地基遥感联合反演大气边界层高度与ERA5再分析资料比对分析

利用北京国家综合气象探测试验基地超大城市观测试验建设的地基垂直遥感设备(激光气溶胶雷达、微波辐射计及风廓线雷达),使用2021年5—8月的观测资料,根据不同设备的探测优势以及边界层的日变化规律,利用激光气溶胶雷达、微波辐射计、风廓线雷达观测资料进行联合反演,得到全天候大气边界层高度。并将联合反演所得的边界层高度与探空资料计算及ERA5再分析资料提供的全天候大气边界层高度进行比较,发现:联合反演边界层高度与ERA5数据提供的大气边界层高度有较好的一致性;激光气溶胶雷达适用于白天对流边界层的观测,微波辐射计适用于夜间稳定边界层的观测,使用微波辐射计与风廓线雷达联合反演大气边界层高度可以改善弱降雨时单设备的反演结果;联合反演的大气边界层高度结果与单设备反演大气边界层高度均符合大气边界层的日变化规律;得到的联合反演边界层高度与探空数据计算得到的大气边界层高度差值的标准偏差为62 m,相较于ERA5数据提供的一定范围内大气边界层高度均值,联合反演边界层高度能更精准地反映更小范围内的大气边界层高度。     

相干多普勒测风激光雷达反演厦门市风场及边界层高度的可靠性分析

利用2019年11月5日至12月13日厦门国家高空气象观测站的无线电探空仪数据和同期布设的多普勒测风激光雷达资料,对比分析二者的风速风向和通过梯度法反演的边界层高度。结果表明:(1)风速和风向的决定系数R~2分别达到0.91和0.98,一致性良好,450～1300 m高度范围内,对比效果最佳;(2)利用探空数据的温度廓线和测风激光雷达的雷达回波强度信号通过梯度法分别反演边界层高度,二者一致性很高,只是在边界层出现急流、云层和明显的污染等复杂情况时,探空数据反演的结果会明显大于测风激光雷达;(3)在出现降雨时,雷达探测高度明显降低,无法有效反演边界层高度。测风激光雷达不仅可以满足边界层内风场的精细化连续探测,也可以反演边界层高度。     

名山站探空资料与风廓线雷达资料的对比分析

应用四川省名山站2015~2017年6月21日~7月31日每日四个时次的西南涡加密探空资料与风廓线雷达资料,对比分析了在对流层低层风探测上两种资料的差异。结果表明:名山站风廓线雷达资料有效探测高度约为4200m;风廓线雷达和探空测得的风场廓线形状总体接近,两者的风速偏差较小,仅在个别层次和时次偏差大,风速的偏差大小与风廓线风速大小存在正相关关系,除少数情况外风廓线雷达测得的风速均大于探空;两者风向差值随高度的变化规律与风速相反,在中高层较小,低层较大;除01:15时次的500m高度外,其余时次自低层到高层两者观测到的主风向均由偏东北风变为偏西南风,一致性较好;U风和V风散点分布主要沿对角线呈棒槌型,V风质量优于U风,19:15这一时次的风廓线雷达探测U风相对探空资料存在明显系统性正偏差;风廓线雷达探测高度受降水影响较大,在07:15和13:15时次有降水时其探测高度明显高于无降水时。      

乌鲁木齐风廓线雷达探测能力评估

利用乌鲁木齐市2011年12月—2013年3月CFL-03风廓线雷达的风探测数据与同期的常规探空数据,对风廓线雷达探测数据的可靠性和探测能力给予了评估。结果表明,受乌鲁木齐四季不同的气候背景影响,风廓线雷达的数据获取率在夏季最高,在冬季最低,80%的数据获取率等值线在夏季、冬季各自达到的高度分别为4500 m和1980 m;240 m以下风廓线雷达探测的风速误差较大,240 m以上风廓线雷达四季探测的风速普遍小于实况,误差在-1~0 m/s之间的出现频率最高,介于28.8%~31.8%,且最大频率在四季出现的高度有所差异,总体来看夏季风速误差相对较小;风向误差总体在-22.5°~0°之间的出现频率最高,且随着高度增加频率增加;风廓线雷达对风速的探测能力优于风向,二者与实况的相关系数各自为0.9左右和0.6~0.8;通过对长时间序列的风速、风向资料的比较,说明风廓线雷达能够较为准确地反映冬季天气过程的演变,且能够较为精细地刻画夏季短时强降水天气过程中高低空气流的变化特点。在综合考虑低空地物回波、探测盲区因素以及高空气球探空飘移等多种因素影响的情况下,可见风廓线雷达对乌鲁木齐大气环境和天气过程拥有较可靠的监测能力。     

