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。     

激光雷达与微波辐射计联合观测大气边界层高度变化

为了研究苏州地区大气边界层结构的日变化及季节特征,利用2014年1—7月期间大气颗粒物激光雷达对苏州上空大气气溶胶进行了连续观测。选定2014年1月15日、3月16日、5月7日与7月22日全天的消光系数探测数据,通过优化后的梯度法得到了该地区的大气边界层高度,分析了其日变化特征,并分析了边界层高度与地表的温湿变化之间的相关性。结果表明除1月15日外,边界层的变化与地表温度存在明显的正相关,而与地表的相对湿度存在负相关。同时,对站点微波辐射计观测得到的温湿廓线与边界层内消光系数廓线进行了联合研究。研究结果表明,微波辐射计湿度垂直廓线与激光雷达消光系数廓线探测得到的边界层具有良好的一致性。     

地基微波辐射计探测大气边界层高度方法

采用2013年中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站的地基微波辐射计和激光雷达观测数据,以激光雷达探测的大气边界层高度为参考,分别利用非线性神经网络和多元线性回归方法建立微波亮温直接反演大气边界层高度的算法,并对比两种方法的反演能力, 同时分析非线性神经网络算法在不同时段及不同天气状况下反演结果的差异。结果表明:非线性神经网络算法的反演能力优于多元线性回归算法,其反演结果与激光雷达探测的大气边界层高度有较好一致性,冬、春季的相关系数达到0.83,反演精度比线性回归算法约高26%;对于不同时段和不同天气条件,春季的反演结果最好,晴空的反演结果好于云天; 四季和不同天气状况的划分也有利于提高反演精度。     

基于微波辐射计和气溶胶激光雷达的边界层高度研究及应用

分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM_2.5、O₃浓度的影响。结果显示:（1）利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;（2）利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O₃浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O₃污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;（3）利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM_2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM_2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。      

微波遥感在大气边界层预报中的应用

本文利用5mm(54.5 GHz)微波辐射计遥感大气边界层的温度廓线,并利用大气边界层数值模式,预报大气边界层的发展。首先改善5 mm微波辐射计遥感大气温度层结的方法,提高精度;其次建立模拟和预报大气边界层发展的一维数值模式,用微波辐射计观测结果每3小时对模式进行一次初始化,使模式能跟踪和预报实际大气边界层的发展,并用实测资料做了验证。     

合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究

利用L300米散射激光雷达对合肥市郊大气边界层进行长期系统观测.分析讨论了大气边界层气溶胶消光系数与温度、湿度的关系, 大气边界层气溶胶消光系数垂直分布和时间变化的主要特征, 给出了激光雷达探测的大气边界层高度的统计特征及其与无线电气象探空仪探测大气边界层高度的比较结果.     

基于数据窗口标准差的边界层高度反演方法——以上海市为例

大气边界层具备一个重要特性,即在边界层顶部,气溶胶浓度在垂直分布上存在显著突变。利用该特性,采用主动遥感装置经过窗口平滑去除噪点后数据,提出基于梯度法改进的大气边界层高度反演方法——窗口标准偏差法。基于激光云高仪后向散射廓线数据,利用该方法反演边界层高度,在边界层高度下大气气溶胶混合均匀时,反演结果较为理想。在此基础上,将窗口标准偏差法反演结果与逐步曲线拟合法反演结果进行比较。结果表明：两种方法具有较好的相关性,相关系数为0.94。两种方法产生差异的原因在于窗口标准偏差法不考虑夹卷层厚度而逐步曲线拟合法考虑夹卷层厚度。窗口标准偏差法可以降低高空背景光噪音对反演结果的影响。通过该方法反演出的边界层高度,在时间序列上具有连续性强的特点,反演结果更有利于研究大气边界层高度的时间变化趋势。     

北京城区大气边界层高度的反演研究

采用北京市国家大气探测试验基地2017年5月1日至2019年8月31日的微波辐射计观测结果,通过位温气块法反演了该地区的大气边界层高度,统计其日变化和月际变化特征,并与相应的探空反演结果进行对比.结果表明:日间大气边界层高度的变化特征与日照时长对应关系很好.除热力作用外,边界层高度受地面风速的影响较大,近地面的较强大风...     

