1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
2 西安市气象局，陕西 西安 710016
为准确且精细地识别云相态，提出一种基于模糊逻辑识别云相态的优化算法，基于不同云粒子特征参数对T函数系数进行了调整。考虑了回波反射率因子衰减和温度对云相态识别准确性的影响，利用毫米波云雷达订正后的回波反射率因子、径向速度、谱宽和微波辐射计探测的连续时空温度，作为优化后的模糊逻辑算法的输入参数。优化后的模糊逻辑算法在原有云粒子相态（冰晶、雪花、混合相态、液态云滴、毛毛雨和雨滴）识别的基础上，还可实现对过冷水和暖云滴的识别。利用该算法对2022年2月6日陕西省西安市一次降雪过程的云粒子相态进行识别，将近地面的云粒子相态结果与同址地面降水现象仪记录的降水粒子相态进行对比，二者探测的相态有较高的一致性，说明优化后的算法能准确且精细地识别云粒子相态。
大气光学 云粒子相态识别 模糊逻辑优化 过冷水 毫米波云雷达 光学学报
2024, 44(12): 1201010
西安理工大学机械与精密仪器工程学院激光雷达大气遥感研究中心，陕西 西安 710048
以我国高光谱遥感卫星——环境1号卫星为例，开展结合NCEP再分析资料辅助优化的6S 大气校正方法的分析。首先，考虑到高光谱图像缺少标准反射率产品的问题，利用最优化估计方法构建高光谱反射率曲线，并作为标准曲线，用于大气校正结果的验证。其次，基于6S大气校正理论，开展了大气校正的敏感性分析，确定了气溶胶光学厚度的敏感因素以及气溶胶类型、大气模式和大气温湿度对大气校正系数的敏感性。在此基础上，提出了NCEP再分析资料辅助优化的6S大气校正方法，利用NCEP再分析资料提供的大气温湿度廓线、水平能见度反演的550 nm气溶胶光学厚度等数据资料，优化6S模式的输入参数，得到准确的大气校正系数Xa、Xb和Xc，获得大气校正后的不同地物反射光谱曲线。最后，选取西安作为试验区，以水体为例，进行波谱曲线对比，利用标准曲线对校正结果进行精度评价。对比分析结果表明，NCEP再分析资料辅助优化的6S模式校正的地面反射率结果明显优于6S的大气校正结果，与标准曲线具有一致的反射率变化趋势，二者的相关系数达到0.8596，标准差低于0.0685，各波段地面反射率逐像元误差的平均值和标准差接近0.02，反映了利用NCEP辅助数据优化的6S模式对大气校正有着明显的改善作用，可提高6S 大气校正的地物反射率反演精度。
大气光学 高光谱图像 大气校正 6S 气溶胶 NCEP
西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法，适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法，通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点，发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正，进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号，将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正，并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比，呈现良好的一致性。结果表明，此算法对重叠因子计算较为稳定。
大气光学 激光雷达 拉曼散射 重叠因子 校正
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 西安市气象局, 陕西 西安 710016
基于聚类思想设计了二维和三维云相态聚类识别算法,结合偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达资料,进行了云相态的精细识别与分类方法研究。将云粒子的体退偏比、温度和反射率因子作为聚类网络学习的输入特征量,通过无监督学习区分云层中不同相态的簇划分结果,利用簇划分结果实现了对云相态的精细识别,解决了传统云相态识别中采用单一阈值算法导致的结果误判问题。所设计算法可以实现云中过冷水区、暖云液态水区和冰相的高效识别,同时对混合云相态实现了冰占主导和水占主导的细分。利用偏振激光雷达、微波辐射计和毫米波雷达对西安市上空云层进行了观测,反演了三台仪器的同步观测数据。利用所设计的聚类识别算法对2021年1月9—10日和2021年6月8—9日观测到的云数据进行了二维聚类和三维聚类识别与分析,实现了云层内暖云滴、混合相(冰占主导、水占主导)、过冷水和冰相的区分。通过比较与分析,发现三维聚类识别算法比二维聚类识别算法更能详细地展现相态转换过程的细节信息,整体识别结果与实际天气变换过程吻合。
遥感 多源遥感探测 聚类分析 云相态识别 过冷水 光学学报
2022, 42(12): 1228002
西安理工大学激光雷达大气遥感研究中心, 陕西 西安 710048
为给辐射传输方程求解提供足够的气溶胶状态信息,提出了一种双波长拉曼-米激光雷达探测技术和系统。首先,设计了高性能4通道分光系统,用于提取中心波长分别为354.7 nm和1064.2 nm以及386.7 nm和852.7 nm的米-瑞利散射回波信号和氮气拉曼散射回波信号,实现对大气气溶胶的精细探测和反演。然后,在不同天气条件下利用该系统开展了探测实验,通过反演的气溶胶多参量廓线构建了由33层光学厚度、单次散射反照率、散射相函数组成的实际大气气溶胶状态参数列表,并将其作为平面平行辐射传输(SBDART)模式的实际大气自定义气溶胶输入文件。最后,求解辐射传输方程,得到33层实际大气散射辐射亮度分布以及太阳直接和散射辐射亮度的计算结果。通过分析不同天气条件下的实际大气散射辐射亮度,验证了大气气溶胶状态对大气散射辐射亮度的决定性影响。实验结果表明,该系统与地面气象站测量的总辐射亮度平均相对误差为8.2%,相关性系数达到0.98。
大气光学 激光雷达 气溶胶 散射辐射亮度 平面平行辐射传输 光学学报
2022, 42(12): 1201005
