波器的HSRL主要性能指標

1.2 溫度測量原理

根據瑞利后向散射強度可以測量氣體密度,利用激光所測得的密度廓線,由大氣靜力學方程和氣體狀態方程,可以進一步求得大氣的溫度廓線。HSRL能量參考通道和碘分子濾波器測量通道接收到的光子數分別可以表示為

為便于分析,邊里省略了部分系統固有參數。式中:N_Ray和N_Mie分別為接收到的瑞利散射和米散射信號;T_Ray和T_Mie分別為瑞利散射和米散射信號在碘分子濾波器的中心透過率;R為分光鏡反射率。T_Ray是瑞利光譜與碘分子濾波器光譜卷積的結果,不同高度、溫度、壓強不同,瑞利光譜也不同,首先采用標準大氣模型的溫度、壓強剖面以及瑞利S6模型來計算T_Ray剖線,然后將HSRL數據計算出的溫度結果再次待入到S6模型中計算T_Ray,如此反復多次,直到前后2次相差不超過1%。T_Mie可以通過直接測量激光在碘分子濾波器中心的透過率來獲得。

由式(1)可以求得瑞利散射和米散射信號分別為

根據求得的瑞利散射信號,大氣分子數密度N(z)可以表示為

其中:N(z₀)為參考高度上的大氣分子數密度;Q²(z,z₀)為z至z₀高度的大氣雙程透過率(包括了分子和氣溶膠的影響),通常對于30 km以上的大氣溫度測量,可以認為大氣透過率近似為1,但對于對流層不能采用這種近似,也要通過激光雷達數據進行校正。由理想氣體狀態方程和大氣靜力學方程,大氣溫度T(z)可以表示為

其中:T(z_c)和N(z_c)分別為參考高度上的大氣溫度和密度;R為氣體普適數;g(z)為重力加速度。參考高度上的大氣密度和溫度可由探空資料或者大氣模型給出。利用式(2)求得瑞利散射信號后,可以根據式(3)和式(4)求得大氣溫度。

3測量結果與討論

圖3為利用HSRL測量上空溫度剖面,測量累計時間為5 min,(a)激光雷達信號從1.3km到9 km,1.3 km以下的信號由于幾何因子和光子計數飽和的影響需要進行校正,本文沒有給出?？梢钥闯?HSRL信號和探空數據吻合較好,在9 km以下探測誤差小于3 K,如(b)示。證明基于碘分子濾波器HSRL低空大氣溫度測量是可靠的。測量中發現,HSRL溫度測量結果和探空數據存在著約7K的偏差,如圖4(a)所示,HSRL數據減掉這個偏差后就得到圖3校正后的結果。

分析認為,HSRL溫度測量的誤差主要來自于2方面:參考高度上的初始值;HSRL的測量值N_Ray。計算表明,參考高度密度初始值對溫度結果影響不大,而溫度初始值則影響較大,圖4(b)給出了參考高度上溫度初始值偏差為5 K對激光雷達反演大氣溫度結果的影響,溫度初始值變化時會引起HSRL溫度測量結果的變化,但是在不同的高度由初始值變化引起的溫度變化并不相同,較高處變化較大,較低處變化較小,這主要是由于低層大氣密度較大,使低層的溫度受參考溫度變化的影響較小。

對于HSRL測量值N_Ray引起的偏差,原因在于HSRL系統本身,包括其頻率的漂移、激光光譜的純度和背景光的影響等。觀測過程中,激光器的頻率被鎖定在碘分子吸收線谷底處,以便分離出大氣瑞利散射信號。激光器頻率的自由漂移和由于激光種子注入不完整引起的激光光譜純度變化都會引起HSRL測量值N_Ray變化,使HSRL計算得到的溫度值偏大。另外,背景光以及光電倍增管暗電流也是個不可忽視的問題。雖然在信號處理時將其減去,但如果將背景光等估計偏大或偏小,都可能引起HSRL反演大氣溫度結果的偏差。

圖3　(a)HSRL反演溫度與氣象局探空數據測量對比結果;(b)HSRL溫度與氣球溫度偏差

圖4　(a)HSRL數據整體偏差;(b)參考高度溫度初始值選取引起的偏差

3結  論

基于碘分子濾波器的HSRL系統去除了氣溶膠信號的影響,從而可以利用瑞利散射信號強度測量低空大氣溫度。給出了利用該系統對流層大氣溫度測量結果,與當地氣象局探空數據對比結果顯示出較好的一致性,溫度偏差在9 km內小于3 K,證明了系統對低層大氣溫度的探測能力。討論了系統偏差和由于參考高度溫度初始值選取引起的溫度廓線的變化。利用瑞利散射強度測量溫度精度主要受大氣密度測量的影響,因此測量精度不是很高。進一步的研究中,系統將增加測量通道,系統具有2個碘分子濾波器,兩者工作在不同的溫度下,從而可以利用瑞利散射光譜線寬與溫度的關系來更準確地測量大氣溫度。

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