声雷达探测中的一个问题

声雷达是探测大气边界层的一个重要手段。利用它可以取得风、温度、湍流统计特性廓线等许多重要的大气边界层参数。目前,在分析声雷达探测资料中,普遍采用下列声雷达方程     

SWT声雷达探测系统回波信号的变换与检测

声雷达在大气边界层探测中被广泛应用,但由于声波与大气相互作用的复杂性以及强噪声对微弱回波信号的干扰,使得研究声雷达探测方法并改进设计成为当前国际大气声遥感领域中的重要课题。 在我国研制的SWT测风测温声雷达探测系统中,采用PLTF方法提取强噪声背景中随机弱信号的Doppler频偏信号f_d,并采用V-F-BCD变换方法和模块化设计来提高频率分辨力与测风精度。     

多普勒测风声雷达

边界层大气中风速的测量对于大气湍流、大气扩散和污染等问题的研究是十分重要的。低空的风速切变对于飞机的安全飞行有着直接影响。七十年代以来,多普勒测风声雷达得到了迅速发展和广泛的应用。我们在对声雷达测温系研制成功的基础上,对多普勒测风声雷达进行了研制,取得了初步结果。对垂直风速的探测高度可达500—600米。此外,还用双点多普勒测风声雷达进行了水平风速、风向的测量。     

山区、城区和近郊区秋季温度层结的声雷达探测比较

边界层大气中,温度层结是影响污染物质迁移和输送的一个重要因子。下垫面状况和地形条件不同,会直接影响温度的垂直分布。在城市、郊区和山区,温度的垂直分布显然会存在差异。为了研究和了解这种差异,就需要进行同时观测比较。 单点测温声雷达是研究温度层结垂直分布的一种较为简便而有效的探测手段。Russel和Uthe曾用多部声雷达在美国旧金山布点,得到了该地区不同时刻混合层高度的等值线分布。     

激光·微波·大气探测

激光自问世以来已被广泛地应用于各个领域。在气象上,激光技术多半用于大气探测。1963年,美国气象工作者成功地研制出用于大气平流层探测的激光雷达;3年以后,我国也研制出红宝石激光雷达,并且从1970年开始,利用激光技术,卓有成效地开展了精确测量云高、遥测烟雾扩散和测量大气消光系数分布等工作.用激光探测大气,必须有产生激光的装置。激光雷达,作为雷达的光学对应物,是产生激光并探测大气的重要工具。激光的优点是高亮     

夜间辐射逆温过程中的波动性质

一、引言在夜间,稳定大气边界层是很难维持定常的,其中气象要素经常随时间发生变化.因此研究夜间大气边界层特征,尤其是辐射逆温过程的特征和演变规律,对大气边界层物理的基本理论研究和大气污染物的输送、扩散等实际问题都有重要意义.     

声雷达探测在天气分析和局地天气预报中的应用

近几年来声雷达探测资料开始应用于局地天气预报。我们利用北京地区三段时期的声雷达连续探测资料研究了一些回波现象与天气系统之间的关系,它对了解某些天气系统的内部结构和北京地区局地天气预报是有帮助的。     

探测高层大气的激光雷达

雷达是指用主动发射的无线电波对目标进行探测或定位。最早由德军在1935年应用于侦察和跟踪飞机。目前,雷达已广泛应用于军事目标侦察、空中和地面的交通管制、气象预报、大气及电离层研究等。     

我国大气环境立体监测技术及应用

大气环境是一个十分复杂的动态系统,大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里,具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征,影响着空气质量、气候变化.提高大气环境的监测技术水平,发展遥感观测手段,实现对大气环境的在线、快速、立体探测,对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义.近年来,日新月异的激光/波谱技术促进了大气立体监测技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种立体监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在大气、环境、气象、空间、遥感以及军事领域得到了广泛的应用.通过光与大气中物质相互作用产生的吸收、散射、发射等过程,形成了多种探测技术,实现了对大气痕量气体、大气气溶胶、温室气体、大气风场、水汽、温度以及多种大气污染成分的快速、实时探测,并通过光波的遥感特性,在地基、车载、机载及星载多平台上对大气多种成分、大气参数进行多尺度的探测.     

