在氣象與大氣環(huán)境監(jiān)測中激光雷達的應用淺談

李揚

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

【關鍵詞】激光雷達;大氣環(huán)境監(jiān)測;氣象研究;類型;應用

一、激光雷達的結(jié)構(gòu)與分類

激光雷達系統(tǒng)其是由激光發(fā)射、接收、采集和控制回波信號等共同構(gòu)成的，激光探測主要是利用激光束和大氣有關物質(zhì)間發(fā)生的相互作用而形成回波信號的。而激光雷達主要是發(fā)身激光束使其與大氣層中的物質(zhì)發(fā)生相互作用，進而將其作用后向散射信號所傳遞信息作進一步分析和處理，并從中獲取相關大氣物理要素。由于不同的物質(zhì)有其自身的特性，進而可以將激光雷達劃分為氣體、半導體以及固體等類型，其中一氧化碳激光雷達是一種極為常見的氣體類激光達，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。半導體激光雷達在實際應用過程中成本較低，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、霧及相關有害氣體成分等監(jiān)測。從探測機制來進行劃分，激光雷達又可以分為其他不同的類型，其中較為常見的有瑞利—拉曼—米散射激光雷達系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要運用的激光波長為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?，F(xiàn)階段，隨著我國科技地不斷發(fā)展和進步，大氣環(huán)境和氣象研究有關設備實現(xiàn)了不斷地更新替換，其主要以以往傳統(tǒng)微波雷達技術為基礎，再融合現(xiàn)代新技術而設計出現(xiàn)代激光雷達，并成本將其運用到氣象和大氣環(huán)境作中。

二、探析激光雷達在氣象與大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用

（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，想要實現(xiàn)對邊界層的變化進行方便快捷、準確且高效地進行監(jiān)測，就需要通過激光雷達技術來實現(xiàn)。激光束可以使其與邊界層有關物質(zhì)發(fā)生一定的相互作用和影響，關使之形成回波信號，這對空氣污染物擴散、傳輸、污染物預報等有著極為重要的價值和作用。我們知道，在全球氣候變化中，氣溶膠是其中一項極為重要的要素。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技術來對大氣中氣溶膠的狀態(tài)進行探測，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，通過激光雷達技術可以簡便地對反向信號進行接收，從而實時有效地對氣溶膠、邊界層進行監(jiān)測。在我國，許多地區(qū)實施了針對氣溶膠、邊界層監(jiān)測的監(jiān)控機制，構(gòu)建了雙波長篇振雷達觀測網(wǎng)。激光雷達與以往傳統(tǒng)的微波雷達技術相對比，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，溫度是一個極為重要的參考度量，同時，也是天氣播報工作中不可或缺的氣象元素。在對大氣溫度進行監(jiān)測時，也需要采用激光雷達技術來進行，有研究表明，現(xiàn)今的激光雷達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行射入。但瑞利散射激光雷達不適合應用到低空測量中，這主要是由于在30千米之下的高度存在著許多氣溶膠，這些氣溶膠會對瑞利散射產(chǎn)生干擾影響。另外，拉曼激光雷達同樣也可以應用到溫度的探測工作中，這種拉曼激光雷達又有振動性和轉(zhuǎn)動型之分，當然，這兩種不同類型的拉曼激光雷達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)就是激光雷達系統(tǒng)，其與其他探測技術相對比有著極大的應用優(yōu)勢，激光雷達是一種現(xiàn)代新型的大氣探測技術，其主要是利用激光事和大氣進行相互作用而形成光輻射信號，進而對大氣能見度進行確定，從而得以對大氣能見度作出準確的判斷?，F(xiàn)階段，激光雷達探測技術在大氣通風度監(jiān)測過程中已經(jīng)得到了較為廣泛的應用，這對于人們的日常生活工作的出行帶來了極大的便利。

（四）在風方面的探測

關于風的探測來講，在傳統(tǒng)意義上主要是對風度的大小進行探測，并不能實現(xiàn)對風力值、風向進行精準地判斷。風力在氣象研究中是一項十分重要的組成內(nèi)容，隨著激光雷達技術的不斷發(fā)展和進步，風力探測也取得了較大的進步。而風力的大小，對人們的出行安全有著極為重要的影響，特別是在飛機、輪船等交通工具的運行過程中影響不容忽視。所以，對機場氣流、輪船射線等相關地方進行風險監(jiān)測是十分必要的。在以往的風險監(jiān)測中由于受到技術方面的制約極易受空氣湍流的影響而導致風力監(jiān)測效果，而現(xiàn)代激光雷達技術的應用很好地彌補了以往傳統(tǒng)風力監(jiān)測的缺陷問題，可以精準地對風力、風向進行有效地探測，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)建了許多地基雷達觀測網(wǎng)，以便更好地對全球大氣環(huán)境和氣象的情況進行有效地評估，以實現(xiàn)對臺風、地震和洪水等災害進行及時有效地監(jiān)控并傳達和反饋相關信息，使人們得以及時做好相關應急防護措施，盡可能降低經(jīng)濟損失和人員傷亡。

三、結(jié)束語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技地迅速發(fā)展和進步，激光雷達技術也在不斷地進步和完善，正躺著精細化和精確化道路發(fā)展。在氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測方，激光雷達技術發(fā)揮著十分重要的價值和作用，且隨著該技術地不斷推廣和廣泛應用，對氣象和大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行有著極為重要的現(xiàn)實意義。

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（作者單位：昌吉回族自治州環(huán)境監(jiān)測站）