沙尘天气激光雷达监测技术研究

论文摘要

沙尘天气是具有破坏力的灾害性天气,它给工农业生产和人类身体健康带来巨大影响,而且可能引起气候学效应,造成自然生态坏境的破坏。作为一种自然现象,只要具备形成沙尘天气的因素,就必然会产生这种灾害天气。因此,必须通过有效的监测,增加对沙尘天气的了解,以便减轻这种灾害天气带来的损失。本文对沙尘天气激光雷达监测技术进行了研究,详细分析了Mie散射激光雷达参数反演的方法过程及沙尘参数的提取方法。分析、设计并开发了用于处理和分析激光雷达回波信号的大气和沙尘参数反演系统。对其他沙尘天气监测方法,如贝塔沙尘监测仪、卫星遥感、全球气溶胶监测网及沙尘区域大气模型进行了比较深入的了解和分析。利用后向散射激光雷达LB-D200对北京市2006-2007年春季沙尘天气进行监测,利用软件反演出基本气溶胶参数,将反演结果与其他监测方法的数据进行了对比分析研究,并初步探讨了多种监测方法数据的综合利用。通过研究得出:（1）后向散射激光雷达在监测气溶胶的垂直结构方面是非常有效的。能够反映出气溶胶层的高度及各高度的气溶胶分布情况,有利于分析沙尘天气的变化趋势。（2）利用激光雷达的退偏振可以实现气溶胶中的沙尘成分的区分。（3）通过对比分析,激光雷达监测沙尘天气得到的数据与其他几种沙尘天气监测得到的数据基本保持一致。同时,激光雷达在实现大气垂直空间的沙尘时空动态分布监测上具有明显的优势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的
• 1.1.3 研究意义
• 1.1.4 项目来源与经费支持
• 1.1.5 立题依据
• 1.2 国内外研究状况及发展趋势
• 1.2.1 沙尘天气监测技术研究
• 1.2.2 激光雷达沙尘监测技术研究
• 1.2.3 本研究当前的研究水平以及与国内外先进水平的比较
• 1.3 研究目标和主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究方法及技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 1.5 小结
• 第二章 沙尘天气概述及其监测方法
• 2.1 沙尘天气分类
• 2.2 我国沙尘天气的时空分布特性
• 2.3 我国北方沙尘天气的状况
• 2.4 沙尘天气监测方法
• 2.4.1 激光雷达监测仪
• 2.4.2 地面沙尘浓度监测仪
• 2.4.3 太阳光度计
• 2.4.4 卫星遥感
• 2.4.5 多种监测方法的对比
• 2.5 小结
• 第三章 沙尘天气激光雷达监测原理与技术
• 3.1 激光雷达简介
• 3.1.1 激光原理
• 3.1.2 激光与大气物质相互作用的各种情况
• 3.1.3 激光器的分类
• 3.1.4 激光雷达原理
• 3.1.5 激光雷达的分类
• 3.1.6 激光雷达的优缺点
• 3.1.7 激光雷达的应用
• 3.2 大气探测激光雷达的工作原理
• 3.3 气溶胶参数反演
• 3.3.1 Mie 散射激光雷达参数反演
• 3.3.2 消光系数边界值的确定
• 3.3.3 后向散射系数的计算
• 3.3.4 气溶胶光学厚度计算
• 3.3.5 空气分子消光系数
• 3.3.6 能见度的计算
• 3.3.7 积分的运算
• 3.3.8 最小二乘法
• 3.4 沙尘参数反演
• 3.5 小结
• 第四章 激光雷达参数反演系统开发
• 4.1 系统分析
• 4.1.1 系统概况
• 4.1.2 系统目标
• 4.1.3 系统总体规划
• 4.1.4 系统分析
• 4.2 系统设计
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 系统的总体设计方案
• 4.2.3 系统的详细设计方案
• 4.3 系统开发
• 4.3.1 系统界面及功能
• 4.3.2 数据读取和分析
• 4.3.4 主要算法
• 4.4 小结
• 第五章 沙尘天气激光雷达监测实验
• 5.1 观测仪器
• 5.1.1 后向散射激光雷达
• 5.1.2 贝塔沙尘监测仪
• 5.2 其他沙尘天气监测方法
• 5.2.1 贝塔沙尘监测仪
• 5.2.2 全球气溶胶探测网（AERONET）
• 5.2.3 卫星遥感
• 5.2.4 沙尘区域大气 DREAM 模型
• 5.3 观测结果及对比分析
• 5.4 退偏振监测的分析
• 5.5 结果分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录 A
• 在读期间的学术研究
• 致谢