夏季不同天气条件下风廓线雷达探测精度分析

利用2016年6—8月沈阳地区TWP8-L型风廓线雷达观测资料,判断大气的均匀性,计算风廓线雷达的探测精度,并与探空气球的观测资料进行对比分析,得到晴空和不同降水条件下的风廓线雷达探测精度随高度的变化情况。研究结果表明,1000m高度以下风廓线雷达的探测精度较高。在无降水和均匀降水条件下,风廓线雷达的水平探测范围内大气均匀稳定,东西波束和南北波束测得的径向风对称性较好,(U_W-U_E)和(V_S-V_N)的平均差和标准差值较小;与GTS1型探空仪风速精度相差小于2.9m/s,两者相关性较好,风廓线雷达探测水平风的准确性较高。在探测范围不均匀的降水条件下,大气在风廓线雷达的水平探测范围内不均匀,东西波束和南北波束测得的径向风的对称性较差,垂直速度变化差异较大;U_W-U_E和V_S-V_N平均差和标准差值较大;与GTS1型探空仪风速精度相差大于2.0m/s,两者相关性较差,风廓线雷达探测水平风的准确性较低,需要进一步改进算法,改善数据质量,提高探测性能。     

科尔沁边界层风廓线雷达探测性能评估

利用2016～2017年科尔沁边界层风廓线雷达每6min的风场资料评估雷达探测性能,主要针对风廓线雷达数据获取率、风廓线雷达与常规探空探测风的相关性等进行了分析。结果表明：风廓线雷达平均数据获取率随高度的增加先增大后减小,3000米以下平均数据获取率都在60%以上。雷达探测数据存在日出后数据缺测率高,午后缺测率低的变化趋势。各层数据获取率与气温和比湿的相关系数分别在0.45和0.35左右。对比风廓线与常规高空探测数据发现：二者v分量的相关系数大于u分量；各高度层中400米到1900米的u分量的相关系数在0.4以上,500米到3400米的v分量的相关系数都在0.6以上；风廓线雷达与常规探空数据u分量相关系数随风速的增大时而减小,从春季到冬季u、v分量相关系数都呈减小趋势。各个季节中风廓线雷达与常规探空数据风速平均偏差春季最小、冬季最大。     

闽北地区边界层移动风廓线雷达对比试验评估

为了更好地把握风廓线雷达的探测性能和数据精度,对移动风廓线雷达与L波段探空雷达资料进行对比统计分析,结果表明：移动风廓线雷达的有效数据获取率达到80％的高度为3500m,符合边界层风廓线雷达的有效探测高度。移动风廓线的径向速度平均差和标准差随着高度的增加而增加,东西方向的径向速度误差比南北方向的高约0．5—1．0m／s。风廓线雷达自身数据的准确性良好,但是降雨对数据的准确性影响比较大。这次对比试验结果表明,对比试验应该选择比较平稳的天气过程。由于秋冬季节大气环流比较稳定,降雨类型多为层状云降雨,因而风廓线雷达数据可靠性高;对流性降雨过程往往造成风廓线雷达资料可靠性降低。     

广州地区旱季一次典型灰霾过程的特征及成因分析

通过研究2009年11月广州市气溶胶颗粒物质量浓度(PM10、PM2.5、PM1)、黑碳浓度、散射系数(Scatter)等大气成分要素,以及微波辐射计、激光雷达及风廓线雷达所探测的风、温、湿等边界层结构,统计分析广州旱季一次典型灰霾过程(2009年11月23—29日)中气溶胶颗粒物及其光学特性的时空变化特征,并配合天气形势背景、边界层结构对其形成原因进行详细分析。在典型灰霾过程中,黑碳浓度高达58.7μg/m3,散射系数高达1 902.7 Mm-1,PM10浓度高达423.5μg/m3,PM2.5浓度高达355.7μg/m3,PM1浓度高达286.5μg/m3。通过对同期的气象条件分析表明在广州地区旱季,区域性污染过程,特别是灰霾天气的形成具有以下三种气象条件:大气边界层高度较低;高压变性出海的天气形势与之密切相关;在偏东和偏南气流带来的高湿度环境下,气溶胶吸湿增长效应显著,导致出现严重灰霾天气。     

