在氣象與大氣環境監測中激光雷達的應用淺談

李揚

【摘 要】現階段，隨著科技地迅速發展和進步，我國氣象和大氣環境監測在以往傳統監測技術的基礎上融入了現代先進的激光雷達技術，不僅使以往傳統監測技術的優勢得以保留下來，還充分發揮了激光雷達技術的優點，對氣象研究和大氣環境監測的發展具有十分重要的促進作用。筆者先是從激光雷達的結構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;大氣環境監測;氣象研究;類型;應用

一、激光雷達的結構與分類

激光雷達系統其是由激光發射、接收、采集和控制回波信號等共同構成的，激光探測主要是利用激光束和大氣有關物質間發生的相互作用而形成回波信號的。而激光雷達主要是發身激光束使其與大氣層中的物質發生相互作用，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，在大氣環境監測中發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，有效地節約了大氣環境監測所需成本投入。另外，而固體激光則主要用于大氣環境中的氣溶膠、霧及相關有害氣體成分等監測。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，這一系統主要運用的激光波長為532nm，并經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階段，隨著我國科技地不斷發展和進步，大氣環境和氣象研究有關設備實現了不斷地更新替換，其主要以以往傳統微波雷達技術為基礎，再融合現代新技術而設計出現代激光雷達，并成本將其運用到氣象和大氣環境作中。

二、探析激光雷達在氣象與大氣環境監測中的應用

（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，想要實現對邊界層的變化進行方便快捷、準確且高效地進行監測，就需要通過激光雷達技術來實現。激光束可以使其與邊界層有關物質發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、邊界層進行監測。在我國，許多地區實施了針對氣溶膠、邊界層監測的監控機制，構建了雙波長篇振雷達觀測網。激光雷達與以往傳統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勢。

（二）在溫度方面的探測

在氣象環境中，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測時，也需要采用激光雷達技術來進行，有研究表明，現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就是激光雷達系統，其與其他探測技術相對比有著極大的應用優勢，激光雷達是一種現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。現階段，激光雷達探測技術在大氣通風度監測過程中已經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，在傳統意義上主要是對風度的大小進行探測，并不能實現對風力值、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容，隨著激光雷達技術的不斷發展和進步，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測是十分必要的。在以往的風險監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測效果，而現代激光雷達技術的應用很好地彌補了以往傳統風力監測的缺陷問題，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境監測工作的順利開展，國際方面關于大氣環境與氣象狀況的研究力度正在不斷加從，且在全球范圍內構建了許多地基雷達觀測網，以便更好地對全球大氣環境和氣象的情況進行有效地評估，以實現對臺風、地震和洪水等災害進行及時有效地監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，盡可能降低經濟損失和人員傷亡。

三、結束語

綜上所述，隨著現代科技地迅速發展和進步，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展。在氣象和大氣環境監測方，激光雷達技術發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，對氣象和大氣環境監測系統的安全、穩定運行有著極為重要的現實意義。

參考文獻：

[1]柴文軒，王帥，尤洋，侯玉婧，張天舒，王界.基于激光雷達的北京一次典型污染過程分析[J].量子電子學報，2019，36（1）：93-100.

[2]祖彪.環境監測多重顆粒物激光雷達應用研究[J].綠色科技，2018（10）：122-124.

[3]陳楠，徐寶東，張瑜，毛飛躍，祝波，田一平.激光雷達在湖北大氣環境監測中的應用[J].中國環境監測，2019，35（2）：142-149.

（作者單位：昌吉回族自治州環境監測站）