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我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析

王元祖 韩於利 孙东松 韩飞 周安然 张楠楠 唐磊

王元祖, 韩於利, 孙东松, 韩飞, 周安然, 张楠楠, 唐磊. 我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0305004-0305004-8. doi: 10.3788/IRLA202049.0305004
引用本文: 王元祖, 韩於利, 孙东松, 韩飞, 周安然, 张楠楠, 唐磊. 我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0305004-0305004-8. doi: 10.3788/IRLA202049.0305004
Wang Yuanzu, Han Yuli, Sun Dongsong, Han Fei, Zhou Anran, Zhang Nannan, Tang Lei. Multi-season observation and analysis of quasi-zero wind layer based on Doppler lidar in middle latitudes of China[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0305004-0305004-8. doi: 10.3788/IRLA202049.0305004
Citation: Wang Yuanzu, Han Yuli, Sun Dongsong, Han Fei, Zhou Anran, Zhang Nannan, Tang Lei. Multi-season observation and analysis of quasi-zero wind layer based on Doppler lidar in middle latitudes of China[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(3): 0305004-0305004-8. doi: 10.3788/IRLA202049.0305004

我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析

doi: 10.3788/IRLA202049.0305004
基金项目: 国家自然科学基金(41774193,41574180)
详细信息
    作者简介:

    王元祖(1993-),男,博士生,主要从事多普勒测风激光雷达系统方面的研究。Email:yz1w1@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 孙东松(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事测风激光雷达方面的研究。Email:sds@ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TN958.98

Multi-season observation and analysis of quasi-zero wind layer based on Doppler lidar in middle latitudes of China

  • 摘要: 一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统,于2014年至2016年先后在山西忻州(38.42°N 112.72°E)和甘肃酒泉(39.74°N 98.49°E)地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明:18~25 km范围内,酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构,并伴有明显的上下浮动现象,该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐(42.1°N 87.1°E)多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为:由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期,中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动;2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。
  • 图  1  多普勒激光雷达外场试验照片及测量原理图

    Figure  1.  Doppler lidar in experiment and detection principle of the lidar

    图  2  瑞利多普勒激光雷达系统光路图

    Figure  2.  Schematic view of Rayleigh Doppler lidar optical setup

    图  3  忻州、酒泉地区对比试验观测结果

    Figure  3.  Observation results of comparative test in Xinzhou and Jiuquan area

    图  4  2016年5月、2015年10月酒泉风场连续分布

    Figure  4.  Continuous distribution of wind field in Jiuquan in May. 2016 and Oct. 2015

    图  5  2016年5月、2015年10月酒泉地区准零风层大气结构的观测结果

    Figure  5.  Observation results of quasi-zero wind layer in Jiuquan in May. 2016 and Oct. 2015

    图  6  多季节零风线观测对比结果

    Figure  6.  Observation and comparison of zero wind line from multi-season

    图  7  2014年12月、2015年1月忻州风场连续分布

    Figure  7.  Continuous distribution of wind field in Xinzhou in Dec. 2014 and Jan.2015

    图  8  准零风层激光雷达与无线电探空仪比对结果

    Figure  8.  Comparison between quasi-zero wind layer lidar and radiosonde observation

    图  9  2014年12月、2015年1月忻州地区准零风层大气结构的观测结果

    Figure  9.  Observation results of quasi-zero wind layer in Xinzhou in Dec.2014 and Jan. 2015

    表  1  瑞利多普勒激光雷达主要参数

    Table  1.   Key parameters of Rayleigh Doppler lidar

    ParameterValue
    LaserWavelength/nm354.7
    Pulse duration/ns7
    Laser 1/e width/MHz200
    Energy/mJ350
    Repetition rate/Hz50
    TelescopeTelescope aperture/mm1 000
    Field of view/mrad0.09
    FPIPeak transmission60%
    FSR/GHz12
    FWHM/GHz1.7
    Edge channels separation/GHz5.1
    Locking-edge channel separation/GHz1.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-03
  • 修回日期:  2020-01-10
  • 刊出日期:  2020-03-01

