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基于激光雷达观测对中间层—低热层惯性重力波活动的研究

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基于激光雷达观测对中间层—低热层惯性重力波活动的研究

作者：胡飞武汉大学

学位级别：硕士

利用Andes观测站(30.3°S,70.7°W)激光雷达2016年6月8—9日11.6 h的风场、温度以及钠原子数密度的观测数据,研究了在中间层顶区域一个惯性重力波活动事件。谱分析表明,这个惯性重力波的周期大约是6.6h,垂直波长和水平波长大约为7.5 km... 详细信息

利用Andes观测站(30.3°S,70.7°W)激光雷达2016年6月8—9日11.6 h的风场、温度以及钠原子数密度的观测数据,研究了在中间层顶区域一个惯性重力波活动事件。谱分析表明,这个惯性重力波的周期大约是6.6h,垂直波长和水平波长大约为7.5 km和826 km。根据矢端曲线法分析发现,此惯性重力波的传播方向大约为西偏北38.6°。计算出它的垂直群速度约为0.2 ms-1,水平群速度约为 20.4ms-1。根据重力波的偏振关系和多普勒平移方程,计算得到此惯性重力波的本征频率和水平波数。该惯性重力波水平传播方向的背景风大约为7.4 ms-1,并且它的本征周期为8.7 h大于观测周期6.6 h。当惯性重力波的本征水平群速度和垂直群速度大于它们的垂直风速时,它们的水平传播方向会小于或大于大约2-3°。我们提取到的惯性重力波参数都是典型的惯性重力波参数,以前很多研究都已经证实。因为在不同的大气层存在着许多有意义的波源,所以本文中惯性重力波的观测事件是一种相对普遍的现象。利用HWM07模式和MSISE00模式的数据,采用射线追踪技术,寻找波源。射线追踪表明上传惯性重力波可能来自于平流层的急流区域。该波的最大水平风振幅9.8 ms-1小于它的本征水平相速度24.5 ms-1,因此此惯性重力波不能达到不稳定性的阈值。但是理查德森数Ri和N2显示,由于不同扰动分量的叠加,导致在一些高度和时间上,动力学的发生和对流不稳定性的存在。叠加效应引起的不稳定性可能会对中间层-低热层中的波的饱和度和幅度约束有显著的影响。但是重力波参数化却不包括这些影响,所以波的耗散机制可能缺少很多研究来进一步证实。根据重力波偏振关系,用惯性重力波纬向风扰动计算出经向风、温度和大气密度扰动。观测的经向风和温度扰动与计算的结果一致,显示观测到的准单色惯性重力波能很好满足重力波偏振关系,而计算的大气密度扰动与观测的钠原子数密度扰动相位一致,证实了中间层低热层区域的钠原子可以作为重力波的示踪物。

关键词：激光雷达观测惯性重力波矢端曲线法偏振关系射线追踪

南京地区臭氧总量变化与对流层顶高度的相关性研究

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海峡科学 2024年第1期 17-22,42页

作者：杜雅菡张军叶兴荣陈皓贾秋洪南京市气象探测中心江苏南京210044

基于南京国家气象探空站2021年11月24日至2022年11月6日每周三14时开展的臭氧探空观测与地面臭氧激光雷达垂直观测,开展同层高度数据对比分析,并结合臭氧探空仪的基本信息特征,计算臭氧总量,分析对流层顶高度与臭氧总量的相关关系。结... 详细信息

基于南京国家气象探空站2021年11月24日至2022年11月6日每周三14时开展的臭氧探空观测与地面臭氧激光雷达垂直观测,开展同层高度数据对比分析,并结合臭氧探空仪的基本信息特征,计算臭氧总量,分析对流层顶高度与臭氧总量的相关关系。结果表明,在400~500 m高度以下,两种臭氧垂直观测数据的吻合度较高,相关系数可达0.95以上,两者比值基本维持在1附近,且具有相同的上升趋势。而在此高度以上,两者的偏差逐渐增大,探空数值明显偏大,两者的比值波动也逐渐增大;南京地区臭氧总量与对流层顶高度呈显著正相关,相对变率分析发现臭氧总量比对流层顶高度变化得更为强烈,且交叉谱分析进一步证实臭氧总量的变化超前于对流层顶高度,臭氧总量发生改变时,会造成对流层顶高度发生相应变化。

关键词：臭氧总量对流层顶高度探空观测激光雷达观测

成都冬季一次持续污染过程气象成因及气溶胶垂直结构和演变特征

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环境科学学报 2020年第2期40卷 408-417页

作者：宋明昊张小玲袁亮康平成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室成都610225 上海市气象与健康重点实验室上海200030

基于气溶胶激光雷达观测和环境监测站污染物浓度数据、气象观测资料及HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2017年12月中下旬,成都市一次本地积累和沙尘输送影响的持续污染过程中污染物浓度、污染物来源、天气系统和气溶胶消光系数的垂直分布及演... 详细信息

