基于多视场激光雷达的云微物理特性观测

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目 录

1 引言 4

2 多视场激光雷达的理论研究 5

2.1 基础原理 5

2.1.1散射 5

2.1.2多次散射概念 5

2.1.3蒙特卡罗方法 6

2.2 多视场激光雷达测云的理论基础 7

2.2.1 研究方法 7

2.2.2多视场激光雷达系统介绍 9

3多视场激光雷达对水云的观测 12

3.1实验数据的观测与预处理 12

3.2 斜率法求消光系数（LWC） 13

3.3借助蒙特卡罗模拟求解CES 14

3.3.1数据归一化处理 14

3.3.2数据拟合优度 14

3.3.3 多视场下的数据对比 17

4结论与分析 17

参考文献 18

致谢 20

基于多视场激光雷达的云微物理特性观测

王有成

,China

Abstract: The microphysical properties of clouds are important factors affecting atmospheric radiative transfer. Therefore, it is significant to measure microphysical parameters of clouds. Compared with the traditional measuring means, Lidar has great advantages in detecting the microphysical properties of clouds. As number concentration of cloud particles is high, and the average free path of cloud particles is small, scattering effects often occur in the process of conventional Lidar detection. Although multiple scattering effects may cause errors to some extent, multiple scattering Lidar echoes can also carry more information about the microphysical properties of clouds. Therefore, we can study the microphysical characteristics of the cloud by studying the echo signal of the multiple-field-of-view Lidar. Cloud effective size (CES) and cloud liquid water content (LWC) is the two important cloud microphysical parameters, based on Monte Carlo simulation, we propose that LWC and CES can be retrieved by using two parameters of multiple field-of-view Lidar: SRCLS (slope of lidar signal after distance corrected) and IRCLS (intercept of lidar signal after distance corrected). According to the Monte Carlo simulation results, SRCLS is only related to extinction coefficient (or liquid water content), whereas IRCLS is related to both of them. Therefore, we can obtain the extinction coefficient (or liquid water content) through SRCLS, after abstracting the LWC, we can easily get the CES from IRCLS. SRCLS and IRCLS can be obtained by our single wavelength multiple-field-of-view Lidar. According to the parameters of the Monte Carlo simulation, we designed a multiple field-of-view Lidar, which can change the FOV of the Lidar by placing a variable aperture on the focal plane of the receiving telescope. We made some relevant observations by using this Lidar system of in northern suburb of Nanjing. We finally obtained the LWC and CES by the above method to process the observation data.

Keywords: multiple scattering; Monte Carlo; multiple field lidar; extinction coefficient; cloud liquid water content; Cloud effective size

1 引言

云的观测既是大气探测学的一项基本内容，也是天气预报制作、航空气象预报的基础部分，研究云对研究大气动力和热力过程同样具有重要作用。利用激光雷达进行的主动遥感，比起常规方法的探测有很大长处，在对气溶胶和云的观测中发挥着重要作用^[1]，激光雷达具有价格低廉、性能稳定、方便快捷等优点，在垂直方向上有不错的距离分辨率和测量精度。在全球范围内部署，可对云和气溶胶粒子实现长期、稳定、高效的观测^[2]。激光雷达在垂直观测云的内部微物理特征具有独到的优势，可以对当地上空的气溶胶和云的微观结构进行长期稳定的测量。

激光雷达探测原理是在激光的传输过程中，与气溶胶粒子和云粒子碰撞发生散射，散射回来的光被接收机接收，经过光电转换变成电信号。由于在现实大气中云粒子平均自由程小，激光在云内会经历多次散射。若空气中的气溶胶含量较低，大气光学厚度较小，激光受到衰减小，这样的气象条件下只计算一次散射即可。但当激光到达云层时，若云层较厚或存在许多大云粒子时，云层的消光系数较大，多次散射效应很强，激光会受到较大衰减，传播方向也会发生改变，所以多次散射过程对回波信号产生较大影响。此时，对回波信号的处理必须考虑多次散射效应，否则会造成很大误差。另一方面，云粒子对激光的多次散射效应又使雷达回波携带大量云粒子特性的信息，研究此回波，对使用激光雷达观测云微物理特性有很大现实意义。

液态水云的微物理特性是影响大气辐射传输的重要因素，其中影响比较大的微物理特性包括液态含水量和云粒子有效粒径，许多科学家正尝试去测量云粒子有效粒径和液态含水量^[3]。这些方法包括主动方法和被动方法，主动探测如：利用激光雷达和常规雷达进行探测，被动探测如：检测反射的太阳光和热排放。这些主动探测可归纳为三种：第一种方法分析了液态水的拉曼散射和弹性米散射的后向散射信号，信号值分别随液滴半径的立方和平方变化。另一种方法综合分析了常规雷达和激光雷达信号，它们分别随液滴半径的六次方和二次方变化。然而，拉曼激光雷达无法在白天观测，并且在小颗粒的散射截面的测量上，结合常规雷达和激光雷达信号有很大局限性。第三种方法采用多视场激光雷达来研究多次散射效应，因为多次散射效应影响了激光辐射传播的空间分布^[4]。

近十几年来，多次散射效应对激光雷达回波信号作用的研究取得了重大进展。其中，Plat首次提出了激光雷达探测卷云受多次散射效应影响的研究方向^[5]。Eloranta进一步研究了受多次散射效应作用的激光雷达回波模型 ^[6]。Bissonette等人将近轴近似辐射传输过程和实验室结果相结合，对辐射传输过程进行优化，来模拟多次散射的作用^[7]。Kim和Lee等利用蒙特卡洛方法模拟各种不同粒子半径和液态水含量下的多次散射雷达信号，发现了在改进的伽马分布下水滴光学厚度和偏振度之间的对应关系，提出了利用偏振度的斜率（SLDLP）和偏振饱和度（SADLP）反演液态水含量与云粒子有效粒径^[4,8]。国内部分学者基于蒙特卡罗模拟进一步优化了半解析的蒙特卡罗方法，以研究光子在云内的多重散射过程。如杜竹峰^[9]等人用Henyey-Greenstein函数得到米散射相位函数的近似，简化散射能量空间分布，提高了激光回到望远镜的概率，加快模拟速度。孙贤明等^[10]对利用偏振激光雷达探测多层离散随机介质的情况，提出针对性的半解析蒙特卡罗方法。但是目前的对于多次散射的研究仅仅只是停留在理论研究上而缺乏对多次散射的实验研究，因此对多次散射的实验研究对于更加精确测量云的微物理特性具有重要的意义。

多视场（MFOV）激光雷达的基础理论是云的多次散射效应^[11]。由于云粒子或雾的自由路径较小，散射光是下一个散射过程的入射光，易导致多次散射现象。虽然在仅仅只考虑一次散射的情况下，多次散射会造成一些错误，但多次散射却可以为我们提供更多云微物理特性的信息。因此，我们可以使用多视场激光雷达反演云的微物理特征。由于传统的激光雷达通常有一个固定且非常小的视场角，它可能难以收集来自多次散射的激光雷达信号，因为多次散射光可能偏离路径180°方向。但多视场激光雷达可以通过改变视场以采集不同视场的激光雷达信号。因此，我们可以用多视场激光雷达对云的微物理特征进行研究。

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