我国中纬度地区多普勒激光雷达准零风层多季节观测与分析

doi: 10.3788/IRLA202049.0305004
    作者简介:

    王元祖(1993-),男,博士生,主要从事多普勒测风激光雷达系统方面的研究。Email:yz1w1@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 孙东松(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事测风激光雷达方面的研究。Email:sds@ustc.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金(41774193,41574180)
  • 中图分类号: TN958.98

摘要: 一台基于分子双边缘鉴频技术的车载瑞利多普勒激光雷达系统,于2014年至2016年先后在山西忻州(38.42°N 112.72°E)和甘肃酒泉(39.74°N 98.49°E)地区对平流层风场进行连续观测。观测结果表明:18~25 km范围内,酒泉春、秋季节以及忻州冬季均出现了准零风层大气结构,并伴有明显的上下浮动现象,该准零风层结构与2011年夏季新疆乌鲁木齐(42.1°N 87.1°E)多普勒激光雷达系统观测到的结果具有明显差异。分析认为:由于5月与10月处于短暂的季节过渡时期,中纬度地区平流层东风环流尚未稳定导致零风线的上下浮动;2015年1月忻州地区出现平流层准零风层与平流层爆发性增温有关。

English Abstract

    • Belmont等(1975)通过利用多种探测手段所获取到的风场数据对平流层风场进行研究发现在冬夏转换期间,纬向风风向会发生翻转,在东西风区之间存在较低风速的纬向风转换层[1];吕达仁等(2002)针对临近空间飞行器的特点,提出准零风层(Quasi-Zero Wind Layer, QZWL)的概念,指在平流层底部20 km高度附近的大气层中,上下层纬向风风向相反,同时南北风分量亦很小[2];肖存英等(2008)利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层特点及其随季节和地理位置的变化特征[3];陶梦初等(2012)同样对ERA-40再分析数据进行统计,并根据形成机制的不同将平流层准零风层划分为两类[4]。了解平流层风场变化规律以及确定预报准零风层出现的时间和高度范围,对于平流层中低速飞行的特殊飞行器的设计、试验和运行都具有十分重要的意义[5]。由于目前人们对大气风场观测数据不足,观测手段有限,国内针对准零风层的研究工作多是利用ECMWF等模式数据进行统计分析寻求规律,而实时观测数据将更有利于对风场规律的分析和准确预报平流层准零风层的变化。瑞利多普勒激光雷达以其能够提供实时高时空分辨率的风场信息这样的显著优势,正逐渐在特殊飞行器的环境保障以及临近空间大气探测中扮演越来越重要的角色[6]。基于此,多普勒激光雷达系统所观测到的风场数据对于准零风层的研究具有十分重要的参考价值。

      中国科学技术大学曾报道使用一台基于双边缘鉴频技术的多普勒激光雷达系统于2011年夏季在中国新疆乌鲁木齐地区观测到平流层准零风层大气结构[7-9];车载瑞利测风激光雷达是中国科学技术大学研制完成的又一套车载多普勒测风激光雷达系统,该系统可以利用空气分子后向散射信号探测15~60 km高度范围内的大气风场[10-11]。基于对该系统往年风场观测数据进行分析发现,于2014年冬季在山西忻州以及2015年秋季、2016年春季在甘肃酒泉地区均观测到在海拔20 km附近出现的平流层准零风层大气结构。文中首先对车载激光雷达系统进行介绍,之后对不同季节在不同地区观测到的准零风层特点及成因进行分析。