基于气溶胶激光雷达观测和环境监测站污染物浓度数据、气象观测资料及HYSPLIT后向轨迹模式,分析了2017年12月中下旬,成都市一次本地积累和沙尘输送影响的持续污染过程中污染物浓度、污染物来源、天气系统和气溶胶消光系数的垂直分布及演变.结果表明:①此次污染过程持续时间长,根据气象条件和主要污染物种类,分为本地污染累积、北方沙尘输送和混合影响3个阶段.②本地污染积累阶段,消光系数垂直分布不均匀,受湿度、太阳辐照与逆温层等气象因子的影响,垂直结构变化较大.消光系数最大值多出现在250 m附近,此阶段退偏比数值很小.③沙尘影响阶段,消光系数较前期明显下降,高值区位于250 m及2 km处.退偏比显示沙尘粒子于29日午后开始逐渐抵达成都市2 km高空,并于夜间达到峰值.退偏比相较本地污染累积阶段明显增大,各时段退偏比结构类似,近地面数值略低于高空.④混合影响阶段,消光系数强度小幅回升,退偏比显示有部分沙尘粒子漂浮在1~2 km高度上.

关键词：气溶胶污染激光雷达观测消光系数退偏比垂直结构

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中层顶区钠层化学反应寿命的初步研究

空间科学学报 2003年第6期23卷 424-429页

作者：徐寄遥中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080

利用本征值和本征矢量的分析方法,对钠层的光化学反应的寿命进行了研究,结果表明,利用该方法计算出的钠原子的化学寿命与传统理论有所不同.从而证明了在中层顶区,钠层的中上部的扰动主要受大气动力学过程的影响,钠层底部主要由光化学控... 详细信息

利用本征值和本征矢量的分析方法,对钠层的光化学反应的寿命进行了研究,结果表明,利用该方法计算出的钠原子的化学寿命与传统理论有所不同.从而证明了在中层顶区,钠层的中上部的扰动主要受大气动力学过程的影响,钠层底部主要由光化学控制.这为利用钠层作为示踪剂研究中层顶大气动力学的理论提供了理论依据.

关键词：中层顶区钠层化学反应寿命光化学激光雷达观测大气成分

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中层顶Na层稳定性的初步研究

空间科学学报 2003年第5期23卷 352-360页

作者：潘小敏易帆李芳武汉大学电子信息学院武汉430079 中国科学院电子学研究所

利用武汉大学激光雷达的观测数据验证了当前Na层数值模型的普适性.在简化模型的基础上,采用微扰法,分析模型的稳定性.计算表明,在参数的调节范围内,所有特征值的实部都小于零,这说明该模型是个稳定系统.扰动垂直波长和扩散系数对模型的... 详细信息

利用武汉大学激光雷达的观测数据验证了当前Na层数值模型的普适性.在简化模型的基础上,采用微扰法,分析模型的稳定性.计算表明,在参数的调节范围内,所有特征值的实部都小于零,这说明该模型是个稳定系统.扰动垂直波长和扩散系数对模型的所有特征值都会产生较大影响,背景温度和化学成分密度则只对某些特征值影响较大.

关键词： Na层稳定性激光雷达观测数值模型中层顶背景温度高空大气

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兰州市沙尘天气污染特征及潜在源区

中国沙漠 2020年第3期40卷 60-66页

作者：杨燕萍王莉娜杨丽丽陶会杰蒋琳甘肃省环境监测中心站甘肃兰州730000 兰州大学大气科学学院甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室甘肃兰州730000 无锡中科光电技术有限公司江苏无锡214135

为了解兰州市沙尘天气期间大气污染特征,选取2016-2017年兰州市国家大气环境监测网络系统21个监测站点逐小时数据,对沙尘天气过程中的污染物特征进行分析。在此基础上,结合地面气象参数,运用HYSPLIT模型聚类计算和激光雷达观测等手段,... 详细信息

为了解兰州市沙尘天气期间大气污染特征,选取2016-2017年兰州市国家大气环境监测网络系统21个监测站点逐小时数据,对沙尘天气过程中的污染物特征进行分析。在此基础上,结合地面气象参数,运用HYSPLIT模型聚类计算和激光雷达观测等手段,对颗粒物来源和传输过程进行潜在源区贡献因子(PSCF)和浓度权重轨迹(CWT)分析。结果表明:兰州沙尘天气主要受西北方向、东偏北短距离传输、北部内蒙古路径3类气团影响,其中西北方向气团影响沙尘天气持续时间较长、沙尘过程中消光系数最高、环境空气质量转差显著,其他两类气团影响沙尘天气持续时间较短,有利于污染扩散;沙尘天气发生前期PM10与气态污染物呈现正相关,沙尘天气过程中为负相关,沙尘天气后则再次转为正相关,沙尘天气对气态污染物浓度有降低效果;春季兰州地区颗粒物潜在区分布相对集中,主要来自于兰州西北部河西走廊,PSCF值大于0.7;冬季颗粒物潜在源区分布范围较广,PSCF值集中在0.7~0.9,其中对PM10较大贡献区集中在新疆东南部,贡献值240~320μg·m-3。

