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文|史说百家

裁剪|史说百家

【序论】

气溶胶、云和水蒸气的能源学相互作用组成了一个活跃的相干规模，因为它们通过参与能量转动经过影响地球大气的辐射进出，从而影响现象，激光雷达测量不错提供准确的垂直分辨信息，包括云缓和溶胶的多层场景。

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依然报谈了几个基于激光雷达的不雅测恶果，假定激光雷达比值（LR）与距离无关但是，这种假定与本色的大气气溶胶散播不一致，因此可能导致信息丢失。

在拉曼激光雷达的情况下，拉曼通谈回波不错与弹性通谈一王人分别详情消光系数和反向散射系数，正如不同作家所报谈的那样。

那么，拉曼激光雷达还有其他什么作用？它的检测竟然准确吗？

【气溶胶消光系数】

通过与参考高度的分子主导信号进行比较，从拉曼回波中获取气溶胶背散射系数，气溶胶反向散射系数以及Mie LIDAR距离更变信号（RCS）和优化LR用于打算气溶胶消光系数。

不竭，LIDAR系统用于获取光学和微物理参数，这不错被觉得是两步反演经过。使用测得的反向散射功率来臆想光学参数，然后在反演中使用这些参数来赢得微不雅物理参数。

举例数粒散播，折射率等，拉曼通谈的气溶胶消光系数检索步伐波及拉曼通谈复返RCS的数值微分，由于RCS的噪声明锐性而产生时弊，为了幸免这种空虚，不错使用信号平滑技巧，使用近距离参考高度不错进一步立异检索技巧，稳妥的参考高度不错使用信噪比和归一化圭臬差来详情，

寰宇各地对于使用大地激光雷达不雅测进行气溶胶和云端征的文献中有几项相干，LR用于粉尘气溶胶的化学表，光谱去极化比线路可将冰与纯尘埃和烟雾辩别开来，还发现它使用不同波长的去极化比来表征大气花粉和不同的尘源，弹性通谈和拉曼通谈用于表征气溶胶的微不雅物感性质。

在留尼汪岛的一个高海拔站阐明了水蒸气搀杂比（WVMR）测量恶果，并通过卫星数据进行了考证，

在另一项相干中，使用自动算法从拉曼激光雷达和无线电探空仪测量中检索气溶胶和湿度参数以及温，在瑞士Payrene地区进行的初次长达十年的WVMR瓦解中检测到温度和水蒸气的浩瀚变化，其中发现可见水蒸气的变化与名义相对湿度密切有关。

图4.线路了来自激光雷达数据的未校准WVMR的散点图和来自再分析数据的比湿度

使用线性去极化比（LDR）和云顶温度（CTT）对云的热力学相进行了平素的相干，与卫星不雅测比拟，大地激光雷达测量在辩别冰云和水云方面更灵验，通过彰着不雅察到过冷水的存在，在南非德班的一项相干中。

不错了了地辩别层积云和卷云，使用大地激光雷达不雅测对卷云特征进行了几项真切相干还使用拉曼激光雷达和多普勒激光雷达预防相干了气溶胶提醒的高积云微物理变化。

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在印度，最近使用大地激光雷达不雅测进行的一些进犯相干值得一提，印度次大陆的空气浑浊“舆图集”是使用CALIOP数据编制的，CALIOP数据是一种星载激光雷达，用于线路次大陆的三维气溶胶散播。

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发现印度气溶胶消光系数的垂直剖面，随海拔高度的增多而从宽层结构逐渐变为指数减小，据报谈，在2000米的高度内，烟雾在印度东北部占主导地位，而浑浊的灰尘则在印度次大陆的其他地区占主导地位，在印度南部的大批市海得拉巴，也相干了顺风运载的农作物残茬燃烧和有关辐射将就的影响。

相干了气溶胶和云特色的季节性变化，并使用激光雷达的弹性通谈详情了气溶胶光学深度（AOD），并与喜马拉雅西部地区高海拔站马诺拉峰（84 masl）上从AERONET和MODIS赢得的光深（AOD）进行比较，在印度南部的热带沿海地区也对气溶胶的季节性特征进行了微脉冲激光雷达不雅测。