    • 车载多普勒激光雷达系统已有文章对其详细报道[10-11],在这里仅做简要介绍。该激光雷达系统由三个探测子系统组成:垂直指向测温子系统和两个斜指向望远镜仰角60°测风子系统。如图1(a)所示,三套子系统集成在两辆卡车上,用于观测15~60 km高度范围内大气风场、温度信息。所有子系统激光器均采用种子注入式Nd:YAG激光器(Continuum Powerlite 9050),基频波长1 064 nm,经过三倍频后,出射光脉冲波长354.7 nm,重复频率50 Hz,单脉冲能量350 mJ。脉冲光经过口径180 mm扩束器扩束18倍后射入大气以减小激光出射光束发散角,与大气中空气分子相互作用后的携带多普勒频移的瑞利散射回波信号由1 m口径的反射式卡塞格林望远镜所接收。回波信号光由芯径200 μm,数值孔径0.22的多模光纤导入光学接收机,后经过数据处理反演得到大气风场信息。

      图  1  多普勒激光雷达外场试验照片及测量原理图

      Figure 1.  Doppler lidar in experiment and detection principle of the lidar

      基于分子双边缘鉴频技术的可调谐式三通道Fabry-Perot标准具是光学接收机的核心器件,它可以将大气分子的后向散射信号中的多普勒频移转变为两个边缘通道的能量变化,测量原理如图1(b)所示。Fabry-Perot标准具是由两块平行的平板玻璃组成,透过率曲线具有陡峭的边缘,入射光的频率变化会使透射光发生较为明显的强度变化,通过PMT分别测量两个信号通道的光强,就可以反演出回波信号中的多普勒频移∆vd,其与径向风速VLOS(z)的关系为[12]

      $${V_{LOS}}({{z}}) = \frac{\lambda }{2}\Delta {\nu _{\rm{d}}}({{z}})$$ (1)

      式中:VLOS(z)表示径向风速;$\lambda $表示出射激光波长;∆vdz)表示多普勒频移。利用两个方向的径向风速,进而合成水平风速。

      该可调谐式三通道Fabry-Perot标准具还具有一个锁定通道,可通过调节标准具腔长使出射激光始终锁在该通道透过率曲线的半高位置,对具有抖动和飘移性的激光频率进行跟踪与锁定。表1列出了该系统的主要参数指标,多普勒激光雷达系统光路如图2所示。

      表 1  瑞利多普勒激光雷达主要参数

      Table 1.  Key parameters of Rayleigh Doppler lidar

      ParameterValue
      LaserWavelength/nm354.7
      Pulse duration/ns7
      Laser 1/e width/MHz200
      Energy/mJ350
      Repetition rate/Hz50
      TelescopeTelescope aperture/mm1 000
      Field of view/mrad0.09
      FPIPeak transmission60%
      FSR/GHz12
      FWHM/GHz1.7
      Edge channels separation/GHz5.1
      Locking-edge channel separation/GHz1.7

      图  2  瑞利多普勒激光雷达系统光路图

      Figure 2.  Schematic view of Rayleigh Doppler lidar optical setup

    • 车载瑞利多普勒激光雷达系统于2014年至2016年先后在我国忻州、酒泉等地进行了连续观测。观测期间与当地无线电探空仪所测得的风场数据进行比对以验证激光雷达系统的可靠性。该系统在15~40 km观测范围内距离分辨率为200 m,40 km以上高度范围距离分辨率为1 km,每30 min反演得到一组风廓线。忻州、酒泉两地比对试验中所使用的无线电探空仪距离分辨率、放球时间以及探测高度略有不同。风速、风向观测比对结果如图3所示,其中图(a1)、(a2)、(b1)、(b2)为忻州地区比对结果,图(c1)、(c2)、(d1)、(d2)为酒泉地区比对结果。图中蓝色线条代表无线电探空仪探测数据,红色为瑞利多普勒激光雷达系统观测数据。对以下4组比对试验结果进行分析,在15~22 km观测范围内,激光雷达系统测得的风廓线与无线电探空仪的结果变化趋势相近,风速最大偏差10.4 m/s,风向最大偏差26°,观测结果一致性较好。多次比对试验结果表明车载瑞利多普勒激光雷达系统性能稳定,测量数据准确可靠。

