南京上空中层大气瑞利激光雷达探测研究

论文摘要

本文对2年多时间里观测得到的南京上空中层大气瑞利激光雷达数据进行反演研究。通过分析确定了用小波对瑞利激光雷达数据进行降噪时应采用Birge-Massart策略进行阈值选取,使用软阈值方式进行阈值处理的结论。通过研究信号信噪比及不同参考点对温度廓线的影响,确定了在进行温度反演时将参考点选取在高度大于40km信噪比大于10的地方；反演了2009年12月19日19时大气密度廓线和温度廓线,反演结果与MSISE-90模式和AIRS卫星数据表现了较好的一致性,其中在30km-40km之间相对误差小于1%；处理获得2009年12月19日中层大气日平均温度廓线,与MSISE-90模式差距最大为5,验证了算法和系统的可靠性；对2009年12月19日19时20分至20时20分的中层大气连续观测数据进行反演,结果表明短时间内中层大气温度的总体趋势保持稳定；通过对比分析2010年至2011年3月至5月,2009年至2011年10月至12月之间的激光雷达探测南京上空中层大气的数据,得到中层大气温度廓线月平均变化,显示在南京上空中层大气春、秋季节的温度年变化趋势一致,即平流层温度有下降趋势,中间层表现出上升趋势：冬季的温度年变化趋势与秋季相比为反相变化。通过反演分析了2011年3月至2012年1月之间的中层大气温度数据,发现南京上空中层大气的平流层区域在春季的3、4月份出现爆炸性增温现象;同时存在季节波动,波动最小值出现在7月份,最大值出现在12月份；在中层大气的中间层区域出现6月份夏季冷中间层,11月份冬季热中间层的现象。通过2011年11月30日和2012年1月4日整晚的瑞利激光雷达观测数据进行重力波扰动的初步研究,将温度相对扰动廓线进行Hilbert谱分析,获得重力波的振幅和相位信息,结合整晚的温度廓线变化,推测重力波的破碎和能量的耗散引起了中层大气温度的波动变化；通过对温度相对扰动等值线进行归一化映射,获得等值线变化的边界时刻与重力波相位变化的对应关系,初步表征出南京上空中层大气重力波的扰动情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及存在问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 技术路线
• 第二章 激光雷达系统结构及数据反演原理
• 2.1 引言
• 2.2 激光雷达系统结构与探测原理
• 2.3 瑞利-拉曼-米散射激光雷达系统介绍
• 2.4 瑞利激光雷达反演原理
• 2.4.1 激光雷达瑞利散射原理
• 2.4.2 瑞利激光雷达方程
• 2.4.3 瑞利激光雷达探测密度、温度原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 瑞利激光雷达信号噪声处理
• 3.1 引言
• 3.2 背景噪声扣除
• 3.3 激光雷达信号小波降噪
• 3.3.1 小波分析简介
• 3.3.2. 激光雷达信号的小波降噪方法
• 3.3.3 激光雷达信号的小波降噪过程
• 3.4 本章小结
• 第四章 瑞利激光雷达测量中层大气密度、温度反演验证
• 4.1 引言
• 4.2 中层大气密度、温度廓线反演参考点的选取
• 4.3 中层大气密度、温度廓线反演验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 南京上空中层大气温度反演与研究
• 5.1 引言
• 5.2 数据描述及筛选方式
• 5.3 南京上空中层大气温度反演研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 南京上空中层大气重力波扰动初探
• 6.1 引言
• 6.2 重力波基本理论
• 6.3 重力波扰动的处理
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录