城市边界层理化结构与大气污染形成机制研究进展

自2013年《大气污染防治行动计划》实施以来,我国空气质量持续改善,但京津冀地区细颗粒物浓度仍远高于国家标准,秋冬季重污染天气仍时有发生.近些年,我国科学家在大气污染的立体探测、成因机制和来源解析、气溶胶和边界层相互作用等研究领域取得重要进展,进一步支撑了我国大气污染的科学防治和重污染天气的有效应对,然而我国当前大气污染仍面临诸多科学难题.本文简要概述了我国近些年在大气污染垂直探测方面的一些研究进展,特别是依托于北京325 m气象塔建设的城市边界层理化结构探测平台,详细论述了北京地区不同季节大气气溶胶化学组分的垂直分布特征及其与边界层物理要素的相互作用,同时基于2014年亚太经合组织峰会(APEC)和2015年纪念抗日战争胜利70周年阅兵前后的垂直观测,阐明了大气污染化学组分对区域源排放控制的响应机制.本文还针对大气细颗粒物中的二次无机组分(硝酸盐和硫酸盐)和二次有机气溶胶的生成机制以及极端霾事件的生消机制的最新研究进展进行了评述,并在最后对大气污染监测、二次无机气溶胶生成机制和有机气溶胶的分子组成和物理化学属性(相态、挥发性和氧化态等)等未来研究给出了一些建议.     

我国海南上空中高层大气潮汐风场的首次观测分析

海南富克(19.5°N, 109.1°E)流星雷达是我国低纬地区第一台探测中高层大气风场的雷达. 利用该雷达观测的2009年春季近3个月的风场数据(2月1日至4月20日), 第一次给出了我国低纬地区80~100 km高度范围内大气周日潮汐、半日潮汐及平均风随时间、高度的变化情况. 分析结果表明: 在春季, 我国低纬上空中层顶区存在非常强烈的大气潮汐波, 并且大气周日潮的幅度明显大于半日潮, 周日潮幅度的最大值(约100 m/s)出现在经向风场中. 周日潮和半日潮的相位在垂直方向上向下传播. 与大气潮汐波线性理论模式GSWM02比较表明, 富克周日潮与模式有较好的一致, 而半日潮汐波与模式有较大的差异.     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

星载Ku,Ka和W三频雷达探测云雨三维结构模拟仿真

对星载Ku, Ka和W波段微波雷达联合观测中纬度陆地气旋、热带台风和热带洋面气旋个例中云和降水的三维结构进行了模拟仿真.首先利用Weather Research and Forecasting(WRF)云模式模拟了个例中各种水凝物的时空分布,并利用Aqua卫星MODIS观测结果直接检验了中纬度陆地气旋个例模拟结果;然后将模拟结果作为输入,利用星载雷达模拟器计算了相应的雷达回波反射率因子,并利用CloudsSat卫星的W波段云雷达CPR实测信号对之进行了验证;随后利用该模拟数据研究了不同粒子雷达回波反射率的特点.最后假设Ku,Ka和W波段雷达的灵敏度分别为15, 5和-35 dBZ,定量研究了这3个波段在探测云顶高度、云底高度上的优缺点和误差大小.模拟结果证实随着频率的增高,水凝物粒子的雷达回波反射率因子减小.非降水云水和云冰粒子回波明显弱于降水和降雪粒子,一般很难被Ku和Ka波段星载雷达观测到.研究发现W波段雷达对云顶的探测误差一般很小(不到30 m),而Ku,Ka雷达对云顶的探测误差可达数千米.对云底探测而言,W波段雷达可以有效穿透低层液态水含量低的天气系统,但对强降水天气系统云底探测误差较大;Ka波段雷达在台风眼壁云墙附近的强降水区也会出现较大探测误差;而Ku波段雷达云底的探测误差都较小.     