      图  3  忻州、酒泉地区对比试验观测结果

      Figure 3.  Observation results of comparative test in Xinzhou and Jiuquan area

    • 平流层准零风层(Quasi-Zero Wind Layer, QWZL)一般是指在平流层20 km高度附近的大气层,上下层纬向风风向相反,同时南北风分量亦很小[2]。车载多普勒测风激光雷达系统在忻州和酒泉地区进行风场观测期间均观测到准零风层大气结构。

    • 图4为激光雷达系统于2016年5月以及2015年10月在甘肃酒泉(39.74°N 98.49°E)进行大气风场探测获得的风速、风向连续风场分布(晴天夜间观测,时间分辨率30 min)。5月风场垂直分布如图4(a)、(c)所示,15~60 km范围内随着海拔的升高,风速出现先减小后增大的变化趋势。该月平流层底层以西风为主,20 km以上高度东南风成为主导风向。酒泉地区10月风场垂直分布如图4(b)、(d)所示,风速随高度变化趋势同样先减小后增大。10月中上旬出现平流层准零风层,对应风向呈现三层结构:20 km以下高度主导风向为西北风,20~32 km范围出现东风层,32 km以上高度西风占主导。10月下旬准零风层消失,15~60 km观测范围内主导风向为西风。车载多普勒测风激光雷达风场观测结果与该地区风场垂直分布规律相符。

      图5(a)(b)为激光雷达系统在酒泉5月和10月纬向风观测结果。准零风层特征明显,在图中表现为一条酒泉地区上空东西纬向风的交界线(白色零风线),准零风层下层的西风(红色表示)折转为上层的东风(蓝色表示),并且在对应高度层内经向风的数值很小(图未给出)。酒泉地处我国中纬度地区,准零风层的形成原因可以用热成风原理进行解释。在此引入对数压力系下的垂直坐标[4]

      图  4  2016年5月、2015年10月酒泉风场连续分布

      Figure 4.  Continuous distribution of wind field in Jiuquan in May. 2016 and Oct. 2015

      图  5  2016年5月、2015年10月酒泉地区准零风层大气结构的观测结果

      Figure 5.  Observation results of quasi-zero wind layer in Jiuquan in May. 2016 and Oct. 2015

      $$z = - Hp\ln (p/{p_s})$$ (2)

      式中:z为对数压力高度;高度H=RTs/g0R为干空气比气体常数,Ts为全球平均参考温度,g0为重力加速度;pps分别为气压和参考气压。在对数压力坐标系中,可导出对数压力坐标系下的热成风方程为[4]

      $$\frac{\partial \overline{{{u}_{g}}}}{\partial z}{=}-\frac{R}{f\cdot H}\cdot \frac{\partial \overline{T}}{\partial y}$$ (3)

      式中:f为科里奥利力参数;$ \overline{{{u}_{g}}}$为平均地转纬向风;$ \overline{T}$为两层大气间的平均温度;$\partial \overline T /\partial y$为平流层平均温度的纬向梯度分布。

      由公式(3)可知,平流层纬向风分布与对流层上部的风场和平流层平均温度的纬向梯度有关。平流层大气温度主要受到臭氧吸收紫外辐射增温的影响,中纬度地区纬圈平均温度梯度夏季是由低纬指向高纬(冬季相反),即$ \partial \bar{T}/\partial y>0$,则$ \partial \overline{{{u}_{g}}}/\partial z<0$。地转纬向风随高度的增加而减弱,直至某一高度处西风减弱为零甚至反向成为东风环流,形成准零风层,零风线下层为西风,上层为东风。甘肃酒泉5月平流层处于冬夏季转换时期,由于高低纬度热力状况的翻转,使该地区的热成风转为东风,准零风层大气结构出现。10月平流层处于西风环流逐渐恢复时期,如图4(b)所示,该月中上旬准零风层尚未消失,18日以后平流层西风环流盛行,准零风层消失。

