高精度實時水汽Raman雷射雷達自標定方法研究

《高精度實時水汽Raman雷射雷達自標定方法研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由吳德成擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高精度實時水汽Raman雷射雷達自標定方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳德成
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

由於水汽在氣候變化、天氣系統和大氣化學等過程中的重要性，水汽時空分布的長期測量，特別是對流層上部和平流層底部水汽的長期高精度測量，是非常重要的。水汽拉曼雷射雷達是當前測量對流層和平流層底部水汽垂直分布的重要工具，但是水汽拉曼雷射雷達需要標定，其標定精度直接決定了水汽混合比的測量精度。現有的標定方法不能滿足當前對水汽長期高精度測量的要求。本項目中提出一種高精度實時水汽拉曼雷射雷達自標定方法。通過對當前的水汽拉曼雷射雷達進行改造，使其利用原有的水汽和氮氣拉曼通道測量大氣中的氮氣混合比，而大氣中氮氣混合比是已知的（0.755），從而得到氮氣混合比標定常數。然後根據建立的水汽混合比標定常數和氮氣混合比標定常數之間的關係，計算出水汽混合比標定常數。這樣得到的水汽混合比標定常數的誤差大約為5%～8%。該標定方法有助於解決水汽拉曼雷射雷達常規觀測中的標定問題，使其能夠對大氣中的水汽進行高精度的長期測量。

結題摘要

大氣中的水汽影響著全球氣候變化、水循環、天氣系統以及大氣化學等重要過程，需要對其空間分布進行長期的連續觀測。水汽拉曼雷射雷達由於其系統簡單、可靠性高，能夠自動化運行，已經成為當前測量水汽分布的重要手段之一。但是，水汽拉曼雷射雷達的測量結果需要進行標定後，才能得到水汽混合比。水汽拉曼雷射雷達的標定已經成為目前限制該技術被廣泛套用的關鍵。 本項目提出了一種基於氮氣混合比測量的水汽拉曼雷射雷達自標定方法。首先，對水汽拉曼雷射雷達測量氮氣混合比的方案進行了深入研究，通過增加發射特定波長的雷射脈衝，使水汽拉曼通道能夠測量大氣彈性散射回波信號。在清潔大氣中，聯合該彈性散射回波信號和氮氣拉曼散射回波信號，得到氮氣混合比的垂直分布，而氮氣混合比是已知的,為0.755，進而得到氮氣混合比的標定係數。然後，校正水汽拉曼通道中濾光片在水汽拉曼散射波長和新增加的雷射波長上的透過率差異,建立氮氣混合比標定常數和水汽混合比標定常數之間的定量關係，將氮氣混合比標定常數換算成水汽混合比的標定係數，即完成了水汽混合比的標定。該自標定方法的理論標定誤差可以小於6%。 根據項目中提出的自標定方法，在已有的水汽拉曼雷射雷達中增加了一台660nm的雷射器，使其升級成為一台具有自標定功能的532nm/660nm雙波長拉曼米雷射雷達。在晴朗的夜間，開展自標定實驗，並根據自標定的結果測量大氣中的水汽混合比垂直分布。利用無線電探空儀測量的水汽混合比與雷射雷達自標定測量的水汽混合比進行對比，結果表明兩個測量結果之間的相對差別在10%之內。實驗表明本項目中提出的自標定方法是可行的，建立的532nm/660nm雙波長拉曼米雷射雷達能夠實現水汽混合比的自標定。 本項目中提出的自標定方法具有很強的可行性，對傳統的水汽拉曼雷射雷達經過升級後，就能具有自標定功能。這將會有效地促進和拓展水汽拉曼雷射雷達在氣象和氣候等領域的套用，為大氣中水汽濃度分布的長期連續測量提供了一個強有力的探測手段。