关键词：沙尘天气后向轨迹激光雷达观测潜在源区

Lidar observation campaigns on diurnal variations of the sodium layer in Beijing and Wuhan, China

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Science China Earth Sciences 2015年第8期58卷 1377-1386页

作者： GONG ShaoHua YANG GuoTao CHENG XueWu GONG Shun Sheng XU JiYao LI FaQuan GONG Wei WANG JiHong School of Physics and Electronics Engineering Hainan Normal University State Key Laboratory of Space Weather National Space Science Center Chinese Academy of Sciences Laboratory of Optoelectronics Wuhan Institute of Physics and Mathematics Chinese Academy of Sciences State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing Wuhan University

Based on observations from daytime lidars in eastern China,diurnal cycles of the sodium layer over Wuhan(30.5°N,114.6°E)and Beijing(40.5°N,116°E)are *** variations of Na density,root mean square(RMS)layer width,and centroid height of the sodium layer are *** reveal that the large diurnal cycles of the sodium layer are controlled mainly by 24-hr oscillations at the two observation *** diurnal variation of the sodium layer over Wuhan was modulated mainly by tidal perturbations during the lidar observation ***,the diurnal variation over Beijing was controlled principally by photoionization and photochemistry effects during another campaign,and there was little evidence of direct tidal *** comparisons suggest that the diurnal variation of the sodium layer perhaps has obvious regional characteristics across *** variation can be either controlled mainly by tidal perturbations or by photoionization and photochemistry effects in different seasons.

关键词：激光雷达观测日变化钠层武汉北京光化学效应运动控制中国东部

Occurrence and characteristics of sporadic K layer observed by lidar over Beijing, China

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Science China Earth Sciences 2016年第3期59卷 540-547页

作者： JIAO Jing YANG Guo Tao WANG Ji Hong WANG Ze Long YANG Yong State Key Laboratory of Space Weather Center for Space Science and Applied Research Chinese Academy of Sciences College of Earth Science University of Chinese Academy of Sciences Wuhan Institute of Physics and Mathematics Chinese Academy of Sciences

A double-laser-beam lidar was successfully developed in 2010 to measure the K layer over Yanqing County, Beijing(40.5°N, 116.2°E). Comprehensive statistical analyses of sporadic K(Ks) layer parameters were conducted using two years of lidar data, and the parameters of the Ks layers and their distribution obtained by the analyses are described. The seasonal distribution of Ks occurrence was obtained, with two maxima observed in January and July, respectively. The seasonal distributions of sporadic E(Es) occurrence over Beijing differ from those of Ks occurrence. However, good correlations between Es and Ks in case by case study were found. We also found that four Ks events with peak altitudes lower than 90 km were associated with large and sharp temperature increases in five comparative examples.

关键词：激光雷达观测北京市散发性特征 LiDAR 季节性分布统计分析季节分布

Volume Estimation of Small Scale Debris Flows Based on Observations of Topographic Changes Using Airborne LiDAR DEMs

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Journal of Mountain Science 2014年第3期11卷 578-591页

作者： Hosung KIM Seung Woo LEE Chan-Young YUNE Gihong KIM Department of Civil Engineering Gangneung-Wonju National University

This paper describes a geographic information system(GIS)-based method for observing changes in topography caused by the initiation, transport, and deposition of debris flows using highresolution light detection and ranging(LiDAR) digital elevation models(DEMs) obtained before and after the debris flow events. The paper also describes a method for estimating the volume of debris flows using the differences between the LiDAR DEMs. The relative and absolute positioning accuracies of the LiDAR DEMs were evaluated using a real-time precise global navigation satellite system(GNSS) positioning method. In addition, longitudinal and cross-sectional profiles of the study area were constructed to determine the topographic changes caused by the debris flows. The volume of the debris flows was estimated based on the difference between the LiDAR DEMs. The accuracies of the relative and absolute positioning of the two LiDAR DEMs were determined to be ±10 cm and ±11 cm RMSE, respectively, which demonstrates the efficiency of the method for determining topographic changes at an scale equivalent to that of field investigations. Based on the topographic changes, the volume of the debris flows in the study area was estimated to be 3747 m3, which is comparable with the volume estimated based on the data from field investigations.

关键词：激光雷达观测地形变化体积流量 DEM 估计量全球导航卫星系统数字高程模型机载