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基于粒子成像测速技术的雨滴微物理特性研究

物理学报 2014年第2期63卷 465-471页

作者：刘西川高太长刘磊翟东力解放军理工大学气象海洋学院南京211101 南京英恩特环境技术有限公司南京211101

为了获取自然环境条件下的雨滴形状、尺度、速度、取向等微物理特性,基于粒子成像测速的瞬态测量可视化技术,研究基于点扩散函数的图像复原算法和自相关图像的速度提取算法,设计并研制了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降水成像测速系统... 详细信息

为了获取自然环境条件下的雨滴形状、尺度、速度、取向等微物理特性,基于粒子成像测速的瞬态测量可视化技术,研究基于点扩散函数的图像复原算法和自相关图像的速度提取算法,设计并研制了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降水成像测速系统.通过外场观测试验研究了雨滴的直径、速度、轴比和空间取向及其谱分布等微观物理特性;雨滴的速度随直径的增大呈指数增大,轴比随直径的增大呈线性减小,空间取向易受环境风的影响,倾斜角的平均值在2.1?左右,标准偏差为11.5?;基于实测数据拟合了雨滴速度和轴比随直径的变化关系.与国外已有模型相比,本文进一步得出了具有本地化特征的雨滴微物理特性.所得到的结论对于云降水物理学研究、天气雷达地面定标、雨致微波衰减评估等方面的应用具有重要的意义.

关键词：面阵电荷耦合元件雨滴成像测速微物理特性

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基于粒子成像测速技术的降雪微物理特性研究

物理学报 2014年第19期63卷 446-454页

作者：刘西川高太长刘磊翟东力解放军理工大学气象海洋学院南京211101 南京英恩特环境技术有限公司南京211101

为了获取自然环境条件下的降雪的微物理特性,本文利用自主研制的降水微物理特征测量仪,研究基于雪花速度的完整俘获概率和空间谱反演算法,并通过外场观测试验研究了雪花的形状、尺度、速度、轴比、空间取向及其谱分布等微观物理特性.结... 详细信息

为了获取自然环境条件下的降雪的微物理特性,本文利用自主研制的降水微物理特征测量仪,研究基于雪花速度的完整俘获概率和空间谱反演算法,并通过外场观测试验研究了雪花的形状、尺度、速度、轴比、空间取向及其谱分布等微观物理特性.结果表明,雪花形状呈现针状、片状、粘连状、扁球状等多种形状,雪花速度随直径的增大而略有增大,轴比随直径的增大略有增大,空间取向易受环境风的影响,倾斜角的平均值在0.9°左右,标准偏差为13.2°;基于实测数据拟合了雪花速度和轴比随直径的变化关系,与国外已有模型相比,本文进一步得出了具有本地化特征的降雪微物理特性.所得到的结论对于云降水物理学研究、天气雷达地面定标、降水导致微波衰减评估等方面的应用有着重要意义.

关键词：成像测速自然环境降雪微物理特性

微脉冲激光雷达和毫米波雷达联合探测卷云微物理特性

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激光与光电子学进展 2013年第7期50卷 8-12页

作者：王敏卜令兵高爱臻袁静黄兴友夏俊荣南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室江苏南京210044

卷云具有辐射强迫作用,而卷云的微物理特性是影响辐射强迫的主要参数。对基于微脉冲激光雷达和毫米波雷达联合反演卷云微物理特性的算法进行了研究。该算法首先利用微脉冲激光雷达探测到的卷云回波信号反演出消光系数,然后用该消光系数... 详细信息

卷云具有辐射强迫作用,而卷云的微物理特性是影响辐射强迫的主要参数。对基于微脉冲激光雷达和毫米波雷达联合反演卷云微物理特性的算法进行了研究。该算法首先利用微脉冲激光雷达探测到的卷云回波信号反演出消光系数,然后用该消光系数和毫米波雷达测得的卷云回波信号强度值共同反演出卷云的冰水含量(IWC)和粒子有效尺寸(GES)。使用微脉冲激光雷达数据和毫米波雷达数据对发生在寿县的一次卷云过程进行分析,得出卷云冰水含量分布在10-3～10-1 g/m3,冰晶粒子有效尺寸分布在1～200μm,与经验值相符,其变化也符合卷云的演变规律,说明了该方法的有效性。

