基于激光雷达资料反演的边界层高度和大气相关变量Word格式文档下载.docx

1、气象要素；统计相关性大气边界层乂称为行星边界层，为大气最底层直接受下垫面影响，与人类 关系最为密切的气层1,1 O III于大气边界层中的流体儿乎总是处于湍流状态，而 湍流输送是地面和大气之间进行动量、热量和水汽交换的主要渠道，因此该气 层是大气和地面之间进行物质和能量交换的桥梁。在边界层的硏究中，边界层 高度是研究者最关心的问题之一，特别是在边界层参数化问题、污染物扩散以 及边界层结构等问题中都是非常重要的参数|2小，而L1前没有直接测量边界层高 度的工具，获取主要依赖于其他资料。H前，激光雷达是探测对流层大气的一种有效手段，被广泛应用于大气气 溶胶、空气污染物、大气成分及云的研究，利用其探

2、测边界层高度的可行性已 被大量实验所证实。随着城市污染的加剧和对城市污染的日趋重视，以及激光雷 达探测能力的增强，激光雷达开始应用于城市边界层的探测金。同时，激光雷 达和传统的探测工具相比具有明显的优越性，相比于声雳达和气象塔，激光雷 达可以探测到更高的高度；相比于无线电探空仪和飞机平台，激光雷达可实现 长期的连续观测，并且具有更高的空间和时间分辨率，为边界层高度的准确反 演提供保证。值得注意的是，用激光雷达后向散射信号反演边界层高度，当有 云存在时，云内粒子对信号的衰减是很明显的，容易与边界层顶信号的衰减混 淆，从而使得准确判断边界层顶较为困难因此本文选取晴天无云天气进行 边界层高度的反演。

3、利用激光雷达探测边界层顶高度，都是基于激光雷达回波信号在边界层顶 处的快速衰减，通过查找衰减的最快高度就可以得到大气边界层高度。UiT常 用的激光雳达提取边界层高度的方法有梯度法18121,位温法小，干绝热法a】， 小波协方差变化法，标准偏差法【QB,曲线拟合方法RM。不同的反演方法 有着各自的优缺点，如梯度法仅在边界层变化比较明显时才能够得到比较准确 的结果，边界层变化缓慢或有低云存在时，很难准确查找边界层高度，且容易 受信噪比影响】；而位温法和干绝热法在有实际探空数据的地方才使用方便且 干绝热法求解的一般是当日最大混合层发展高度囚】；相对而言，曲线拟合法虽 然计算量大，但不容易受到信号局部

4、结构的影响，且对自身输入参数不敏感， 提取结果比较稳定，对于大量数据的批处理运算，曲线拟合法最为实用【221,基 于此，本文采用曲线拟合法反演白天边界层高度。同时，从理论上讲，大气边界层一般分为热力大气边界层和中性大气边界 层，但在实际地球大气中，中性大气边界层出现的机会很少，主要表现为热力 大气边界层特征。大气热力边界层在很大程度上山太阳辐射能量在陆面转化成 热能，加热地表并向大气和土壤传输的陆面过程决定。这其中，陆面辐射收支 形成的净辐射是陆面热能形成的基础，而其中的土壤热通量则是加热大气并支 持对流发展的主要能量来源。地表温度变化则反映的是净辐射对地表的加热效 果，是激发大气和对流产生的

5、重要外部强迫条件之一 Rio同时，净辐射取决于 地表向上、向下的短波辐射和长波辐射的辐射收支。在晴天的辐射平衡中，向 上长波辐射对净辐射贡献最大，向下短波辐射次之，向下长波辐射第三，向上 短波辐射最小【2叭 因此向上、下长波辐射、向上、下短波辐射、净辐射、热通 量、地表温度等均是影响大气热力边界层形成和发展的关键物理量，与边界层 高度有一定的相关性I25-28o此外，由于地表辐射能量分配和转化以及在大气中 的输送过程需要一定的响应时间129】等原因，边界层发展滞后于地表温度等物理 量的变化，不同滞后时间的边界层高度和大气相关物理量的相关性并不一致， 而訂前并没有对西北半干旱地区不同大气相关物理

6、量和不同滞后时间的边界层 高度相关性的统计分析研究。因此，本文将利用微脉冲激光雷达资料，选取42天晴天无云个例，应用曲 线拟合法反演边界层高度，并统汁不同滞后时间的边界层高度与地表温度、土 壤热通量、地表净辐射、地表气温、地表大气相对湿度，本站气压等大气物理 量的相关性，研究主要影响边界层高度发生、发展的气象因素；此外，本文还 统计了 5000m以下不同高度大气温度和边界层高度的相关性，研究了垂直方向 大气温度和边界层高度的相关性规律；最后，选取2007年7月16日和2008年 1月5日两个典型个例进行分析，通过边界层高度和各物理量的日变化特征， 具体分析各气象要素对边界层发展的影响及影响作用

7、在时间域的滞后性，为边 界层参数化及边界层高度同化提供依据。2资料和方法介绍2.1资料介绍本文所使用数据均来自于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）, 位于兰州大学榆中校区海拔1965.8米的萃英山顶上（35.95。2 104.14临）。 SACOL站的微脉冲激光雷达阳321 （MPL-4） Level 1.0记录从地面到高空20 km 范围的后向散射信号，观测波长为527 nm,空间分辨率为75 m,平均每30 min记录1组数据。用于和边界层高度统汁相关性的大气相关物理量厲-刑，根据地面观测天气 状况，选取2007年6月至2008年5月期间42天晴天无云天气下的数据资料。 其中，地

