1 南京信息工程大学大气物理学院，中国气象局气溶胶与云降水重点实验室教育部气象灾害重点实验室，江苏 南京 210044
2 上海卫星工程研究所，上海 201109
气溶胶在大气辐射收支平衡、气候变化、降水、云的形成以及环境污染方面扮演着重要的角色。为了实现对气溶胶光学参数的大范围、高精度、定量化测量，2019年3月使用大气环境星气溶胶碳探测激光雷达（ACDL）的机载缩比系统（Air-ACDL）在中国山海关地区开展了机载观测试验。试验完成了不同污染天气、不同高度以及不同地表类型下的多架次观测。将六天飞行试验得到的机载高光谱激光雷达（HSRL）测量的气溶胶光学深度（AOD）分别与地面站点的太阳光度计和卫星遥感数据进行对比分析，其相关系数R均达到0.90以上，其样本数量分别为86与2200。基于机载HSRL的观测数据，提出了适用于Air-ACDL的气溶胶分类方法，并对山海关地区的气溶胶进行了分类研究。使用后向轨迹传输模型、云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测（CALIPSO）气溶胶分类结果，以及Aura卫星臭氧监测仪（OMI）传感器等数据验证Air-ACDL测量的气溶胶分类的可靠性。多架次Air-ACDL观测结果表明：相比于传统激光雷达气溶胶分类方法，基于Air-ACDL的气溶胶分类方法能够对气溶胶进行更加准确的分类；山海关地区地理位置特殊，观测期间，当地气溶胶除由本地供暖等活动产生的城市气溶胶之外，还有受大气传输影响来自内蒙古地区的沙尘气溶胶，以及来自东南渤海地区的海洋气溶胶。
机载高光谱分辨率激光雷达 大气气溶胶 气溶胶光学特性 气溶胶分类 光学学报
2023, 43(24): 2428005
1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
3 青海省气象台，青海 西宁 810012
4 上海卫星工程研究所，上海 200240
星载测风激光雷达具有高精度、高垂直分辨率、全球覆盖等特点，是获取全球风场的有效手段。聚焦于米散射通道测风模式，对冰云与气溶胶同时存在的较复杂场景实施星载激光雷达测风的仿真模拟。基于菲佐干涉仪的测风原理构建了一套包含6个子模块的正演模型，以大气激光多普勒雷达（ALADIN）仪器参数作为输入值，模拟了典型场景下的探测信号，并结合反演分析了测风精度水平。结果发现，云层和气溶胶的回波能够增强探测器获取信号的信噪比，从而提升反演精度，将风速误差控制在±1.2 m/s范围内；但当云层冰水含量较大时，由于衰减作用使得云层下方信噪比削弱，从而增大反演风速误差，部分区域甚至无法实施有效探测。另外，在采用重心法反演风速时，可通过增加累积电荷耦合器件（ACCD）探测器通道数来减小风速振荡误差。上述研究可为设计和改进星载测风技术提供参考。
遥感 星载激光雷达 主动遥感 菲佐干涉仪 仿真模拟 非相干测风 中国激光
2023, 50(23): 2310002
1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044
在星载激光雷达的设计、研制和数据反演过程中，正演模型起到至关重要的作用。建立了一套星载激光雷达探测云与气溶胶的正演模型，整个模型具有模拟冰云场景、气溶胶场景等复杂多场景的能力，由8个子模块构成。针对532 nm通道的模拟结果表明：在深对流场景中的云层深厚，信号衰减严重，仅能获取云顶分布信息；而在冰云和气溶胶的场景中，需要考虑云层的微物理特性对气溶胶有效探测的影响。望远镜直径、卫星轨道高度和激光器单脉冲能量对信噪比的影响结果可以为星载激光雷达的参数设计提供支持。与CALIOP/CALIPSO实际探测结果的对比表明，正演模型计算的衰减后向散射系数与实际观测结果在结构分布上基本一致，但由于CALIPSO反演算法的不确定性及与正演模型参数设置上的差异性，在多廓线平均值的对比中，在不同高度上存在一定的差异。
星载激光雷达 正演模型 主动遥感 云与气溶胶 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1028001
中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere, MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域, 也是中高层大气中一个重要的耦合区域。 基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer, MASP), 对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。 MASP的整个探测系统包括光阑、 消色差双胶合透镜、 窄带干涉滤光片、 镜头、 制冷CCD探测器, 元件之间通过黑色氧化铝套筒连接, 利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。 外壳具有良好的隔热性能, 并配有低功率半导体TEC空调, 保证恒温在(23±0.5) ℃。 MASP的视场角为±13.6°, 探测高度为94 km左右, 观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km, 探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。 基于仪器的光学原理、 气辉O2(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数, 构建了正演模型, 并从正演图像中计算出了合成光谱。 给出了反演算法的详细流程, 包括暗噪声、 宇宙射线、 月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法, 同时提供了实际观测合成光谱的计算方法, 温度反演流程及其误差的评估。 2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测, 目前已经获得多组高质量的数据。 文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例, 以及2018年10月间13组有效数据的平均值, 其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间, 误差范围在±1.8~±4.3 K之间。 通过与MSISE00经验模型的数据进行对比, 温度趋势具有良好的一致性, 从而验证了反演方法的有效性和准确性。 MASP结构紧凑, 性能稳定, 后期易于维护, 适用于多台站组网观测。
光谱光度计 转动温度 气辉 反演 Spectrum photometer Rotational temperature Airglow Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3002