乌鲁木齐风廓线雷达的探测能力评估

利用2011年12月~2013年3月CFL－03型风廓线雷达在乌鲁木齐市的风探测数据与同期的常规探空数据开展了比对分析,从而对风廓线雷达探测数据的可靠性和探测能力给予了评估。结果表明,受乌鲁木齐四季不同的气候背景影响,CFL－03型风廓线雷达的数据获取率在夏季最高,在冬季最低,80%的数据获取率等值线夏季、冬季各自达到的高度分别为4500m和1980m;受低空地物回波、探测盲区等因素影响,240m以下风廓线雷达探测的风速误差较大,240m以上风廓线雷达四季探测的风速普遍小于实况,误差在-1~0m/s之间的出现频率最高,介于28.8%~31.8%,且在四季最大频率出现的高度有所差异,总体来看夏季风速误差相对较小;风向误差总体在-22.5°~0°之间的出现频率最高,且随着高度增加频率增加;风廓线雷达风速的探测能力优于风向,二者与实况的相关系数各自为0.9左右和0.6~0.8;通过长时间序列的风速、风向资料的比较,说明CFL－03型风廓线雷达能够较为准确地反映冬季天气过程的演变,且能够较为精细地刻画夏季短时强降水天气过程中高低空气流的变化特点。在综合考虑低空地物回波、探测盲区因素以及高空气球探空飘移等多种因素影响的情况下,可见CFL－03型风廓线雷达对乌鲁木齐大气环境和天气过程拥有较可靠的监测能力。     

不同台风降水强度下风廓线雷达适用性

以2019年8月在浙江舟山对1909号超强台风“利奇马”的移动观测试验为基础,利用同一地点释放的9次GPS探空气球,对比了风廓线雷达和多普勒激光测风雷达与GPS探空的吻合程度,并利用车载雨滴谱仪对风廓线雷达在不同台风降水强度下的适用性进行了研究。结果表明,在100~300 m高度范围内激光测风雷达观测风速比风廓线雷达更准确。由水平风速对比结果可知,风廓线雷达在3~4 km高度范围内偏差最小(3.59 m/s),相关性最高(0.86),而在1 km高度下偏差最大(6.39 m/s),相关性最低(0.54);在中雨及大雨条件下适用性最差,最大风速偏差约为18 m/s。由水平风向对比结果可知,风廓线雷达与GPS探空总体上吻合较好,相关系数均大于0.85,均方根偏差均小于11 °。另外,降水强度对风廓线雷达的风向观测影响较小,风向偏差随降水强度的变化总体趋于平稳,基本分布在-20 °~20 °之间。      

Remote sensing detection of atmospheric pollutants by differential absorption LIDAR 510M/SODAR PA2 mobile system

Summary Air pollution problem in the Czech Republic is very complex due to large number of factors as turbulent dispersion and chemical reactions concurring in the status of the PBL. For this 3D distribution of pollutants is a key information that cannot be given by conventional monitoring stations. Combined use of DIAL lidar and sodar can give access to such information. Case studies of air pollutants transport are presented using 3D concentration fields of NO₂ and ozone measured by lidar and meteorological conditions monitored by Doppler Sodar.     

湘潭市秋季一次大气污染过程分析

利用常规高空和地面气象观测资料、湘潭市空气质量监测数据并结合HYSPLIT4后向轨迹模式对2020年10月28-31日污染天气特征及成因进行分析。结果表明此次污染过程分为3个阶段:第1阶段为北方偏二次型传输阶段,此阶段北风风力较大,在强北风的推动下华北地区污染物(PM_2.5)向南传输影响湘潭;第2阶段为大气高湿静稳条件下本地源(工业源、移动源、扬尘源、生物质燃烧源)排放累积阶段,此阶段地面转均压场,整层大气湿度接近饱和并出现弱降水,气态污染物在污染过程中发生二次转化,颗粒物吸湿增长,且近地面出现逆温,不利于污染物的垂直扩散,导致边界层内的污染物不断累积,污染加重,推高了湘潭的PM_2.5浓度峰值;第3阶段为污染物缓慢清除阶段,随着新一波冷空气影响湘潭地区,水平扩散条件逐步改善,且上游空气质量优良,本地污染物得到有利扩散,此次污染过程结束。     