关键词：大气光学微脉冲激光雷达毫米波雷达卷云微物理特性

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基于气溶胶微物理特性的光通信信道损耗研究

基于气溶胶微物理特性的光通信信道损耗研究

作者：高慧靓中国民航大学

学位级别：硕士

随着光通信技术的发展,信道损耗作为评价光通信系统性能的重要参数之一,可以最直接地反映光通信系统传输信号能量强度的变化,因而成为近年来的研究热点。气溶胶的粒子半径、复折射率、浓度和混合方式等微物理特性对光信号的传输具有一... 详细信息

随着光通信技术的发展,信道损耗作为评价光通信系统性能的重要参数之一,可以最直接地反映光通信系统传输信号能量强度的变化,因而成为近年来的研究热点。气溶胶的粒子半径、复折射率、浓度和混合方式等微物理特性对光信号的传输具有一定影响,因此本文重点研究了气溶胶微物理特性对光通信信道损耗的影响。本文建立了考虑多次散射的光通信信道模型,利用Monte Carlo法模拟了光在大气中的传输,分析了单一成分气溶胶和混合气溶胶的微物理特性对光通信信道损耗的影响。首先,针对单一成分气溶胶,在单分散系下,研究了气溶胶的粒子半径和复折射率对信道损耗的影响;在多分散系下,选择大气中常见的几种气溶胶,在气溶胶的复折射率以及粒径分布固定时,研究了气溶胶的粒子数浓度对信道损耗的影响。其次,针对由黑碳和硫酸盐构成的混合气溶胶,在单分散系下,研究了混合方式以及黑碳粒子半径对信道损耗的影响;在多分散系下,当气溶胶的粒径分布固定时,研究了混合方式对信道损耗的影响。研究结果表明:(1)当光信号经过单一成分气溶胶传输时,在气溶胶粒子半径不同时,气溶胶的复折射率对信道损耗的影响有显著差异;气溶胶粒子数浓度对信道损耗的影响在短距离传输和长距离传输时明显不同;(2)当光信号经过混合气溶胶传输时,混合方式对信道损耗具有一定的影响,外混合方式对应的信道损耗明显小于内混合方式;对于不同的混合方式,黑碳粒子半径对信道损耗的影响也有所不同。

关键词：气溶胶微物理特性混合方式光通信 Monte Carlo法信道损耗

东亚地区不同类型云的微物理特性及其辐射效应研究

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东亚地区不同类型云的微物理特性及其辐射效应研究

作者：刘利行国防科技大学

学位级别：硕士

云是影响地气系统辐射能量收支的最大不确定性因素之一,也是天气和气候模拟不确定性的主要原因之一。具有不同宏微观物理特性的云类表现出完全不同的辐射效应,研究云对气候的影响需要更好地了解各种云类型及其辐射效应,而不同类型云的... 详细信息

