相干多普勒激光雷達(dá)向大氣中發(fā)射激光光束

2025-07-01 17:57:21

　　大氣湍流是大氣中的一種重要運(yùn)動(dòng)形式，由各種尺度的渦旋疊加而形成不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，堪稱大氣環(huán)境的“攪拌器”。大氣中的湍流運(yùn)動(dòng)無時(shí)、無處不在，看不見摸不著，卻嚴(yán)重影響大氣中動(dòng)量、熱量、污染物等的交換，又對聲波、光波及其它電磁波的傳播產(chǎn)生影響。

　　大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)包括了由垂直風(fēng)切變形成的機(jī)械湍流和對流產(chǎn)生的湍流，對氣象和空氣質(zhì)量起著重要作用。解析大氣邊界層湍流特征，有利于深入了解地-氣系統(tǒng)的能量交換、污染物輸送和擴(kuò)散以及各種氣象要素，為我國大氣污染治理打開一扇“觀察窗”。

　　相干多普勒激光雷達(dá)是一種新興的主動(dòng)遙感探測儀器。相較于傳統(tǒng)觀測手段，激光雷達(dá)具有全天時(shí)、高時(shí)空分辨率的非接觸探測能力;相對于其它主動(dòng)遙感設(shè)備，又具有質(zhì)量輕、體積小、掃描靈活的特點(diǎn)，可滿足星載、船載、機(jī)載乃至無人機(jī)搭載的探測要求，為研究大氣湍流參數(shù)及時(shí)空變化特征提供重要技術(shù)手段。

　　創(chuàng)新研究

　　在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目“近海海洋邊界層大氣污染綜合立體探測技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”的支持下，中國海洋大學(xué)宋小全副教授課題組聯(lián)合中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、深圳市環(huán)境監(jiān)測中心站等單位，在深圳市沿海區(qū)域開展了系統(tǒng)的大氣風(fēng)場觀測與湍流實(shí)驗(yàn)研究。

　　課題組使用自主研發(fā)的相干多普勒激光雷達(dá)(圖1)測量了風(fēng)廓線數(shù)據(jù);結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)大氣模型、溫度日變化模型和地面氣象站資料，根據(jù)Tatarski經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)理論估算了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)( );進(jìn)一步給出其高時(shí)空分辨率的垂直剖面，分析時(shí)空變化特征，研究了多個(gè)氣象參數(shù)變化對 的影響。同時(shí)，估算和分析了湍流動(dòng)能耗散率(ε)、垂直速度方差( )等湍流特征參數(shù)。

　　圖1 相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)原理框圖及系統(tǒng)外觀照片(右下)

　　圖2 2019年10月20日大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)日變化垂直剖面

　　圖2表明大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)存在分層，且同一強(qiáng)度湍流層的高度隨時(shí)間變化。總體而言，大氣邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨高度增加而減弱，但在邊界層下方，湍流強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯的逆增長區(qū)。而大氣邊界層高度的變化，也影響了逆增長區(qū)的高度。部分時(shí)段和高度內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，如3時(shí)-4時(shí)、8時(shí)-11時(shí)對應(yīng)位置上風(fēng)速均有較大的垂直梯度，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“鼻狀結(jié)構(gòu)”，這可能是伴隨著逆溫層的大尺度低空急流或者強(qiáng)風(fēng)速帶所致。

　　圖3 不同高度平均大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)日變化

　　圖3顯示大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的分布與高度相關(guān)。隨著高度的增加，湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度整體減弱的同時(shí)，其白天強(qiáng)、夜間弱、存在轉(zhuǎn)換時(shí)刻的“墨西哥帽”式日變化結(jié)構(gòu)也逐漸弱化。比如720 m高度上的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)值基本維持不變，這可能是隨著高度升高、地表熱輻射減弱使得湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱，使得大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)失去了典型的日變化特征。

　　圖4 垂直速度方差與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)20 min平均廓線歸一化相關(guān)圖

　　通過外尺度與垂直風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算了湍流動(dòng)能耗散率和垂直速度方差，并加以對比來驗(yàn)證估算結(jié)果的合理性。圖4給出了不同時(shí)刻垂直速度方差與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的20 min平均廓線歸一化相關(guān)圖，可以看出12:50-13:10時(shí)段內(nèi)，垂直速度方差與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上。

　　圖5 不同時(shí)刻湍流動(dòng)能耗散率與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)20 min平均廓線

　　圖5給出了不同時(shí)刻湍流動(dòng)能耗散率與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的20 min平均廓線，兩者相關(guān)系數(shù)通常在0.6以上。

　　大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、垂直速度方差和湍流動(dòng)能耗散率之間的較高相關(guān)性體現(xiàn)了湍流運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方向的一致性，也進(jìn)一步印證了估算結(jié)果的合理性。

　　未來展望

　　研究結(jié)果初步驗(yàn)證了多普勒激光雷達(dá)在估算湍流參數(shù)的相關(guān)算法以及可行性。然而，湍流這一世紀(jì)難題，曾被稱為“經(jīng)典物理學(xué)最后的未解難題”，對其研究與認(rèn)識仍任重而道遠(yuǎn)。

　　在項(xiàng)目的支持下，課題組還將圍繞海-陸相互作用、城市熱島效應(yīng)、復(fù)雜大氣結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，進(jìn)一步使用超聲風(fēng)速儀、溫度脈動(dòng)儀等多種設(shè)備與多普勒激光雷達(dá)聯(lián)合長期觀測，提高湍流特性的探測高度、探測精度和時(shí)空分辨率，為我國沿海地區(qū)的大氣污染物輸送擴(kuò)散、天氣變化等研究提供重要支撐。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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