不同浓度污染气溶胶对一次暴雨的影响

本文应用WRF-Chem模式耦合人为排放源,模拟了2011年8月13日的一次强降水过程,研究了正常（试验Norm）和两种极端情况（试验High和试验Low）下3种排放强度的人为污染气溶胶对微物理过程和降水的影响。结果表明:不同排放强度下降水开始的时间没有变化,低排放情况下降水区域未发生变化,暴雨前期试验Low的降水增强,后期减弱,降水中心强度减弱,周边降水增强,降水分散;高排放情况下降水区域明显减小,降水强度和各个量级的降水区域都减少。雨水和霰含量的变化是导致降水发生变化的原因,不同强度的污染气溶胶通过影响微物理过程影响大气的热力和动力过程,大气动力过程的变化反过来又通过微物理过程影响降水粒子的增长,从而影响地面降水。影响机理可概括为:当污染气溶胶的排放浓度增强,水汽凝结和冰晶凝华增长过程的减弱导致微物理过程的大气加热减弱,可用于发展对流的能量减少,上升运动减弱,对流强度的减弱抑制了了雨水和霰收集云水的增长,导致了可降水粒子含量的减少,降水减弱。     

2013年1月持续性霾天气中影响污染程度的气象条件分析

利用南京本站气象观测记录、环保局监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,分析2013年1月持续性污染天气过程的大气环流背景,并结合南京地区探空资料、风廓线雷达资料以及激光雷达资料,分析这次持续性污染过程中空气质量属良好、轻度污染、中度污染、重度污染典型个例的大气垂直特征和边界层内气象条件的差异。得到如下结论:2013年1月份北方冷空气活动较弱,南京地区大气层结稳定,近地层风速小,污染物气象扩散条件差。加之近地层以弱偏东风为主,水汽较多,有利于污染物颗粒直径增大。大气垂直结构以及边界层内水平风速均对大气污染程度起到一定影响。AQI与逆温层高度存在显著负相关关系;大气污染时,1000 m以下出现逆温结构,且逆温层越低、越厚,污染程度越大;重度污染时,近地层出现贴地逆温层,厚度为700m左右。逆温层高度下降,PM₁₀颗粒物高浓度区高度也明显下降,近地层污染物浓度对垂直方向上污染物浓度正响应的高度降低。在空气质量良好时, 150~1500m存在风速大值区,且风无空,湍流作用明显,有利于污染物和周围的洁净空气相混合而得到稀释,加速污染物的垂直扩散进程。当中度污染日和典型重度污染日时,150~1500 m之间并不存在大风速区。此外, PM₁₀的300μg·m^-3高浓度垂直高度延伸至300 m附近时,近地层PM_2.5明显上升至100μg·m^-3以上,高浓度区数值越大,近地层PM_2.5越大。     

辽宁绥中地区海陆风的多普勒测风激光雷达观测与特征提取

2019年3月,利用相干多普勒测风激光雷达首次在辽东湾西部绥中地区进行了风廓线测量试验。根据研究区域海岸线走向采用风向的十六分位法定义局地海风和陆风,分析和提取海陆风特征验证了多普勒测风激光雷达在春季季风间断期间观测海陆风的可行性,并计算和分析了大气边界层湍流能量的变化以及回流水平变化等特性。结果表明：1）绥中地区春季存在明显的海陆风环流特征,测风激光雷达观测海陆风出现的时间与地面自动气象站观测的数据较为一致,符合海陆风日的定义。2）海陆风日发生时,水平局地回流指数（RF）较小,1.2 km以下的RF值小于0.5,使得污染物循环累积,较易形成雾霾天气;但是海风时大气边界层的高度可达1 km以上,有利于低层大气污染物向高层扩散,减轻低层大气污染。研究结果为该地边界层参数化方案的设计和污染的防治提供了参考依据。     

Vertical Distribution Characteristics of PM<Subscript>2.5</Subscript> Observed by a Mobile Vehicle Lidar in Tianjin,China in 2016

We present mobile vehicle lidar observations in Tianjin, China during the spring, summer, and winter of 2016. Mobile observations were carried out along the city border road of Tianjin to obtain the vertical distribution characteristics of PM_2.5. Hygroscopic growth was not considered since relative humidity was less than 60% during the observation experiments. PM_2.5 profile was obtained with the linear regression equation between the particle extinction coefficient and PM_2.5 mass concentration. In spring, the vertical distribution of PM_2.5 exhibited a hierarchical structure. In addition to a layer of particles that gathered near the ground, a portion of particles floated at 0.6–2.5-km height. In summer and winter, the fine particles basically gathered below 1 km near the ground. In spring and summer, the concentration of fine particles in the south was higher than that in the north because of the influence of south wind. In winter, the distribution of fine particles was opposite to that measured during spring and summer. High concentrations of PM_2.5 were observed in the rural areas of North Tianjin with a maximum of 350 μg m^–3 on 13 December 2016. It is shown that industrial and ship emissions in spring and summer and coal combustion in winter were the major sources of fine particles that polluted Tianjin. The results provide insights into the mechanisms of haze formation and the effects of meteorological conditions during haze–fog pollution episodes in the Tianjin area.     