云是影响地气系统辐射能量收支的最大不确定性因素之一,也是天气和气候模拟不确定性的主要原因之一。具有不同宏微观物理特性的云类表现出完全不同的辐射效应,研究云对气候的影响需要更好地了解各种云类型及其辐射效应,而不同类型云的辐射效应差异主要取决于云微物理特性及其垂直结构。因此,本文基于主动卫星Cloud Sat/CALIPSO相关产品资料,利用RRTM单柱模式和WRF数值预报模式,系统地开展了云微物理特性对云辐射效应影响的相关研究工作。研究结果在一定程度上有助于提高当前对不同类型云微物理特性及辐射效应的认识,加深对云-辐射反馈机制的理解,并为改进模式中云微物理参数化方案提供观测依据。研究内容及主要的研究结论如下:论文基于2007～2010四年的Cloud Sat/CALIPSO逐轨云分类产品(2B-CLDCLASS-LIDAR)和微物理信息产品(2B-CWC-RVOD),提取了云水含量(CWC)、云滴有效半径(LER)、冰粒子有效半径(IER)等微物理量,统计了东亚区域不同类型云的主要微物理特征的谱分布和垂直分布,发现同类型云的微物理量垂直分布特征在海洋和陆地上空无差异,但是在量值上都是海洋上空略大于陆地。不同类型云的CWC在垂直方向的分布特征基本一致,随高度先增大然后减小;但CWC的概率分布谱因云类型的不同而差异显著,其中积云(Cu)的CWC的概率分布谱最宽(0～1000 mg·m)。IER因云类型的不同在垂直方向的分布差异较大;雨层云(Ns)、深对流云(DC)和Cu的IER的概率分布谱最宽(0～150μm),卷云(Ci)的IER的概率分布谱最窄(35～100μm)。不同类型云的LER在垂直方向的分布特征基本一致;所有类型云的LER处于0～25μm,其中As、Cu、Ns和DC的LER的概率分布谱呈单峰对称分布。利用快速辐射传输模式RRTM单柱模式,通过控制变量方法,研究了不同的云微物理量变化对云辐射效应的影响,并定量评估了不同类型云的单柱辐射效应。研究表明:云微物理量的变化主要对太阳短波辐射产生影响,而对红外长波辐射影响主要取决于云顶高度(温度)。有效半径、云水含量中冰相分量的增大造成云的短波辐射强迫的绝对值减小,而云液态水(冰)含量的增大使得云的短波辐射强迫的绝对值增大。云的微物理特性的变化对大气层顶太阳短波辐射强迫的影响大于对地表的辐射强迫的影响。不同类型的云在大气层顶处的太阳短波辐射强迫与其云水路径具有一致的对应性,云水路径越大,所造成短波辐射强迫的绝对值越大;而在大气层顶处的红外长波辐射强迫与其云顶高度具有一致的对应性,云顶高度越高,长波辐射强迫的值越大。论文选择了2012年8月发生在我国东北的一次强降水个例,基于WRF模式,对比了两种不同的云微物理参数有效半径的计算方法,进一步分析了云中水凝物有效半径的不同对降水模拟的影响。模式中将云微物理方案与辐射参数化方案耦合需要准确地计算水凝物的有效半径,不同的有效半径会影响辐射通量,尤其是短波辐射通量。变化的辐射通量会影响加热率,导致区域降水发生变化。模拟结果表明:24小时累积降雨的总体地理分布不受影响,但其降雨量会发生变化。相比于简单地考虑温度和下垫面类型计算粒子有效半径的方法,通过考虑水凝物特征所得有效半径模拟的降水量与观测结果更吻合,表明辐射传输过程对短期降水具有一定的作用,应用更合理的有效半径计算方法,可在一定程度上提高模式对地面降水的模拟能力。

关键词：云微物理特性辐射效应

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中国北方大气气溶胶微物理特性研究

陕西气象 2014年第3期 12-16页

作者：张乐琪刘韬张桂梅横山县气象局陕西横山719000

利用AERONET(Aerosol Robotic Network)榆林、北京、香河、兰州四站点的数据分析中国北方大气气溶胶的光学和物理特性。分析内容包括:气溶胶光学厚度、单次散射反照率、复折射指数、散射不对称因子、Αngstrom波长指数、气溶胶体积尺度... 详细信息

利用AERONET(Aerosol Robotic Network)榆林、北京、香河、兰州四站点的数据分析中国北方大气气溶胶的光学和物理特性。分析内容包括:气溶胶光学厚度、单次散射反照率、复折射指数、散射不对称因子、Αngstrom波长指数、气溶胶体积尺度谱分布。分析结果表明:春季光学厚度为四季中最大;沙尘源区的Αngstrom波长指数和光学厚度的关系较为简单,且随光学厚度的增加呈降低趋势,下游地区Αngstrom波长指数和光学厚度关系较为复杂;所有站点的体积谱分布均呈双峰分布,夏半年积聚态为主模态,冬半年粗模态为主控模态;粗粒子的散射不对称因子大于细粒子的。

关键词：大气气溶胶微物理特性光学厚度

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大气气溶胶粒径分布的多波长激光雷达反演

光学学报 2024年第6期44卷 157-164页

作者：李晓涛刘东肖达张凯胡先哲李蔚泽毕磊孙文波吴兰刘崇邓洁松浙江大学光电科学与工程学院极端光学技术与仪器全国重点实验室浙江杭州310027 东海实验室浙江舟山316021 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心浙江嘉兴314000 浙江大学杭州国际科创中心浙江杭州311200 浙江大学地球科学学院浙江省地学大数据与地球深部资源重点实验室浙江杭州310027

