李揚(yáng)

【摘 要】現(xiàn)階段，隨著科技地迅速發(fā)展和進(jìn)步，我國氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測在以往傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上融入了現(xiàn)代先進(jìn)的激光雷達(dá)技術(shù)，不僅使以往傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢得以保留下來，還充分發(fā)揮了激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)氣象研究和大氣環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展具有十分重要的促進(jìn)作用。筆者先是從激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和分類著手展開了分析，進(jìn)而從氣溶膠與邊界層探測、溫度探測、大氣能見度以及風(fēng)的探測等方面的應(yīng)用作出詳細(xì)的探討。

【關(guān)鍵詞】激光雷達(dá);大氣環(huán)境監(jiān)測;氣象研究;類型;應(yīng)用

一、激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)與分類

激光雷達(dá)系統(tǒng)其是由激光發(fā)射、接收、采集和控制回波信號(hào)等共同構(gòu)成的，激光探測主要是利用激光束和大氣有關(guān)物質(zhì)間發(fā)生的相互作用而形成回波信號(hào)的。而激光雷達(dá)主要是發(fā)身激光束使其與大氣層中的物質(zhì)發(fā)生相互作用，進(jìn)而將其作用后向散射信號(hào)所傳遞信息作進(jìn)一步分析和處理，并從中獲取相關(guān)大氣物理要素。由于不同的物質(zhì)有其自身的特性，進(jìn)而可以將激光雷達(dá)劃分為氣體、半導(dǎo)體以及固體等類型，其中一氧化碳激光雷達(dá)是一種極為常見的氣體類激光達(dá)，通常處于大氣紅外小段，在大氣環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮著十分重要的作用。半導(dǎo)體激光雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用過程中成本較低，有效地節(jié)約了大氣環(huán)境監(jiān)測所需成本投入。另外，而固體激光則主要用于大氣環(huán)境中的氣溶膠、霧及相關(guān)有害氣體成分等監(jiān)測。從探測機(jī)制來進(jìn)行劃分，激光雷達(dá)又可以分為其他不同的類型，其中較為常見的有瑞利—拉曼—米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要運(yùn)用的激光波長為532nm，并經(jīng)過全反鏡垂直向上往大氣層射入，其回波信號(hào)主要有532nm高層瑞利散射、532nm低層米散射和607nm拉曼散射等信號(hào)。現(xiàn)階段，隨著我國科技地不斷發(fā)展和進(jìn)步，大氣環(huán)境和氣象研究有關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了不斷地更新替換，其主要以以往傳統(tǒng)微波雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，再融合現(xiàn)代新技術(shù)而設(shè)計(jì)出現(xiàn)代激光雷達(dá)，并成本將其運(yùn)用到氣象和大氣環(huán)境作中。

二、探析激光雷達(dá)在氣象與大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

（一）在氣溶膠、邊界層方面的探測

由于氣溶膠能夠吸收和散射太陽輻射，所以其對(duì)全球氣候有著極大的影響。所謂邊界層主要是指大氣邊界層，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層的變化進(jìn)行方便快捷、準(zhǔn)確且高效地進(jìn)行監(jiān)測，就需要通過激光雷達(dá)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。激光束可以使其與邊界層有關(guān)物質(zhì)發(fā)生一定的相互作用和影響，關(guān)使之形成回波信號(hào)，這對(duì)空氣污染物擴(kuò)散、傳輸、污染物預(yù)報(bào)等有著極為重要的價(jià)值和作用。我們知道，在全球氣候變化中，氣溶膠是其中一項(xiàng)極為重要的要素。隨著現(xiàn)階段全球氣象問題的不斷突顯，世界各國紛紛使用激光雷達(dá)技術(shù)來對(duì)大氣中氣溶膠的狀態(tài)進(jìn)行探測，特別是在黃沙、霧霾和沙塵等方面取得了較好的研究和探索，通過激光雷達(dá)技術(shù)可以簡便地對(duì)反向信號(hào)進(jìn)行接收，從而實(shí)時(shí)有效地對(duì)氣溶膠、邊界層進(jìn)行監(jiān)測。在我國，許多地區(qū)實(shí)施了針對(duì)氣溶膠、邊界層監(jiān)測的監(jiān)控機(jī)制，構(gòu)建了雙波長篇振雷達(dá)觀測網(wǎng)。激光雷達(dá)與以往傳統(tǒng)的微波雷達(dá)技術(shù)相對(duì)比，在氣溶膠和邊界層的測量上，無論是在高度還是垂直跨度方面都有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢。