1 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学大气物理学院, 江苏 南京 210044
3 南京信息工程大学大气科学学院, 江苏 南京 210044
介绍了最大概率法的数学原理及迭代方程的使用过程, 以卫星遥感观测的夜光云数据为例, 阐述了最大概率法在实例中的使用方法, 并反演得到了夜光云体散射比廓线及散射系数廓线。与传统洋葱剥皮法的反演结果进行对比, 结果表明：最大概率法的结果几乎没有失真现象, 但洋葱剥皮法得到的散射比存在严重的失真现象。其根本原因在于传统方法假设夜光云体散射强度值在大气层结中为均匀分布, 而最大概率法则假设体散射强度值在层结中可以在一定的变化范围内呈现不均匀的分布, 后者的假设更符合夜光云这类短时间内可能会出现大幅值空间分布变化的自然现象。
大气光学 夜光云 最大概率法 散射系数 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 120101
1 南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京210044
2 南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
联合激光雷达和毫米波雷达对卷云观测可以得到更全面的卷云特性信息，是卷云观测的一种发展趋势。使用美国大气辐射观测(Atmospheric Radiation Measurement，ARM)计划中卷云观测数据，将激光雷达和毫米波雷达反演的云边界信息相结合，得到更为准确的卷云边界信息。提出卷云微物理特性的激光雷达和毫米波雷达联合反演算法，该联合反演算法能在激光雷达不能穿透或毫米波不能识别卷云的情况下，反演出整个卷云的冰水含量、光学厚度。使用联合反演算法对一次卷云过程进行反演，其中激光不能穿透的区域冰水路径含量反演精度提高24%，毫米波雷达无法识别的区域冰水路径含量反演精度提高48%。在正确反演冰水含量的基础上，利用冰水含量、粒径分布与光学厚度的关系得到卷云过程的光学厚度，克服了由于卷云对激光雷达强衰减导致的光学厚度观测的困难。
激光雷达 毫米波云雷达 卷云 联合反演算法 lidar millimeter wave cloud radar cirrus cloud joint inversion method
南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044
激光雷达在云观测中起着非常重要的作用，是云遥感探测的主要仪器之一。目前，激光雷达大都是固定指向天顶角或者某个角度，对云分布的取样有限。本文建立用于云观测的扫描激光雷达，该系统使用小型固态激光器背负于接收望远镜上，望远镜固定于三维扫描平台，整个系统可以工作于不同的扫描模式以实现全天空云的监测。通过利用该扫描激光雷达对云的分布进行测量，并与已有激光雷达观测数据的对比，结果表明，与传统激光雷达相比扫描激光雷达能够精细的描述出云高和云光学厚度的空间分布，体现了扫描测量激光雷达在云探测方面的优势。
激光雷达 云高 光学厚度 scanning LIDAR cloud height cloud optical properties
南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044
云粒子探测仪效率高、结构简单，在人工影响天气的活动中起着重要的作用.本文提出一种使用单模光纤耦合输出的685 nm激光作为光源的新型云粒子探测仪.该仪器利用小孔光阑切割激光光束，使用相对均匀的中央部分的光束照亮云滴，采用具有两个高速A/D转换芯片（10M/S）的嵌入式计算机来不断地获取和处理云滴粒子信号，将所有云滴的原始数据存储在嵌入式计算机的固态磁盘中进行云滴粒径分布计算，并将计算结果发送到机舱内主计算机中即时显示.实验中，使用固定尺寸的标准粒子对仪器进行标定，获得不同直径云滴粒子信号变化幅度，从而获取该探测仪对云滴粒子的响应曲线；将探头安装在飞机上进行了现场观测实验，结果表明这种探头具有云滴测量能力.
光学技术与仪器 探测器 散射 云滴粒子 标定 粒径谱分布 云水含量 Optical technology and instrument Probes Scattering Cloud droplets Calibration Size distribution Water content
1 南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 南京 210044
2 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
利用激光云高仪数据资料, 得出气溶胶后向散射系数时序图、消光系数廓线图以及能见度, 结合探空资料、自动气象站数据以及能见度仪数据, 综合分析了雾霾天气过程.结果表明:雾霾天气的出现受气象要素的影响较大, 静、小风有利于霾的出现, 较高的相对湿度有利于雾霾共存, 并且对能见度产生较大影响; 雾后向散射强度较大, 后向散射系数在垂直方向变化率大, 出现高度较低; 霾后向散射强度较小, 霾空间分布均匀, 后向散射系数垂直变化小, 出现高度较高.利用激光云高仪数据反演水平能见度和垂直能见度, 所得水平能见度与能见度仪所测能见度基本一致.垂直能见度与相对湿度日变化趋势大致相反, 与风速日变化趋势基本一致; 分析雾和霾天气下后向散射系数随时间变化特征发现, 雾霾天气下傅里叶变换的功率谱分布, 与雾和霾的边界特征相对应.
雾霾 激光云高仪 后向散射系数 Haze-fog Laser ceilometer Backscattering coefficient
1 气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)， 南京 210044
2 南京信息工程大学 数理学院， 南京 210044
3 河南省气象服务中心， 郑州 450003
为了解平流层大气温度变化规律，利用瑞利-拉曼-米散射激光雷达对南京上空平流层温度进行长期观测，对观测数据的分析表明: 夜晚平流层温度受到重力波的影响，重力波破碎会导致局部温度升高，温度相对变化可以达到12%；在季节变化的过渡月份(4月和10月)，平流层中低层温度会有所升高，对应的平流层高层温度降低；平流层温度月变化方面，除局部由于行星星际波的影响外，各月份平流层温度整体上相对比较稳定，激光雷达所测大气温度与大气模式温度具有一定的差别。最后，利用平流层温度廓线提取了重力波信息。
大气探测 瑞利激光雷达 平流层大气温度 重力波 atmospheric sounding Rayleigh lidar stratospheric temperature gravity wave 强激光与粒子束
2014, 26(1): 019003