提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物... 详细信息

提出一种基于正则化方法改进的气溶胶微物理特性反演算法,通过引入模式半径范围作为先验约束,并对差异最小值附近的解进行平均,以解决反演时存在的欠定问题。对1500组不同类型的气溶胶粒径分布进行仿真,测试了所提反演算法对气溶胶微物理特性参数的反演精度与稳定性。考虑在20%随机高斯噪声的影响下,90%以上气溶胶的有效半径、体积浓度和表面积浓度反演相对误差可被控制在±33%、±45%和±50%范围内。误差统计结果表明,所提算法基于多波长的气溶胶光学特性,可实现对气溶胶粒径分布的可靠反演。

关键词：大气光学多波长激光雷达正则化方法气溶胶粒径分布微物理特性

基于微物理特性的三维低空风切变雷达回波仿真

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系统工程与电子技术 2016年第2期38卷 298-304页

作者：韩雁飞刘夏李海吴仁彪中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

低空风切变是一种危险性非常高的恶劣天气现象,对民航飞机起飞和着陆阶段的航行安全威胁最大。由于其具有发生突然、持续时间较短、影响强度大和危险性高等特点,使得真实的雷达回波数据难以轻易获取。在分析风切变目标微物理特性的基础... 详细信息

低空风切变是一种危险性非常高的恶劣天气现象,对民航飞机起飞和着陆阶段的航行安全威胁最大。由于其具有发生突然、持续时间较短、影响强度大和危险性高等特点,使得真实的雷达回波数据难以轻易获取。在分析风切变目标微物理特性的基础上,利用计算流体力学的仿真方法建立三维风场模型,在对非均匀的原始风场数据进行预处理之后,依据民航装机使用的机载气象雷达设备设置扫描参数,利用逐脉冲撒点仿真法实现高保真的三维低空风切变雷达回波仿真。仿真结果表明,雷达回波数据可真实地反映出风切变信号的气象特征,仿真过程设计合理,仿真数据有效可靠。

关键词：低空风切变回波仿真微物理特性三维风场建模机载气象雷达

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基于微物理特性的机载气象雷达极化数据仿真

基于微物理特性的机载气象雷达极化数据仿真

作者：刘夏中国民航大学

学位级别：硕士

机载气象雷达技术的应用极大地提高了气象预报的实效性,为民航飞机的安全运行提供了可靠的保障。现有的机载气象雷达仍采用单极化机械扫描天线,仅能通过雷达反射率来判断气象目标的含水量,尚不具备降水目标分类的功能。双极化技术的引入... 详细信息

机载气象雷达技术的应用极大地提高了气象预报的实效性,为民航飞机的安全运行提供了可靠的保障。现有的机载气象雷达仍采用单极化机械扫描天线,仅能通过雷达反射率来判断气象目标的含水量,尚不具备降水目标分类的功能。双极化技术的引入,可以有效地提升气象雷达对降水类型的区分能力,是下一代机载气象雷达的发展趋势。机载双极化技术目前正处于研究阶段,尚无实际数据支撑,为了开展新体制机载气象雷达的研究,提供带有极化数据的气象目标仿真,是开展相关技术研究的前提条件。首先,论文介绍了中尺度天气预报模式,详细分析了该模式运行的动力学框架、初始场生成方式和边界条件设置等,并从微物理方案和积云对流参数化方案等两个方面,分析了不同模式方案对气象场景建模的影响。其次,论文介绍了气象目标的极化理论,在对不同气象目标的散射特性进行归纳总结的基础上,分析了单一粒子的散射特性和群粒子的散射特性,从而建立宏观气象目标的电磁散射特征模型。再次,考虑真实的降水场景,参考地理信息、对流及相态变化等多种因素,论文利用中尺度天气预报模式对一次真实的气象场景进行建模仿真,从而获得温度,粒子数浓度,混合比等降水目标的气象参数,并对云滴、雨滴、冰晶、雪晶、霰和冰雹等六种降水类型进行动态演变过程仿真。实验结果表明,该方法可实现高保真的气象目标建模。最后,在分析气象目标微物理特性的基础上,论文研究了一种基于微物理特性的机载气象雷达降水目标极化数据仿真方法。该方法利用T矩阵法计算各类降水类型的电磁散射矩阵,通过相干叠加的方式实现混合气象目标的极化数据仿真。仿真实验与实测数据的验证与分析证实了上述所提方法的有效性和可靠性。

关键词：机载气象雷达降水目标建模中尺度天气预报模式微物理特性极化特性