純轉動測溫激光雷達

大氣溫度測量的意義

大氣溫度是大氣探測中最重要的物理參量之一，溫度場是大氣波動的能量來源之一，它對研究氣象變化、氣候變化和高層大氣波動等具有極其重要的作用。

大氣溫度測量方法

大氣溫度的測量方法一般來說有以下幾種：

局地測量

被動測量

主動測量

局地測量包括地面氣象站，探空氣球和火箭等。這樣的探測方面的局限性很大，地面氣象站不能得到溫度的高度變化信息，探空氣球的時間解析度太低（正常的觀測站點一天釋放兩個探空氣球）且探測高度有限制（40公里以下）而火箭作為非常規觀測手段成本太高。

**地面氣象站（包含測溫濕，風速，太陽輻射等功能）**

**無線電探空儀**

被動測量包括微波輻射計。但是微波輻射計不能因為太陽背景的干擾，很難覆蓋高層大氣區域（>30km）。

**微波輻射計**

主動測量主要包括GPS掩星探測和激光雷達探測。GPS掩星探測需要作許多假設，且不能實現固定區域的實時測量。激光雷達能夠結果所有以上的不足，能夠得到全天時、大範圍、高時空解析度的大氣溫度信息。

基於激光雷達的大氣溫度探測的理論方法有如下六種

我們主要討論目前應用最廣泛的基於純轉動拉曼信號的大氣溫度探測方法。

基於純轉動拉曼線的大氣溫度測量

由入射激光激發的大氣分子（氧分子和氮分子）的純轉動拉曼信號的高階（遠離中心波長）部分和低階部分（靠近中心波長）對溫度的敏感性是相反的

**純轉動拉曼譜線對溫度的依賴關係（入射光波長532nm）**

通過分別探測對溫度較為敏感並且信號較強，且變化關係相反的兩支信號來計算真實的大氣溫度。

**圖中實線圈住的部分為對溫度正依賴關係的高階譜線；虛線圈住的為對溫度負依賴關係的低階譜線**

純轉動拉曼激光雷達

因為純轉動拉曼譜線之間的間隔非常近（

目前常用的提取方法有三種：

窄帶濾光片

雙光柵系統

窄帶濾光片配合F-P干涉儀

三種方法中，目前應用起來最方便和穩定的是窄帶濾光片系統。

目前的光學工藝可以製作峰值透過率極高（>80％）且帶寬極窄（

以下是武漢大學中高層大氣實驗室純轉動拉曼激光雷達的測量結果：

相關參考

Weitkamp, C. ed., 2006. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere (Vol. 102). Springer Science & Business.

http://radiosondemuseum.org/what-is-a-radiosonde/

https://physik-meteorologie.uni-hohenheim.de/83217

http://mea.com.au/soil-plants-climate/weather/weather-stations

http://radiometer-physics.de

Behrendt, A. and Reichardt, J., 2000. Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator. Applied Optics, 39(9), pp.1372-1378.

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