1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 北京航空气象研究所，北京 100085
3 青岛镭测创芯科技有限公司，山东 青岛 266100
4 崂山实验室，山东 青岛 266237
5 中国海洋大学海洋高等研究院，山东 青岛 266100
为了提升大气物质边界层高度（AMBLH）的识别准确性，基于2020年11月至2021年11月在青岛开展的大气边界层（ABL）观测实验，提出了一种基于相干多普勒激光雷达（CDL）信噪比数据的AMBLH的综合反演方法，并应用此方法反演得到了青岛地区的AMBLH，其与探空仪反演结果的相关度为0.93。分析了青岛一年内的AMBLH发展情况，发现各月份AMBLH均有日变化特征，其中6、7月特征相对较弱，推测这与夏季来自海洋的东南风盛行有关。AMBLH月均值在全年呈起伏波动趋势，在冬末至春初、夏末至秋初的阶段逐步增大。AMBLH月均中位数4月最高、6月最低，AMBLH季度发展程度由高到低的顺序为春季、冬季、秋季、夏季，其中春季和冬季高度相近。AMBLH各季度日变化中抬升趋势出现的时间为夏季早于春季，秋季与春季相近并早于冬季。
大气光学 相干多普勒激光雷达 大气物质边界层高度 综合反演方法
红外与激光工程
2023, 52(11): 20230150
1 中国民用航空飞行学院 航空气象学院,德阳 618300
2 中国民用航空飞行学院 民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室,德阳 618300
3 中国民用航空飞行学院 空中交通管理学院,德阳 618300
4 北京莱维塞尔科技有限公司,北京 101318
为了探究广汉机场上空边界层高度的变化特征，利用多普勒激光雷达的载噪比数据，采用梯度法、小波协方差法和标准方差法，对机场上空的边界层高度进行了反演，并与L波段探空和飞机探测数据进行了对比,利用飞机探测数据和探空仪数据对激光雷达反演的边界层高度进行了验证。结果表明，在对流边界层顶的识别上，3种方法都能较好地捕获边界层信息，且一致性较好，但在对残余层顶和稳定边界层顶的识别上，梯度法无论是准确性、连续性还是稳定性上都表现出了明显优势;反演得到的对流边界层和残余层高度维持在2000 m左右，稳定边界层高度在100 m～200 m之间; 受边界层内湍流的影响，物质边界层高度与热力边界层高度在某些时段会出现显著差异。该研究可为飞行训练提供预警信息，更好地保障飞行安全。
激光技术 激光雷达 边界层高度 载噪比 laser technique light detection and ranging boundary layer height carrier-to-noise ratio
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
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PM2.5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PM2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。
大气光学 多普勒激光雷达 大气边界层 低空急流 PM2.5质量浓度 光学学报
2023, 43(18): 1899909
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044
3 泰州职业技术学院信息技术学院，江苏 泰州 225300
4 无锡学院电子信息工程学院，江苏 无锡 214105
针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题，提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据，将K-means算法和熵权法应用于多种条件下的边界层高度估计，从初始参数选取和距离计算两个方面提升基于聚类分析的边界层高度的估计性能。实验结果表明：与常用激光雷达边界层高度估计方法相比，所提方法具有较强的抗干扰能力，能更好地追踪复杂大气结构下的边界层高度日变化过程；在晴朗无云天气和复杂大气结构下，其边界层高度的估计值与无线电探空仪边界层高度的测量值基本一致，相关系数分别为0.9718和0.9175。所提方法具有较高的鲁棒性，可以可靠地估计多种条件下的大气边界层高度。
遥感 激光雷达 大气边界层高度 复杂大气结构 聚类 光学学报
2023, 43(12): 1228004
Author Affiliations
Abstract
1 Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China
2 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
3 College of Computer and Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
4 Teaching and Research Support Center, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Remarkable progress has been made in satellite-based quantum key distribution (QKD), which can effectively provide QKD service even at the intercontinental scale and construct an ultralong-distance global quantum network. But there are still some places where terrestrial fiber and ground stations cannot be constructed, like harsh mountainous areas and air space above the sea. So the airborne platform is expected to replace the ground station and provide flexible and relay links for the large-scale integrated communication network. However, the photon transmission rate would be randomly reduced, owing to the randomly distributed boundary layer that surrounds the surface of the aircraft when the flight speed is larger than 0.3 Ma. Previous research of airborne QKD with boundary layer effects is mainly under the air-to-ground scenario in which the aircraft is a transmitter, while the satellite-to-aircraft scenario is rarely reported. In this article, we propose a performance evaluation scheme of satellite-to-aircraft QKD with boundary layer effects in which the aircraft is the receiver. With common experimental settings, the boundary layer would introduce a loss to the transmitted photons, decrease of the quantum communication time, and decrease of the secure key rate, which shows that the aero-optical effects caused by the boundary layer cannot be ignored. Our study can be performed in future airborne quantum communication designs.