      中国科学技术大学曾于2011年夏,在新疆乌鲁木齐(42.1°N 87.1°E)使用另一台多普勒激光雷达系统观测到准零风层大气结构[7-9],并且其观测结果和图5中所示的酒泉地区5月与10月出现的准零风层结构具有明显的差异。分别挑选了酒泉2016年5月、2015年10月以及乌鲁木齐2011年9月风场观测数据中的5天观测结果进行比较,如图6所示,其中红色线条表示每一天观测结果中零风线起始位置。根据图6(c)可以看出在乌鲁木齐夏季观测到的准零风层其底部高度稳定在18 km,并未出现较大范围的抖动,逐日变化幅度较小;而在图6(a)(b)中,酒泉地区5月与10月观测到的准零线均出现了明显的上下浮动,浮动范围在16~25 km。酒泉与乌鲁木齐地区准零风层成因均可用热成风原理进行解释,分析两地观测结果差异是由于观测季节不同所致。5月与10月是典型的短暂季节过渡时期,该时节中纬度地区平流层东风环流尚未稳定,造成零风线的上下浮动,根据图5可以看出零风层最大厚度未超过2 km;9月正值平流层东风环流盛行时期,零风线起始高度较低,清晰且稳定,准零风层厚度最大值可超过15 km[7],此观测结果符合夏季中纬度地区准零风层结构特征。综上所述,我国中纬度地区春、秋季节准零风层与夏季准零风层结构特点具有明显的不同。

      图  6  多季节零风线观测对比结果

      Figure 6.  Observation and comparison of zero wind line from multi-season

      ECMWF提供的再分析风场数据资料也是研究大气准零风层的有效手段,其分析结果表明[3-4]:我国中高纬地区(32.5°N~55°N)一般在5月初至10月底会出现准零风层结构。18~25 km高度范围内纬向风存在零风线,夏季最低,大约位于19 km,5月与10月零线位置较高,大约位于23 km,其高度随地理位置的不同稍有变化。夏季平流层底部风场相对稳定,逐日变化较小。乌鲁木齐和酒泉均属于中高纬度地区,中国科学技术大学使用瑞利多普勒测风激光雷达系统在该两地区所观测到的准零风层特征与ECMWF提供的再分析风场数据资料特征相吻合。

    • 2014年12月至2015年1月在山西忻州(38.42°N 112.72°E)进行大气风场观测获得的风速、风向连续风场分布如图7(a)、(b)所示(晴天夜间观测,时间分辨率30 min)。在15~60 km观测范围内风速呈现先减小后增大的变化趋势。12月下旬至1月上旬,风向呈现三层结构:15~22 km范围主导风向为西北风,22~35 km范围内为东风层,35 km以上主导风向变为西南风,海拔23 km附近出现平流层准零风层大气结构。在我国中纬度地区冬季观测到准零风层现象实属罕见,选取2014年12月28日以及2015年1月11日两晚激光雷达系统与当地无线电探空仪风场探测数据进行比对,以验证激光雷达系统准零风层观测结果的可靠性。无线电探空仪放飞场与激光雷达设备位置相同,车载多普勒激光雷达与无线电探空仪试验条件和环境基本一致,具备比对试验环境要求。两种观测方式获取的纬风向垂直分布如图8(a)(b)所示,图中蓝色线条代表无线电探空仪探测数据,红色为激光雷达系统观测数据。在低平流层区域(15~30 km),多普勒激光雷达与无线电探空仪纬向风垂直分布结果一致性较好,并且由图可知在12月28日晚准零风层出现区域位于23 km附近,1月11日晚准零风层在18 km附近出现。上述两次比对结果再次证明车载多普勒激光雷达系统风场观测数据准确可靠。