基于机载观测资料订正雷达比及其垂直分布特征

雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备,综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM_2.5浓度低于40 μg m?3;污染严重时期的PM_2.5均高于150 μg m?3且能见度低于5 km,污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比,利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测,精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大,主要分布在19～76 sr之间,清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）;污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr;边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系,混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势;当相对湿度高于40%,边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。     

Retrieval of the single scattering albedo of Asian dust mixed with pollutants using lidar observations

The vertical distribution of single scattering albedos （SSAs） of Asian dust mixed with pollutants was derived using the multi-wavelength Raman lidar observation system at Gwangju （35.10°N,126.53°E）.Vertical profiles of both backscatter and extinction coefficients for dust and non-dust aerosols were extracted from a mixed Asian dust plume using the depolarization ratio from lidar observations.Vertical profiles of backscatter and extinction coefficients of non-dust particles were input into an inversion algorithm to retrieve the SSAs of non-dust aerosols.Atmospheric aerosol layers at different heights had different light-absorbing characteristics.The SSAs of non-dust particles at each height varied with aerosol type,which was either urban/industrial pollutants from China transported over long distances at high altitude,or regional/local pollutants from the Korean peninsula.Taking advantage of independent profiles of SSAs of non-dust particles,vertical profiles of SSAs of Asian dust mixed with pollutants were estimated for the first time,with a new approach suggested in this study using an empirical determination of the SSA of pure dust.The SSAs of the Asian dust-pollutants mixture within the planetary boundary layer （PBL） were in the range 0.88-0.91,while the values above the PBL were in the range 0.76-0.87,with a very low mean value of 0.76 ± 0.05.The total mixed dust plume SSAs in each aerosol layer were integrated over height for comparison with results from the Aerosol Robotics Network （AERONET） measurements.Values of SSA retrieved from lidar observations of 0.92 ± 0.01 were in good agreement with the results from AERONET measurements.     

Diurnal and seasonal variations of meteorology and aerosol concentrations in the foothills of the nepal himalayas (Nagarkot: 1,900 m asl)

A 10-months long monitoring experiment to investigate the diurnal and seasonal variation of aerosol size distribution at Nagarkot (1,900 m asl) in the Kathmadu Valley was carried out as part of a study on katabatic and anabatic influence on pollution dispersion mechanisms. Seasonal means show total aerosol number concentration was highest during post-monsoon season (775 ± 417 cm^?3) followed by pre-monsoon (644 ± 429 cm^?3) and monsoon (293 ± 205 cm^?3) periods. Fine particle concentration (0.25 μm ≤ D_P ≤ 2.5 μm) dominated in all seasons, however, contribution by coarse particles (3.0 μm ≤ D_P ≤ 10.0 μm) is more significant in the monsoon season with contributions from particles larger than 10.0 μm being negligible. Our results show a regular diurnal pattern of aerosol concentration in the valley with a morning and an evening peak. The daily twin peaks are attributed to calm conditions followed by transitional growth and break down of the valley boundary layer below. The peaks are generally associated with enhancement of the coarse particle fraction. The evening peak is generally higher than the morning peak, and is caused by fresh evening pollution from the valley associated with increased local activities coupled with recirculation of these trapped pollutants. Relatively clean air masses from neighbouring valleys contribute to the smaller morning peak. Gap flows through the western passes of the Kathmandu Valley, which sweep away the valley pollutants towards the eastern passes modulated by the mountain - valley wind system, are mainly responsible for the dominant pollutant circulation patterns exhibited within the valley.     

汾渭平原一次沙尘和人为混合空气污染过程分析

利用MODIS、OMI和CALIPSO卫星资料,结合地面环境监测数据、气象观测数据和后向轨迹模式(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model,HYSPLIT),对汾渭平原2018年11月23日至12月6日沙尘和人为混合空气污染过程进行分析....