对流层大气温度的垂直分布特征直接关联天气现象和大气污染物扩散, 一直是气象和环境部门的重点观测对象。当前激光雷达技术已经成为探测对流层大气温度垂直分布和时间演变的有效手段。然而由于对流层中含有大量的气溶胶粒子, 因此利用传统的振动拉曼和瑞利散射激光雷达技术测量大气温度具有一定的局限性, 尤其是边界层内存在高浓度的气溶胶粒子会严重降低大气温度测量精度。采用纯转动拉曼激光雷达技术可有效降低气溶胶粒子对测量温度精度的影响。纯转动拉曼测温激光雷达的核心是分光单元设计, 国内外研究普遍使用基于双光栅干涉仪的分光方法。文中将采用基于滤光片法的纯转动拉曼信号分光设计, 相比而言该方法具有更高的分光效率, 并且能够通过调节滤光片的角度改变激光雷达系统的灵敏度, 操作更为简单。在中国科学院“大气灰霾追因与控制”先导专项支持下, 该激光雷达与2014年11月安置在中国科学技术大学超级大气观测站。在亚太经济合作组织北京会议期间, 展开大气环境测量试验。激光紫外波段能量约为200 mJ, 频率为20 Hz, 激光脉冲数为5 000发, 空间分辨率为7.5 m。实验结果表明, 在晴朗无云气溶胶浓度较小的天气条件下温度测量统计误差小于1.5 K, 测量高度可达10 km, 在7.5 km以下统计误差小于1 K; 在有薄云或者轻度雾霾天气条件下, 温度测量统计误差在±3 K左右, 测量有效高度通常在6~8 km, 在4.8 km以下统计误差小于1 K。

水汽在大气中含量很少, 但变化很大, 变化范围在0.1%~4%之间, 水汽绝大部分集中在对流层。随着光电探测技术的不断发展, 大气衰减对光电探测造成的影响也越来越显著, 其中水汽是主要影响因子之一, 也是最为不确定参数。光电探测中常用红外波段, 但是水汽分子浓度较大, 对辐射吸收造成很大的影响。拉曼激光雷达是测量大气水汽的主要技术手段之一。介绍了自行研制的水汽测量拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量。测量结果显示: 该激光雷达可以对夜晚8 km高度范围内以及白天边界层内的水汽进行测量。实验数据与当地探空数据进行比对, 取得了较好的一致性, 充分验证了该拉曼激光雷达测量水汽的有效性和可靠性。

由于气溶胶的影响, 传统的瑞利散射法测量低空大气温度有一定的局限, 为此开展了纯转动拉曼法测量低空大气温度。 利用纯转动拉曼激光雷达在北京进行了2个月的大气温度观测, 由观测数据反演了温度廓线。 在基于N2和O2的纯转动拉曼谱线特征进行大气温度反演过程中, 分析了平滑窗口、 定标范围和定标常数对温度反演精度的影响。 结果显示随着平滑窗口的增大, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差先减小后增加, 为有效去除信号中随机误差的影响, 同时保留温度廓线的垂直结构, 平滑窗口应选择600~1 200 m比较好。 定标范围不同, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均绝对偏差就不同, 相对变化约为0.07 K。 当定标常数a, b都增大或都减小时, 雷达和无线电探空仪测量的温度之间的平均偏差增大, 当一个增大另一个减小时, 平均偏差相互抵消; a, b的变化不是等几率的, 在符号上总是相反的; 平均偏差对a的变化不敏感, 对b的变化也不敏感, 对a与b的整体变化敏感, 约91.7%平均偏差落入-3~3 K之间。 该研究分析结果对纯转动拉曼激光雷达数据反演中涉及的平滑窗口、 定标范围的选择提供了理论依据, 对激光雷达定标常数造成实际温度反演结果的误差提供了参考。

研制了一台基于种子注入激光器和碘分子吸收滤光器的高光谱分辨率激光雷达。介绍了该系统的基本原理、数据反演方法和系统结构。分别在有云天气和沙尘天气时进行了高光谱分辨率激光雷达探测大气透过率的实验, 并与用常规Fernald方法反演的结果进行对比。观测结果显示, 不同种类的气溶胶粒子以及云具有不同的物理和光学性质, Fernald方法中假设的激光雷达比往往不符合实际情况, 因此会产生较大的测量误差。而高光谱分辨率激光雷达可以利用分子散射和气溶胶散射的谱宽不同, 将两种信号分离探测, 避免了假设激光雷达比, 从而实现大气透过率的高精度定量探测。