激光通信地面站址的大气信道特性决定着设备性能的有效发挥。 选择四个候选站址,西藏阿里、青海德令哈、四川稻城和河北兴隆,统计检验云量覆盖、 大气透过率、天空辐射度和大气湍流等特征对激光通信的影响。结果显示,单站可用度 条件以阿里为最佳；三站联合可用度以阿里-德令哈-兴隆最好,在少云条件下(云量低于60%)全年可用 度85%以上;少云条件下的四站联合可用度在5～8月为91%～96%,其它月份98%以上。 四个候选站址的大气光学特性均能满足激光通信传输的要求。高海拔站址的大气透过率与辐 射度有明显优势,阿里、稻城的夜间大气相干长度在10 cm以上,德令哈在8～12 cm间, 兴隆站在6 cm以上。在多站联合模式下应能在高海拔的少云区选择出足够高可用度的站址。

激光雷达观测网是研究区域大气颗粒物污染分布特征的有力工具。长三角地区激光雷达观测网部分站点 的激光雷达资料与地面气象数据、PM2.5、PM10质量浓度数据,以及HYSPLIT后向轨迹模型模拟的后向轨迹 相结合,对2016年9月杭州及其周边地区一次颗粒物污染的来源和成因进行了分析。分析结果表明,9月8日 杭州颗粒物污染过程是该地区局地污染与高空输送共同作用的结果,且粗粒子主要来源于西北方向。 杭州地区SO2浓度整体较低,PM2.5浓度与NO2浓度呈正相关,细颗粒物主要以硝酸盐为主。较高的NO2浓度 和高湿度、低风速的不利气象条件,是该地区局地细粒子快速增长的主要原因。

颗粒物是港口地区的主要污染物之一,利用多重分形理论分析港口地区PM2.5和PM10浓度的多重分形特征。首先,运用多重分形消除趋势 波动分析方法(Multifractal detrended fluctuation analysis, MF-DFA)分析PM2.5和PM10自身的 多重分形特征,结果显示PM2.5和PM10浓度的演化过程表现出非线性、复杂性的 多重分形特征,且PM10浓度的多重分形特征较PM2.5强。其次,利用多重分形消除趋势交叉波动分析方法 (Multifractal detrended cross-correlation analysis, MF-DCCA)研究港口 地区PM2.5和PM10的交叉相关性,结果表明两者之间不仅存在具有长期记忆性的多重分形特征,而且其互相关性多重分形特征具 有明显的季节变化特征。港口地区PM2.5和PM10的多重分形特征在春季最强,夏季次之, 秋季最弱。这些结论对港口地区PM2.5和PM10的联合控制具有一定的参考价值。

为建立准确高效的空气质量预报系统,建立以污染物、气象因素、污染物混合气象因素的三种预测因子模式,并将该三种预测因子模式 作为支持向量机回归 (Support vector machine regression, SVR)的输入变量进行PM10浓度的每日预测,寻找最优预测因子模式。并使用灰狼优化算法 (Grey wolf optimization, GWO)对支持向量机回归模型进行优化,形成GWO-SVR模型。实验结果表明,污染物混合气象因素作为输入 变量为最优预测因子模式, SVR和GWO-SVR模型测试集确定系数分别达到R2=0.79和R2=0.81,预测精度较高,经比较发现GWO-SVR模型 预测性能较好。之后,依据风向条件对数据进行分类,使用较优的GWO-SVR进行PM10浓度预测,预测结果显示盛行西南风时, 预测集评测指标为R=0.91、MSE=47.15,优于盛行东北风时的R=0.87、MSE=125.80和 所有数据下的R=0.90、MSE=107.94。

大气痕量气体差分吸收光谱仪通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来反演大气 中痕量气体的分布和变化。在地面对大气痕量气体差分吸收光谱仪完成实验室定标以验证其性能和可靠性,为大气痕量 气体差分吸收光谱仪的数据处理提供支持。为快速处理光谱仪定标数据,研制了相关的光谱辐射定标软件。定标软件基 于C++语言,在Windows平台上开发,实现数据定标和多维度展示定标数据。 其中光谱定标采用多项式拟合算法,光谱分辨 率采用Gauss拟合算法。辐射定标包括绝对辐射定标和相对辐射定标,绝对辐射定标求取辐射定标非稳定性和非线性, 相对辐射定标求取相对辐射校正系数和不确定度。结果表明软件运行良好,能够完成大气痕量气体差分吸收光 谱仪地面光谱定标、辐射定标数据的处理。

新一代静止轨道气象卫星Himawari-8静止气象卫星具有空间分辨率高可持续性观测的特点,对海雾监测具有重要的意义。 星载激光雷达(Cloud-aerosol lidar with orthogonal polarization, CALIOP)可以探测大气的垂直剖面信息。利用CALIOP 数据进行海雾检测,获得4类样本点:中高云、低云、海雾和海表样本点,并将这些样本点用于Himawari-8 日间海雾检测的 通道选择和动态阈值设定的研究中,建立一套Himawari-8日间海雾检测算法。利用CALIOP和中国气象局国家卫星气象中心的 气象卫星雾监测报告数据对海雾检测方法进行验证。对比CALIOP数据,海雾检出率63.42%,漏检样本点中晴空海表占比71.54%; 对比雾监测产品,海雾检测率89.7%。结果表明,提出的海雾检测算法是可行的。

雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性 利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125°～150°范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐 射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth’s reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。 将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料 进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。

燃烧场温度的测量对于燃烧诊断具有重要意义。开展了基于可调谐半导体激光吸收光谱 (Tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)的在 线测温方法研究,基于双光束分时扫描技术,实现了双激光器协同工作与燃烧产物水汽 7154.35 cm-1 和7467.77 cm-1两条吸收谱线的同时测量,并利用双线积分吸光度比值关系完成温度的精确反演, 满足燃烧场温度在线检测应用需要。开展了针对甲烷/空气预混平焰炉火焰温度的实时检测实验研究, 并与热电偶进行了测温对比分析,两种方法的测量具有较好的一致性,相对误差小于3.8%,验证 了TDLAS技术对燃烧场温度非侵入式快速测量的可行性和可靠性。

在比色测温中,高温背景辐射对准确测量目标温度有很大的干扰,利用蒙特卡洛法通过概率 分布模拟背景辐射的发射位置、辐射方向和反射或吸收特性,统计被测量目标反射并被探测 器检测到的辐射能束,与理论辐射差值相比较,检验其准确性。在此基础上,提出一种在复杂 环境下消除高温背景辐射影响、提高测温精度的方法。