干旱区生态环境知识资源中心(Arid): 星载激光多普勒测风雷达的发展研究

Arid

	星载激光多普勒测风雷达的发展研究
	刘延文; 张传亮; 周永波; 李绍辉; 梁垚; 王可; 李玉莲
英文摘要	1.全球精确风场探测的重要性:风是大气探测中非常重要的气象要素,它影响着大气能量循环,化学污染物的扩散,以及水汽和气溶胶粒子输送~([1]),风也是大气环流的根本动力,对天气和气候都有重要的影响。由于洋面和沙漠地区风场资料的缺失在一定程度上限制了数值天气预报的能力,风场资料被认为是数值天气预报和气候研究中最迫切需要的观测数据~([2]),准确的风场可以为数值天气预报提供一个更为准确的初始场,提高预报水平。世界气象组织迫切需要全球范围的高分辨率大气风场数据,然而获取全球风场是一件非常具有挑战的事。2.当前的测风方法当前能够进行大气风场剖面探测的仪器有无线电探空仪、微波雷达、多普勒声雷达探空火箭和多普勒激光雷达等,但根据欧空局报到,近年来无线电探空网正在不断弱化~([3]);微波风廓线雷达在晴空条件或气溶胶粒子浓度较低时,会形成探测盲区,收发装置庞大~([4]);多普勒声雷达主要是对边界层的风场进行探测,受探测范围的限制,一般不用于遥感探测~([5]);探空火箭是探测25-60 km高空风场的有效工具,但全球的火箭探空站数量非常少~([6])。3.多普勒激光雷达的优点多普勒激光雷达通过测量大气中随风场移动的气溶胶和分子后向散射信号的多普勒频移,来实现对晴空大气风场的探测,具有较高的时间分辨率,空间分辨率和探测精度,而且探测范围大,响应速度快,可以得到风场的三维信息~([7]),但地基和机载的激光雷达的探测区域有限,无法得到全球风场,所以发展星载激光多普勒测风雷达十分重要。星载激光多普勒测风雷达不受区域的限制,并且可以提供长时间尺度的全球风廓线,对提高全球气候分析和数值天气预报都有积极作用,这是其他探测手段无法比拟的。4.多普勒激光雷达的探测方式按照探测方式的不同,可以分为相干探测和非相干探测。相干探测利用发射的激光信号和回波信号混频后的差频信号,通过差频信号来反演大气风场,一般相干探测主要用于探测大气中低层和气溶胶浓度较高地区的风速~([8]);而非相干探测技术则是通过光学鉴频器或光谱仪将频率变化信息转化为功率、强度或功率空间分布信息,通过测量功率、强度或功率空间分布的变化来反演大气风场~([9-11]),一般非相干测风激光雷达用于探测距离较近的中高层速。与非相干探测技术相比,相干探测有较高的探测灵敏度和探测精度~([8]),还可以实现一些非相干探测无法实现的功能。5.国外的研究现状美国航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)分别于1997年和1998年提出了星载测风激光雷达的研制计划~([6])。欧洲空间局于1995年提出了"Living Planet Program",该计划包括了针对地球探测的6个核心任务,其中包括用于探测风速廓线的ADM-Aeolus,该卫星计划于2017年发射。ADM-Aeolus采用非相干探测方法~([12]),且该激光雷达激光发射方向是固定的,不进行扫描,只能探测单一方向上的风速,而且只能测得径向风速,具有一定的局限性。美国NASA的戈达德空间中心(Goddard Space Flight Centre,GSFC)和马歇尔空间飞行中心(Marshall Space Flight Centre,MSFC)首先对星载测风激光雷达展开了研制,完成了原理的验证和技术仿真工作,但由于资金和技术问题而中断。2000年之后,美国又重启了星载测风激光雷达计划,由NASA和NOAA联合实施全球对流层风场探测(GTWS)计划,而且这次结合相干(2μm)和非相干(355 nm)探测方法来实现高精度和大覆盖范围的全球风场探测~([6])。相比于ADM-Aeolus,GTWS改变了探测方法,通过在两个时间点测得同一采样体积的径向风速,可以获得水平风矢量~([13]),并且结合了相干和非相干两种探测方式,但由于想干探测主要利用气溶胶的回波信号来探测风场,探测范围有限,且在海面上气溶胶浓度很低~([14]),相干探测受到限制,所以风场探测主要以非相干探测为主。
英文关键词	风多普勒激光雷达非相干
来源出版物	第34届中国气象学会年会 S18 气象雷达探测新技术与数据质控的业务应用论文集
出版年	2017
页码	2
中图法分类号	P412.25
资源类型	会议论文
条目标识符	http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/372874
作者单位	解放军理工大学
推荐引用方式 GB/T 7714	刘延文,张传亮,周永波,等. 星载激光多普勒测风雷达的发展研究[C],2017:2.