西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限性及目前在云探测应用中亟待解决的关键问题,展望了激光雷达未来在云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案。内容涉及云检测和云相态识别的多波长及偏振激光雷达和云内温度、湿度、风速风向与垂直气流探测等激光雷达技术与方法,分析讨论了云系降水潜力探测的激光雷达应用案例。激光雷达对于探测初生云团及稀薄云层具有较好的穿透性及精细探测优势,但对于强对流云等厚云层,需将其与其他探测手段如微波雷达等联合观测,并开展多源数据融合技术研究,以实现云全生命周期的精细化监测。随着激光与光电子技术和大数据及人工智能技术的发展,激光雷达技术日趋成熟,面向业务化应用所需的系统稳定性、可靠性及探测能力的激光雷达产品将越来越受到气象与环境领域行业专家的关注,并将在云探测领域中发挥越来越重要的作用。
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
3 陕西省气象台, 陕西 西安 710014
为挖掘激光雷达高垂直分辨探测优势, 将其引入降雨观测与研究中, 重点构建一套测温数据模式同化方法, 目的在于评估激光雷达数据对降雨模拟的影响。 借助激光雷达测温数据综合多级质量控制技术对雨前探测信号进行反演优化, 获取更可靠的温度廓线, 这种垂直间隔4 m左右的雷达数据对于降雨是一种新型数据。 设计三步实验研究新数据WRF模式(weather research and forecasting model)同化方法。 第一步开展控制实验, 通过模式检验与参数调试获取最佳模拟方案, 为同化实验提供依据。 第二步开展常规探测数据同化实验, 通过WRF模式同化模块将90组地面、 高空测站数据融入模式初始场, TS评分提高了0.07, 并成功消除了陕西西南部虚假暴雨中心, 但存在空报率偏高等问题。 第三步开展激光雷达数据同化实验, 重点解决制约模式初始场中尺度信息测站稀少的关键难题, 引入MQ法将单点数据扩展为49组格点数据并完成三维变分同化模拟, 克服了常规数据同化所致空报率偏高的问题, 且模拟雨强更接近实况, 同时降水TS评分提高了0.12, 漏报率降低了0.09。 定性与定量分析均表明借助Multiquadric将激光雷达探测数据融入WRF模式可造成模拟效果提升。 本文结果表明激光雷达可用于探测短时强降雨, 且探测位置宜设在对流云外围。
激光雷达测温 短时强降雨 Multiquadric算法 The lidar detecting temperature Short-time heavy rainfall Multiquadric method 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2110
西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，陕西 西安 710048
激光雷达是一种主动遥感探测仪器，具有大探测范围、高时空分辨率与高精度的特点，在大气环境参数（气溶胶、CO2及臭氧等）及气象参数（温度、水汽、压力及风速风向等）探测方面获得了广泛的应用。随着近些年民众对雾霾类大气现象及气候变化的广泛关注，国家环境治理与气象预报部门以及行业企业等对大气观测技术的迫切需求，大气探测激光雷达在国内得到了快速的发展，并且取得了较好的研究成果。文中总结介绍了近些年国内大气探测激光雷达的研究进展与发展现状。根据探测对象的不同，激光雷达有米散射激光雷达、拉曼探测激光雷达、高光谱分辨探测激光雷达和差分吸收探测激光雷达等，文章较全面地介绍了目前比较常见的激光雷达在大气探测应用中的优缺点及其在不同探测对象中的应用，最后对激光雷达面临的技术瓶颈进行了总结与探讨，并对激光雷达的发展趋势进行了展望。
激光雷达 大气 气溶胶 气象参数 Lidar atmosphere aerosol meteorological parameters 红外与激光工程
2021, 50(3): 20210032
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
利用转动拉曼信号和振动拉曼信号获得大气温度廓线和大气湿度廓线,根据大气压力与温度、湿度的相互关系反演得到大气压力廓线。给出了探测大气压力的激光雷达系统及数据反演方法,并对所提方法的可行性进行了论证。研究分析了引起压力反演误差的因素,误差来源主要有三方面:温度偏差、参考点压力偏差和大气比湿。利用拉曼激光雷达系统进行了大气探测及压力反演,反演得到大气压力廓线,并与当天探空压力数据进行了比对分析,得到了较好的反演结果,证明了研究方法的可行性。最后从应用需求角度分析了高精度压力探测对激光雷达系统的性能要求。
大气光学 压力 激光雷达 转动拉曼信号 振动拉曼信号 温度 光学学报
2020, 40(15): 1501001
1 西安理工大学激光雷达遥感研究中心, 陕西 西安 710048
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
从斜程能见度探测原理出发,利用SBDART(Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer)模式求解辐射传输方程,对天空背景辐射进行了详细的理论仿真与分析。利用SBDART 模式自带的气溶胶模型,仿真得到了不同类型气溶胶模型在晴天条件下的天空背景辐射结果,探讨了太阳直接辐射和大气散射辐射以及不同高度上大气散射辐射的分布趋势,分析了气溶胶单次散射反照率和不对称因子对结果的影响。提出了激光雷达结合SBDART模式的实际天空背景辐射的计算方法,以实测扫描激光雷达的气溶胶探测数据作为SBDART模式的输入参数,计算获得了实际大气中太阳直接辐射以及不同高度处天空背景辐射的分布结果。为了验证结果的正确性,利用太阳光度计同步测量的太阳直接辐射,进行了对比验证,两者具有较好的一致性,相关系数达到0.99。以黑体为目标,初步探讨了天空背景辐射对斜程能见度的影响,结合激光雷达和SBDART模式所得到的实际天空背景辐射可为斜程能见度精确反演提供保证。
大气光学 天空背景辐射 辐射传输方程 斜程能见度 SBDART 光学学报
2020, 40(14): 1401001