8、表气温、地表相对湿度均取地表上方2 m处的风塔观测资料；地表温 度取STP01-L 土壤温度廓线仪观测的地表下方2 cm处的土壤温度代替；土壤热 通量取HFP01SC-L热通量传感器观测的地表下方5 cm处的观测值；向下长波 辐射和短波辐射分别山带通风加热装置的CG4和CM21辐射传感器探测；地表 反射长波辐射和短波辐射分别III不带通风加热装置的CG4和CM21辐射传感器 探测得到，净辐射山地表向上、向下的短波辐射和长波辐射的辐射收支计算所 得；而本站气压的观测仪器为RPT410F-3143大气压力传感器。5000 m以下不 同高度大气温度由微波辐射讣昭（TP-WVP3000型）提供，100

9、0 m以下垂直分 辨率为100 m, 1000以上为250 m2. 2曲线拟合法山激光雷达接收器所接收到的散射回波信号，通过变换可得到激光雷达距 离平方校正信号P（r）r2,即：P（r）r2=ZCy（r）Z?（r）72（r） （1）其中，P0J为激光雷达接收到的高度处的大气后向散射回波功率 （W）；几为激光雷达发射的激光脉冲的峰值功率；丫（广）为激光雷达发射器和接 收器光路的儿何重叠系数：C为激光雷达系统常数（W.hn5.Sr）； 0（厂）为高度厂 处大气的后向总散射系数（如$产）；丁为大气总消光系数在0-厂高度上的 积分。曲线拟合法最早山steyn et al.（1999）,8$于激光雷达后

10、向散射信号的梯度提 出，原理是通过构建一个理想函数来拟合LI标曲线，即P（r）r2。当拟合曲线和 P（r）r2曲线最为吻合时，所对应的高度即为大气边界层高度。定义拟合函数为:2 2 s 丿 （2）其中，为误差函数，定义为：Bm,耳分别为混合层内和混合层以上区域P（r）r2的平均值，Z,”为混合层 厚度，s与混合层顶夹卷层的厚度相关。拟合函数的这四个变量的值通过求解 拟合函数8（尸）与目标函数P（r）r2之间的最小均方误差来确定。当均方误差达 到最小时，B0）与P（r）r2最为接近，此时所对应的J即为大气边界层高度。3边界层高度和大气相关变量统计关系表3为观测期间选择的比较适合反演边界层高度的日

11、期，该42天都为晴 天无云天气，大气能见度好，并且全天都有激光雷达数据以及完整的大气物理 量观测资料，无缺测情况。此外，选取的晴天对应的后向散射信号时空分布图 上的信号结构完整且明显，并且包含春夏秋冬四季，能够基本代表全年晴天的 大气状况。由于秋季阴天、降水天气多，且9月8日至9月30日的土壤热通量、 地表温度等大气物理量缺测，因而秋季选择的天数较少，但整体来看，对大气 物理量和对应时刻对流边界层高度的相关性的统讣分析不会造成很大影响。表3.1 2007年6月至2008年5月期间挑选的适合反演日期6 7 8 H 12 1 2 3 4 5n丿J115142019591622283130）J月24

12、2131361125261724273. 1气象要素和不同滞后时间边界层高度的相关性统计一般将大气边界层分为口天的对流边界层和夜晚的稳定边界层。丁辉1血等 人研究表明，西北地区，日出前，边界层比较稳定，混合层很浅；08:00之后， 夜晚形成的稳定逆温层被打破，混合层开始缓慢增加，10:00左后混合层开始迅 速发展以致残余层被完全破坏，大气开始充分混合，大气边界层转为混合层。 赵世强等人的研究也表明，SACOL站的边界层高度在17:00左右达到最高并 可维持到18:00；因此，本文选取10:00-18:00的每隔30 min的由激光雷达后向 散射信号反演的边界层高度，以及与该时间段同步、超前一小

13、时、两小时、三 小时、四小时的地表温度等气象要素，分别组成42*17的时间序列，并统计不 同滞后时间的边界层高度和不同气象要素的相关性。此外，在垂直方向上统计 了白天不同时刻不同高度大气温度和对应时刻边界层高度的相关性。表3.2为 10:00 的边界层高度和 10:00、09:00-17:00 0&00-16:00、07:00- 15:00、06:00-14:00的地表温度、地表气温、土壤热通量等气象要素的相关性统 计结果。山表3.2可见，在所有大气相关物理量中，与太阳辐射强度相关的地表温 度、地表净辐射、土壤热通量以及地表气温等气象要素与对流边界层高度的相 关性更为显著：地表温度、地表气温、土壤热通量和对流边界层高度的Pearson 相关系数基本都在0.60以上，均在0.01水平上显著相关；同时，与边界层高度 相关性最为显著的并非是同时期的热力因子。滞后2 h的边界层高度与地表温 度、土壤热通量的Pearson相关系数达到最大，分别达到0.693、0.685；其次是 滞后1 h的边界层高度和地表气温的相关性较好，相关系数达0.677。而对于地 表的向上、向下的长波、短