satellite-to-aircraft quantum key distribution boundary layer aero-optical effects Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 042702
移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。
碲锌镉 移动加热器法 数值模拟 Te边界层 组分过冷 微重力 CdZnTe traveling heater method(THM) Comsol Comsol numerical simulation Te boundary layer constitutional supercooling microgravity
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
在海洋地区利用相干多普勒激光风廓线雷达反演可以得到边界层内全天候大气光学湍流廓线。采用机器学习方法-后向传播神经网络进行训练得到边界层光学湍流估算模型,以探空实测常规气象参数作为模型输入参数估算不同日期不同时刻的边界层内大气光学湍流廓线,并与实测值进行比较。通过误差分析可知,白天和夜晚的估算光学湍流廓线均方根误差分别为0.4332和0.5626,相关系数分别为0.8899和0.7673。该研究表明,相干多普勒激光风廓线雷达反演的光学湍流廓线可以通过神经网络模型实现全天候对海洋大气边界层光学湍流廓线估算的功能,且效果较好,在光电工程及天文选址方面具有重要工程参考意义。
大气光学 激光雷达 湍流廓线 大气边界层 机器学习 神经网络 光学学报
2022, 42(12): 1201004
程亮亮 1,2,3,4谢晨波 1,3,*杨昊 1,2,3方志远 1,2,3[ ... ]邢昆明 1,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室，合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，合肥 230037
4 合肥师范学院 电子信息系统仿真设计安徽省重点实验室，合肥 230601
以北京市2015年1月11-17日发生的连续灰霾污染过程为例，采用地基和星载激光雷达联合观测，反演得到气溶胶的垂直分布特征。由MODIS卫星遥感数据和HYSPLIT后向轨迹模式分析得出污染来源和传输路径，结合地面空气质量和气象观测数据揭示了本次污染的成因。结果发现，根据激光雷达数据反演的近地面气溶胶消光系数与地面PM2.5浓度变化总体较为一致，而气溶胶边界层高度与PM2.5浓度呈相反变化趋势，且最低边界层高度为500 m。污染期间为小风高湿天气，地面平均风速和相对湿度分别为1.35 m/s和66%，连续多日逆温层的出现抑制了污染物在垂向空间的扩散传输，逆温强度高达5℃，这两方面因素导致污染物的持续积累，最终，在16日凌晨，PM2.5浓度达到448 μg/m3。污染最后在16日偏南风的作用下得以解除，PM2.5浓度的下降速度达到82 μg/（m3·h）。观测期间，PM2.5与NO2、CO的相关系数分别为0.766和0.901，呈显著正相关，可见NO2等气态前体污染物转化而来的二次气溶胶是霾的重要来源。综合分析表明，本次污染以灰霾为主，由区域传输和局地排放的气溶胶叠加、累积而成，河北南部及河南、山西等地的污染物随高空气团传输到北京地区，与本地排放的污染气溶胶混合在一起，导致污染加重。
污染 激光雷达 边界层 CALIPSO MODIS 后向轨迹 Pollution Lidar Aerosol boundary layer CALIPSO MODIS Backward trajectory