（二）在溫度方面的探測

在氣象環(huán)境中，溫度是一個(gè)極為重要的參考度量，同時(shí)，也是天氣播報(bào)工作中不可或缺的氣象元素。在對(duì)大氣溫度進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，也需要采用激光雷達(dá)技術(shù)來進(jìn)行，有研究表明，現(xiàn)今的激光雷達(dá)溫度探測大多都是通過瑞利散射來完成的，其主要是經(jīng)過全反鏡垂直向上往大氣進(jìn)行射入。但瑞利散射激光雷達(dá)不適合應(yīng)用到低空測量中，這主要是由于在30千米之下的高度存在著許多氣溶膠，這些氣溶膠會(huì)對(duì)瑞利散射產(chǎn)生干擾影響。另外，拉曼激光雷達(dá)同樣也可以應(yīng)用到溫度的探測工作中，這種拉曼激光雷達(dá)又有振動(dòng)性和轉(zhuǎn)動(dòng)型之分，當(dāng)然，這兩種不同類型的拉曼激光雷達(dá)均可以用來探測氣象溫度。

（三）在大氣能見度方面的探測

就目前來看，較為常用的能見度探測系統(tǒng)就是激光雷達(dá)系統(tǒng)，其與其他探測技術(shù)相對(duì)比有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢，激光雷達(dá)是一種現(xiàn)代新型的大氣探測技術(shù)，其主要是利用激光事和大氣進(jìn)行相互作用而形成光輻射信號(hào)，進(jìn)而對(duì)大氣能見度進(jìn)行確定，從而得以對(duì)大氣能見度作出準(zhǔn)確的判斷?，F(xiàn)階段，激光雷達(dá)探測技術(shù)在大氣通風(fēng)度監(jiān)測過程中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，這對(duì)于人們的日常生活工作的出行帶來了極大的便利。

（四）在風(fēng)方面的探測

關(guān)于風(fēng)的探測來講，在傳統(tǒng)意義上主要是對(duì)風(fēng)度的大小進(jìn)行探測，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力值、風(fēng)向進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷。風(fēng)力在氣象研究中是一項(xiàng)十分重要的組成內(nèi)容，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)力探測也取得了較大的進(jìn)步。而風(fēng)力的大小，對(duì)人們的出行安全有著極為重要的影響，特別是在飛機(jī)、輪船等交通工具的運(yùn)行過程中影響不容忽視。所以，對(duì)機(jī)場氣流、輪船射線等相關(guān)地方進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測是十分必要的。在以往的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測中由于受到技術(shù)方面的制約極易受空氣湍流的影響而導(dǎo)致風(fēng)力監(jiān)測效果，而現(xiàn)代激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用很好地彌補(bǔ)了以往傳統(tǒng)風(fēng)力監(jiān)測的缺陷問題，可以精準(zhǔn)地對(duì)風(fēng)力、風(fēng)向進(jìn)行有效地探測，這在一定程度上保障了人們的出行安全，給人們的出行帶來了極大的便捷。因此，為了更好地確保氣象研究和大氣環(huán)境監(jiān)測工作的順利開展，國際方面關(guān)于大氣環(huán)境與氣象狀況的研究力度正在不斷加從，且在全球范圍內(nèi)構(gòu)建了許多地基雷達(dá)觀測網(wǎng)，以便更好地對(duì)全球大氣環(huán)境和氣象的情況進(jìn)行有效地評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)、地震和洪水等災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)有效地監(jiān)控并傳達(dá)和反饋相關(guān)信息，使人們得以及時(shí)做好相關(guān)應(yīng)急防護(hù)措施，盡可能降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

三、結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技地迅速發(fā)展和進(jìn)步，激光雷達(dá)技術(shù)也在不斷地進(jìn)步和完善，正躺著精細(xì)化和精確化道路發(fā)展。在氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測方，激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)揮著十分重要的價(jià)值和作用，且隨著該技術(shù)地不斷推廣和廣泛應(yīng)用，對(duì)氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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（作者單位：昌吉回族自治州環(huán)境監(jiān)測站）