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【局势形容与天气风景】

该地区有一个陡峻的楼梯地形，从山麓的西里古里高涨到大吉岭，空中距离为59公里，复杂的迷宫山脉，有踊跃的马刺、山岭和山谷，天气变化很大，季风降水很大。

激光雷达信号处理包括放弃由于仪器姿色引起的配景大气天窗和电子噪声，通过剿袭信号特殊踏实的范围来评估配景，而况该范围内的平均值最小。

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图1.卫星图像线路了大吉岭的地舆位置和相干所在的地形特征

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该信号的灵验范围被截止在该高度，为了产生距离更变信号（RCS），每个数据点的距离平方定律更变赔偿了大气中与距离有关的衰减，应工具有可变旅途的运转低通导数数字滤波器去除高频重量，并使用二阶多项式对数据集进行最小二乘拟合。

图3.355 nm的平均RCS和30分钟激光雷达详细方差的样本图分别由玄色和红色弧线线路

激光雷达数据是在2016年7月和5月蚁合的。在此时期，咱们大要蚁合七天的夜间数据，在夜间测量的情况下，对于白昼测量，仅使用弹性通谈。

因为拉曼信号太弱，无法在强日光配景下检测，使用弹性通谈的交叉重量和共极化重量进行线性去极化比（LDR）臆想，附录A给出了从激光雷达信号中检索气溶胶和云光学特色的数学体式。

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这里使用袖珍降雨雷达（MRR-2，METEK Technologies，德国）来检测降水肇始时辰过头肇始高度，它是一种垂直指向的调频连结波（FMCW）雷达，以24 MHz的带宽垂直向大气中辐射1.50 GHz辐射，由于该频率范围内水点和冰王人集体的折射率不同，溶解层云里面的雷达反射率增多，MRR与激光雷达一王人用于云生命周期的案例相干。

图2.的斜率ln（RCS）并线路 355 nm 通谈的原始信号，箭头象征的峰和底用于详情大鼠。

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【大气领域层】

在本相干中，使用附录D中形容的非分层聚类分析（CA）步伐臆想大气领域层（ABL），在这里，最好聚类数是通过最小化戴维斯指数方程（A18）和最大化邓恩指数来详情的，该方程测量集群之间的相似性，并最大化邓恩指数，暗示紧凑且分离淡雅的集群方程（A19），均值RC355

这里使用了其以 30 分钟为拒绝的方差，通过将每个参数的整个值除以其最大值来轨范化数据。ABL顶部是通过由于ABL顶部气溶胶浓度须臾缩小而发生簇变化的高度臆想的，这也使方差最大化。

对流搀杂的垂直范围称为“搀杂层深度”（MLD），傍晚衰减的对流搀杂酿成中性分层残余层，在夜间，通过辐射长波辐射，陆地名义冷却速率比地球大气更快，这会导致基于地表的温度逆温，从而酿成踏实的领域层。

在本案中，由于激光束和千里镜视场的部分叠加，在较低高度无法检索到齐全的信息，对激光雷达RCS的日间数据过头60 m至2000 m方差进行聚类分析，详情MLD，MLD被详情为叠加高度（360 m）以上的高度，在该高度发生了第一次集群变化。

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对于SBL高度的详情，沟通了夜间激光雷达RCS过头在60 m至1200 m高度内的方差，一个剖面中有多个聚类变化，标明夜间有多个气溶胶层，第一个高于360 m的层是SBL顶部。

其上方高达1000 m的层被详情为残余层，残余层的深度不竭被详情为SBL顶部与封顶回转底部之间的空间。

【水蒸气搀杂比】

ABL中不同数目之间的有关性在表1的前两列中给出，LDR-WVMR 有关性对两组都是正的，WVMR随高度的缩小可能是由于气溶胶上凝结酿成液滴，这将产生更多的球形颗粒并导致LDR缩小。