      图9为激光雷达系统在忻州地区冬季纬向风观测结果,纬向风垂直分布出现明显的准零风层结构特征:在海拔23 km高度附近风速基本为零(图中白色区域),零风线上层和下层纬向风风向相反。图中准零风层在18~25 km范围内出现上下浮动。通常情况下,冬季温度极大区约在北纬45°,并向极地和赤道方向递减,在中纬度地区纬圈平均温度梯度由高纬指向低纬,根据热成风原理[4],平流层冬季为强的西风环流,不会出现平流层准零风层现象。但是从图9可以看出,2014年冬季我国忻州地区出现了较为明显的准零风层,分析我国中纬度地区冬季出现准零风层大气结构成因可能与平流层爆发性增温事件(Stratospheric Sudden Warming, SSW)有关。平流层爆发性增温事件是指北半球平流层大气短时间内温度急剧增加并伴随环流结构突变的现象,在短期内可升高至40 ℃以上[13-14]。该现象主要发生在冬季极区平流层,但很多观测和模拟研究已经证实其对全球大气层都具有重要影响[15-16],而在2014年忻州冬季观测到的准零风层成因就有可能与此有关。在爆发性增温事件期间,平流层极涡发生强烈扰动或崩溃,高低纬度温度梯度发生翻转,从低纬指向高纬,结合热成风方程(3)可知地转纬向风随着高度的增加而减小,我国中纬度平流层高度处原有的西风环流减速并逆转为东风环流,形成准零风层。在图9中准零风层出现上下浮动现象表明由于特殊事件所引发的准零风层大气结构并不稳定。

      图  7  2014年12月、2015年1月忻州风场连续分布

      Figure 7.  Continuous distribution of wind field in Xinzhou in Dec. 2014 and Jan.2015

      图  8  准零风层激光雷达与无线电探空仪比对结果

      Figure 8.  Comparison between quasi-zero wind layer lidar and radiosonde observation

    • 基于可调谐三通道Fabry-Perot标准具的车载瑞利多普勒激光雷达系统于2014年至2016年先后在我国的山西忻州、甘肃酒泉等地进行了连续观测并观测到平流层准零风层大气结构。分析结果表明:(1)在15~60 km高度范围内,风场风速随着海拔升高出现先减小后增大的变化过程;(2)在16~25 km范围内,5月与10月酒泉地区均观测到准零风层,其上下纬向风风向相反,对应高度经向风速较小。该观测结果与2011年夏季新疆乌鲁木齐地区多普勒激光雷达系统所观测到的准零风层进行比较发现:夏季准零风层出现高度较低,准零风层底部高度稳定,风向分界线清晰;春、秋季节准零风层出现明显的上下浮动及厚度变化。分析成因,春、秋季节为短暂的冬夏季转换时期,中纬度地区平流层东风环流不稳导致准零风层出现上下浮动及厚度变化;夏季为平流层东风环流盛行时期,准零风层高度稳定且厚度最大值可超过15 km;(3) 2014年12月至2015年1月在山西忻州地区观测到准零风层,其观测结果与无线电探空仪探测结果一致。笔者认为,在我国中纬度地区冬季观测到准零风层与低概率发生的平流层爆发性增温事件有关。

      图  9  2014年12月、2015年1月忻州地区准零风层大气结构的观测结果

      Figure 9.  Observation results of quasi-zero wind layer in Xinzhou in Dec.2014 and Jan. 2015

      了解掌握平流层准零风层的特点及其变化特征,对于平流层大气环境的利用具有重要意义,车载多普勒激光雷达系统所观测到的风场数据对于准零风层的研究具有重要参考价值。文中基于多普勒激光雷达系统往年连续观测数据,对我国中纬度地区多季节观测到的准零风层成因及特点进行分析。但鉴于大气环境的复杂性,可能还存在其他影响因素需要进一步的讨论与研究,这将依赖于多普勒激光雷达系统未来更为丰富的大气风场观测数据。

参考文献 (16)

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