摘要
风速和温度的测量是全面了解大气动力学机制的基础，同时也是数值天气预报和大气模型参数化必不可少的条件。然而在15～70 km的高度范围内风场观测的手段十分匮乏，仅能通过探空火箭进行昂贵而不连续的探测。因此这个高度区域被称为“雷达盲区”。为了填补“雷达盲区”，激光雷达技术被不断开发，如今成为对流层以及平流层风场探测非常有效的手段。本论文主要围绕瑞利多普勒激光雷达测风与测温技术展开，介绍了中科大新一代激光雷达的研制过程，以及激光雷达观测数据两个方面的应用，分别是星地测风数据验证以及对平流层大气重力波的研究。 本文首先介绍了中科大瑞利多普勒激光雷达系统的研制过程。根据双边缘技术激光雷达的原理，进行了系统仿真设计，确定了各部件的关键性能参数。同时针对零多普勒频移引起的风速误差，改进了光学结构以及风速反演的算法。利用这套改进的系统，在2017年至2019年间在新疆地区获取了大量风场与温度数据。通过和欧洲中尺度天气预报中心的模式数据以及当地无线探空仪所测风速的比对，证明了其观测的精度以及数据的可靠性。这也证明了本论文中给出的新的零多普勒频移校准方案的有效性。 世界首颗测风激光雷达卫星Aeolus实现了人类首次对全球风场的观测，其载荷ALADIN也是一台直接探测的激光雷达。由于非相干激光雷达的特性，必须定期对其测风的数据进行验证和校准。欧洲航天局对其风场数据进行了大量的验证实验，然而这些实验数据几乎都是10km以下的对流层区域。本论文中，通过利用2019年激光雷达系统在新疆测量的数据，对ALADIN的10km以上高度平流层数据进行了验证。通过两种数据匹配方式，对比了6月到12月的部分Aeolus Level-2B瑞利风数据。我们发现了上行轨道与下行轨道风速之间的细微差距，另外还发现在16km以上的高度两种风速数据偏差值偏离了0，且随高度而振荡。通过分析认为，这种振荡可能与当地频繁发生的重力波有关。总体上，本研究的结果证明了卫星数据在中国西北地区的可靠性以及准确性，这也为我国将来研制的星载测风激光雷达的数据验证工作积累了经验。 在本研究中，瑞利测风测温激光雷达的另一个应用为观测大气重力波。传统的温度数据观测无法获得重力波的如传播方向、水平波长和固有周期等全部关键特征参数。而激光雷达联立的温度和风速测量，则能够根据矢端向量分析法获得偏振关系，最终获得重力波特征参数。中科大激光雷达在2018年9月和10月的观测中，发现了大量的重力波现象。这些重力波的模式并不单一，因此采用了频谱分析和波动方程拟合的办法提取了第一级主导和第二级主导的重力波。通过纬向风-经向风以及纬向风-温度扰动矢端向量的偏振关系，计算并统计出了共184次第一级和140次第二级主导重力波的传播方向、水平波长、固有周期等信息。研究发现新疆地区常有的背景西风影响了重力波的传播方向，第一级主导重力波的传播方向集中在东西方向。除此之外，还发现了高度在35～40 km的风切变导致了向上传播的初始重力波的反射。在此高度部分重力波的能量被背景大气吸收，并在波动消逝范围的上方产生了具有复杂模式的次生重力波。这些次生重力波产生了大气的不稳定性，这些观测对于大气非线性理论有着重要的意义。
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