干旱区夏季晴空期超厚对流边界层发展的能量机制

在全球干旱区,因其特殊的气候环境背景,夏季晴天常常会出现其他地区少见的超厚对流大气边界层(superthick convective boundary layer, SCBL),这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义,但目前对这种超厚对流边界层发展机制理解十分有限.这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进,也限制了超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识.通过选取我国西北干旱区敦煌荒漠戈壁为代表性研究区,利用以往在该区域开展的陆-气相互作用观测试验资料及长期业务探空观测资料,从大气边界层发展的能量机制出发,对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行分析.分析表明:从日际尺度看在持续晴空期即使在白天地表感热通量日积分值不变甚至减弱的情况下,大气对流边界层(convective boundary layer, CBL)的日最大厚度仍然表现为逐日持续增高的特点,且地表感热提供的能量无法平衡对流边界层发展所需要吸收的能量.主要原因是深厚的近中性残余层(residual layer, RL)在对流边界层发展过程中发挥了重要作用,通过夹卷过程从残余层进入对流边界层的夹卷能量是对流边界层逐日持续发展的关键能量补充.在夏季连续晴空期,对流边界层与残余层之间会形成逐日循环增长机制,使干旱区夏季发展出超厚对流大气边界层.     

龙卷风的结构

美国海洋大气管理局的科学工作者首次用雷达观测了龙卷风的大小、形状,移动速度和威力,发现这种自然灾害确实令人生畏。这些科学工作者今年五月底将多普勒雷达对准俄克拉何马州宾格尔北面的一个龙卷风。他们发现,这个龙卷风的风速高达88米/秒(十二级风也不过才33米/秒左右);在它的漏斗柱里,不仅把牛、联台收割机,载重拖车、油罐等刮倒,还以19米/秒的速度刮跑;它沿地面扫过了二十三公里路程,     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

冬季河谷城市上空边界层特征分析

为了解复杂地面上大气边界层特征及其对污染物输送扩散的影响,我们于1989年1月10日至19日在兰州进行了以边界层探测为主的综合性野外试验。兰州市区所在黄河河谷盆地呈卵圆形,东西长约13km,南北宽约6km。除东西两端有峡口外,四周群山环绕,南山高度300—500m,北山高度200—300m。盆地以内人口密度自东向西增加,西部为繁华商业区,东     

夏季极区中层顶大气浑沌性的VHF雷达观测

随着探测技术的不断完善,大量观测资料揭示了真实大气的复杂运动过程,然而与通过对大气动力学系统作数值分析研究大气浑沌性相比,我们对真实大气运动的复杂性的了解还是初步的。对于像大气运动这样的耗散系统,它的浑沌性通常用3个统计特征量来描写,即维数、Lyapunov指数和熵。最近10多年来,用这些特征量刻划大气运动结构的工作在国内外发展很快,郑祖光和刘式达讨论了近地面大气的浑沌状态;Fraedrich等发现低层大气浑沌吸引子的维数与季节有关;Yang等用MU雷达观测资料计算了平流层大气运动的维数和熵。但有关更高层大气运动浑沌特性的工作尚未见文献报道。     

曲靖地区电离层准6日扰动与MLT大气行星波的相关性

利用曲靖地区(25.6°N,103.8°E)2008年9～11月共2个月的MF雷达风场数据和电离层垂直探测数据,分析了中层低热层(MLT)大气行星波,电离层Es和F层的准6日行星波状扰动特性.结果表明,电离层foEs的准6日行星波状扰动与MLT大气纬向风场中的准6日行星波存在紧密相关性,后者通过调制半日潮汐间接影响Es层.电离层F区未出现显著的准6日行星波状扰动.这些结果提供了大气行星波与电离层Es层相互耦合的实验证据,加深了对我国低纬地区电离层空间天气扰动特性的认识.     

子午工程首枚气象火箭大气探测结果分析

2010 年6 月3 日凌晨, 子午工程首枚气象火箭在海南火箭发射场成功发射. 本文利用此次气象火箭探测的大气温度、风场和辅助火箭发射的气球探测的大气温度数据, 分析了大气温度、风场随高度的变化, 研究了大气风剪切、重力波和大气动力学稳定性. 此外, 将大气温度和风场随高度的剖面与SABER/TIMED 卫星的温度探测、MSIS00 模式和HWM07 模式结果作了对比分析.