液滴的酿成也可能导致α一个由多重散射引起，它会增多LR，导致LR-LDR和LR-WVMR之间的负有关。

表 1.LR、LDR 和 WVMR 之间线性有关的有相关数 （R） 如表所示，整个有关性在统计意旨上均权臣，概率为 <0.05。

来自印度东北地区和上空的气溶胶主要含有车辆尾气，这些气溶胶具有更高的α一个和 AOD 但访佛β一个，与其他区域的气溶胶比拟，粗边幅和细边幅的上风。增多α一个AOD似乎是由于接收率的增多，石墨烟灰的存在，在这个波长区域是高度接收的，可能会增多α一个。

表 2.整个这个词相干时期气溶胶层的特征

恶果标明，对于上述两种情况，粗模的LDR均低于细致边幅，由于粗模气溶胶由于其较大的尺寸而更容易酿成CCN，因此瞻望它们将更具球形，这β一个发现粗边幅高于细致边幅。

来自比哈尔邦经尼泊尔的气溶胶，含有生物资燃烧和东谈主为气溶胶的主要孝敬不雅测到的生物资燃烧的LR范围在30-60sr之间，对于这些轨迹，发现LR在60 sr以内，精炼边幅的LDR线路的值高于细致边幅。

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溶性大颗粒与生物资燃烧气溶胶的搀杂可能会增多粗边幅的LDR，在以前的责任中发现，将大型矿物粉尘与生物资燃烧气溶胶搀杂会增多LDR这α一个。

表 3.相干期内三个不同阶段的云的特征。

【回来】

在本文中，咱们相干了喜马拉雅山脉东部高海拔站大吉岭的垂直范围分辨气溶胶和云层过头光学特色，系数进行了34小时的测量，特出了7个晚上，激光雷达以 1 分钟的拒绝提供输出，高度分辨率为 7.5 m，咱们分析了垂直和时辰分辨率分别为120米和30分钟的激光雷达测量距离更变信号（RCS），因此，咱们在整个这个词分析中赢得了68个RCS建树文献。

上述RCS用于打算α一个、β一个、激光雷达比 （LR） 和线性去偏振比 （LDR） 来相干大气的一般光学特色。模拟边幅已用于 5 km 以下的分析，另一方面，光子计数边幅已被用于不雅测卷云。

对气溶胶层和云层进行了轻佻，相干了它们的光学性质，同期对气溶胶源识别和云层相位检测进行了相干。

检索并校准水蒸气搀杂比（WVMR），WVMR与归一化圭臬差（NSD）一王人用于了解大气能源学的影响，在云生涯期内在 RCS、NSD 和 WVMR 中检测到的变化，直到降水用于驳斥云内的基础程度，分析了激光雷达RCS的周期性和派生量，以了解该地区地形、而已传输和行星波等不同身分引起的大气变化。

气溶胶散射和接收的孝敬，由下式量化α一个对用于评估的步伐明锐，在咱们的例子中，对高度箱的平均值波动最小，因此产生了更好的恶果，α一个在某些情况下发现为阴性，这可能是由于气溶胶对 387 nm 拉曼回波明锐的影响2。

固然在季风后测量的喜马拉雅山脉西部高海拔站的震级与Palampur不雅测到的相似，但高于新德里隔壁的Gawl Pahari陆地站，咱们的恶果标明，不同搀杂状况下的远距离迁徙东谈主为羽流和海洋气溶胶的丰采可能是导致α一个。

打算平均LR剖面，LR范围为0至200 sr，海拔范围为360 m（叠加高度）至2000 m，LR 的平均值和圭臬差 （61±20SR）是通过在360-2000米的高度范围内取平均值来打算的。

这么的LR值标明来自印度东北部的东谈主为气溶胶和来自比哈尔邦（通过尼泊尔）的生物资燃烧气溶胶的主要孝敬，其震级低于Gawl Pahari，但高于Palampur。

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参考文献; 1、穆什塔克;夏尔马;班戈特拉;高塔姆;Gautam，S.大气气溶胶：一些亮点和荧光笔，往日到最近几年。 2、Fernald，F.G.大气激光雷达不雅测分析 3、Klett， J.D. 用于处理激光雷达回波的踏实分析反演贬责有筹办。 4、魏华;古贺;伊奥基贝;俄亥俄州和田;偏振激光雷达的踏实反演步伐：分析和仿真。