大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程，与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验，使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究，并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM_2.5质量浓度数据分析。研究时段内，低空急流出现频率为0.11，平均急流风速为13.2 m?s^-1，急流风向主要集中在东北向与西南向，急流高度主要在500 m以下，在200~300 m频率最高；低空急流风向在冬季与春季存在明显差异，冬季主要集中在东北向，春季主要集中在西南向。分析表明，该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响；在沿海区域，海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件，进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力，加速PM_2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。

作为一种中尺度天气现象，海陆风通过对污染物的累积与输送影响沿海地区的空气质量。2021年3月到4月，相干多普勒测风激光雷达系统架设在辽宁省葫芦岛市，开展风场观测实验。结合自动气象站的常规气象参数，识别得到海陆风日11天。结果表明：海风平均登陆时间为8：30；14：00~17：00海风发展较盛，平均风速超过7.0 m⋅s-1；10：00~16：00海风发展高度为0.3~0.5 km，18：00后保持在0.9 km以上；海风主风向为东，随时间顺时针偏转；海风阶段，高空有北、西北方向的返海陆风。环境监测站数据表明，海陆风日白天O3浓度上升速度快，峰值浓度更高。以4月4日为例，利用中尺度天气预报（WRF）模式分析南北向垂直剖面海风环流，结果表明：海风、陆风交汇会造成污染物聚集，海风登陆形成的冷气团有利于污染物向下输送；海陆风环流对污染物有循环累积作用，计算得4月4日葫芦岛水平风局地回流指数仅为0.049，表明空间内风场输送能力弱，污染物不易扩散。

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为精确地估算湍流参数。

相干多普勒激光雷达作为观测风场信息的有效探测工具,广泛应用于不同场景的风场以及大气观测。2019年8月,研究人员利用相干多普勒激光雷达在深圳市石岩综合气象观测基地连续开展了13 d的风廓线观测实验。分析了多普勒波束扫描模式下五波束法、三波束法和二波束法反演结果的异同及这些方法对测风精度和数据获取率的影响。数据比对结果表明,三波束法和二波束法的反演结果与五波束法所得结果有较好的一致性。针对激光雷达实际观测中系统或大气状态如云雾、降水等导致个别波束信噪比较低的问题,需灵活选取波束以反演风场、增加数据获取率,得到的探测高度平均提高量为100~400 m。

为了实现对风力发电机振动的遥测, 提出了一种新的风力发电机状态监测方式。利用相干多普勒激光雷达探测风力发电机的低频振动, 并对遥测方法、测振频谱数据处理方法以及试验中出现的现象进行试验研究。试验分为风力发电机实测试验和固定目标实测试验两部分: 首先在距离风力发电机约675 m使用多普勒激光雷达对其塔筒顶部进行扫描, 记录频谱数据, 利用基于离散频谱校正技术的测振频谱数据处理方法, 提取风力发电机的振动状态参数; 然后进行固定目标实测试验, 使用相同的数据处理方式对回波信号进行处理, 对激光雷达的实际误差进行评估。试验结果表明: 相干多普勒激光雷达对风力发电机频率为0~2.5 Hz、振动速度为0.1~3 m/s的低频振动探测效果明显, 具备探测风力发电机低频振动的能力。

针对近海复杂地形下海陆风对大气湍流特性的影响,在深圳市杨梅坑环境生态中心开展了大气湍流观测实验,利用温度脉动仪、超声风速仪和测风雷达获得了大气折射率结构常数、大气声虚温、风速风向廓线等时间序列数据。通过分析海陆风对大气湍流的功率谱、各向同性和湍流动能耗散率的影响发现,较陆风条件,湍流在海风条件下发展得更为充分。海风条件下各向同性系数接近甚至等于1的频率范围为0.05~50 Hz,速度功率谱幂率均接近-5/3;陆风条件下,只有0.8~10 Hz频率范围内的大气湍流在极短时段表现出局部各向同性,速度功率谱幂率均严重偏离-5/3且整体偏大,平均值在-1.3左右。海陆风条件下湍流动能耗散率与湍流强度呈线性关系,温度脉动仪和超声风速仪测得的数据拟合斜率分别为1.1、0.76和0.73、0.28。研究结论为深化海洋环境下的激光传输研究提供了一定的参考。

针对多波长皮秒激光覆盖谱段较窄、近红外波段激光较难生成等问题, 基于受激拉曼散射效应, 构建了一套实验系统, 采用重频1 kHz、波长532 nm皮秒激光泵浦KGd(WO4)2晶体, 运用聚焦激光束泵浦、泵浦能量优化耦合等方法, 实现了可见光、近红外波段多波长皮秒激光的生成, 生成七阶斯托克斯光和六阶反斯托克斯光, 覆盖谱段415~800 nm, 输出总功率达到1.76 W.该研究成果可应用于新型皮秒激光源的研发方面.

气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等领域具有重要研究意义, 是大气监测的重要要素。为了更好地研究大气气溶胶光学特性及其时空变化特征, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了基于532 nm波长、单脉冲能量60 μJ、可进行三维扫描测量的气溶胶激光雷达。主要介绍了激光雷达的结构设计、技术指标、探测原理、探测模式、观测实验与数据分析。通过激光雷达在青岛小麦岛海洋环境监测站的观测实验数据, 分析了不同天气条件下的大气水平能见度, 验证了时间-高度显示、距离-高度显示与平面-位置显示测量模式的有效性。通过多种观测模式的数据, 利用Fernald方法反演了不同时刻的气溶胶消光系数, 并分析了气溶胶与云光学特性的时空变化特征。探测结果表明: 扫描式气溶胶激光雷达可以有效测量大气水平能见度, 通过扫描系统可以获取不同方向的气溶胶性质分布特征从而扩展了其探测范围。多种探测模式相结合可以获取云、气溶胶和边界层时空变化特征。