全天时测量水汽混合比垂直分布的Raman激光雷达.pdfVIP

全天时测量水汽混合比垂直分布的Raman激光雷达* 1 1,2 1 1 1 吴德成 刘 博 纪玉峰 戚福弟 王邦新 1 1 1 1 钟志庆 伯广宇 刘东 周军 （1.中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室 安徽合肥 230031；2.怀俄明大学大气科学系 拉腊米 82071） 摘 要 水汽一种重要的大气成分，在气候、天气、水循环、能量输送中起着重要的作用，然而水汽在 大气中的时空分布非常不均匀。本文中介绍了自行研制的一台能够全天时测量水汽混合比垂直分布的车载 Raman激光雷达，并对其测量误差进行了分析。误差分析和与无线电探空仪测量结果的对比表明，Raman激光 雷达的探测灵敏度要优于无线电探空仪，并且其时间和空间上的分辨率也都要优于无线电探空仪，在相对湿 度较小（小于20%）的区域中，Raman激光雷达依然能够比较好地测量出水汽混合比的垂直分布。2年多的外 场试验结果表明，Raman激光雷达性能稳定、测量结果可靠，是测量大气中水汽混合比时空分布的有效手段。 关键词 Raman激光雷达 水汽 误差分析 引言 水汽在大气中的含量非常少，但是却对气候、天气、水循环和能量输送等有着重要的影 响。准确获得大气中水汽的含量及其高分辨率的时空分布等信息，有助于改善对云的形成、 [1] 对流风暴的发展等大气中重要过程的认识 ，同时对于大旱、大涝等灾难性天气的研究和预报 也有重要的意义。 激光雷达是一种测量大气中水汽时空分布的理想的工具，和无线电探空仪、微波辐射计 等相比，激光雷达能够获得高时空分辨率的水汽含量的时空分布情况，其时间分辨率可以达 到数分钟，空间分辨率可以达到数米到数十米不等。测量水汽的激光雷达主要基于差分吸收 和Raman散射两种原理。差分吸收激光雷达是根据水汽分子在两个相近激光波长上吸收强度 的差异来测量水汽分子的浓度。早在1966年，Schotland基于红宝石激光器建立了测量水汽 垂直分布的差分吸收激光雷达[2]。由于分子的吸收截面比较大，所以差分激光雷达的测量精度 高、测量周期短，并且易于实现全天时测量，但是由于差分吸收激光雷达对激光光源有较高 的要求，大大增加了系统的复杂程度和成本，因此，差分吸收激光雷达主要应用于机载和星 载平台来测量大气中的水汽。Raman激光雷达是根据水汽分子和空气分子（如氮气分子和氧气 分子）的振转Raman散射回波信号来测量大气中的水汽混合比。Melfi等人在1969年利用水 汽分子的Raman散射回波信号测量出了水汽的空间分布，和无线电探空仪测量的结果有很好 的一致性[3]。和差分吸收激光雷达相比，Raman激光雷达对激光波长没有特殊要求，因此Raman 激光雷达的复杂程度和成本都要低于差分吸收激光雷达。但是，由于Raman散射截面非常小， 限制了Raman激光雷达的测量范围和白天的测量能力。自上世纪90年代，测量水汽的Raman 激光雷达技术发展迅速，通过采用高脉冲能量的紫外激光器、窄视场-窄带宽接收等技术，实 现了Raman激光雷达全天时测量大气中的水汽混合比[1, 4-6]。由于Raman激光雷达的测量周期 相对于差分吸收激光雷达的测量周期较长，大约为几分钟，因此Raman激光雷达主要应用于 地基平台来测量大气中的水汽。 本文中介绍了中科院安徽光机所大气光学中心研制的一台全天时测量水汽混合比的车载 Raman激光雷达系统。在第1节中对Raman激光雷达测量水汽混合比的原理做了简单的介绍； 第2 节中介绍了研制的Raman 激光雷达系统；第3 部分对该Raman 激光雷达测量的水汽混合 *国家自然基金（No） 气象与减灾 2011专刊 比的误差做了分析；第4 部分中给出了Raman 激光雷达测量的水汽混合比时空分布的一个个 例。 1 测量原理 水汽混合比w(z)定义为水汽和干空气的质量比， mwv (z ) Nwv z M wv