气溶胶激光雷达和无线电探空观测边界层高度的对比分析

利用北京地区2017年11月至2018年1月连续3个月的激光雷达资料和无线电探空数据,按照清洁天、污染天和多云天3种天气条件,对大气边界层高度的计算方法和结果进行对比分析。结果表明,基于激光雷达消光系数的梯度法、标准差法和小波法都能够较好地提取边界层高度。清洁天标准差法计算的边界层高度高于梯度法和小波法,08:00（当地时间,下同）和20:00由无线电探空得到的清洁天边界层高度平均值分别为1176 m和1224 m。污染天标准差法的计算结果要低于梯度法和小波法,污染天无线电探空得到的边界层高度平均值约为956 m,和清洁天相比降低了两百多米,重污染时最低降低至562 m,逆温层高度和PM2.5浓度具有明显的反相关关系。有云时,梯度法和小波法确定的边界层高度和云高非常接近,标准差法计算的结果略低。总体而言,气溶胶激光雷达计算的边界层高度随着污染等级的提高没有明显的降低趋势,相反在重度污染情况下反而有所增加,这可能是由于污染物的不断堆积导致的。梯度法确定的边界层高度易受到污染物传输过程的影响,略高于逆温层高度。另外,激光雷达确定的边界层高度受到残留层影响时,也会高于逆温层。     

基于激光雷达遥感和参数化模式研究城市混合层的发展机制

利用北京大学的微脉冲激光雷达(MPL)观测的偏南气流条件下的混合层高度和夹卷层厚度探测资料,研究简单天气条件下城市混合层的发展机制并与GB94的参数化方案相互映证.通过激光雷达遥感的混合层高度和夹卷层厚度计算了混合层顶的夹卷率A,得到其平衡夹卷阶段的值为0.24.在不考虑机械混合前提下反演了地面感热通量,结果表明遥感的反演值与梯度法的计算值有系统性偏差,但总体上仍旧有较好的相关.偏差量的大小反映了影响混合层发展的机械湍流的参数B,进一步通过GB91模式的模拟确定该参数的最佳值约为3.5.在此基础上讨论了混     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

基于激光云高仪反演全天边界层高度的两步曲线拟合法

大气边界层高度是天气、气候、大气环境研究中的一个重要参数,目前尚缺少基于激光雷达探测系统反演全天边界层高度的有效方法。文中利用北京朝阳站、大兴站的激光云高仪数据,首先评估了梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差法反演边界层高度的适用性和局限性,发现梯度法容易受环境噪声的影响,曲线拟合法稳定性较好,但在夜间弱湍流条件下会将残留层高度误判为夜间边界层高度。提出两步曲线拟合法,将一天中边界层结构划分为白天的对流边界层、夜间的残留层和稳定边界层,通过用不同的理想曲线对其进行两步拟合,获取全天边界层高度的变化。将两步曲线拟合法的反演结果与基于L波段探空雷达的位温梯度法的探测结果进行比较发现:两者相关系数为0.91,证明了两步曲线拟合法的可行性以及激光云高仪探测边界层高度的应用潜力。采用该方法反演2017年5—6月朝阳站与大兴站边界层高度,对比发现:城区特殊的下垫面性质使朝阳站日间对流边界层发展更早,边界层高度更高,全天朝阳站边界层高度的变化在308—1391 m,大兴站在197—1302 m。      

基于激光雷达资料的小波变换法反演边界层高度的方法

利用小波变换法反演边界层高度时,不同小波母函数的选取可能得到不同的边界层高度。因此,对构造的白天及夜间激光雷达后向散射信号理想廓线进行Haar小波协方差变换,并对后向散射信号梯度廓线进行Morlet与Mexican Hat小波变换反演边界层高度。结果表明,宜采用Haar函数与Mexican Hat函数作为小波母函数,其中Haar函数准确性优于Mexican Hat函数,而Mexican Hat函数更易稳定。同时为了进一步检验3种小波变换法的反演结果对小波振幅的敏感性,通过改变小波母函数的小波振幅,发现无论是理想廓线还是叠加扰动的廓线,较大的小波振幅易得到比较稳定准确的白天边界层高度与夜间混合层高度。     

小波变换在风廓线雷达探测大气边界层高度中的应用研究

大气边界层的高度是污染物扩散模式、气候模式、大气模式的一个重要输入参数,边界层高度的变化对数值预报中的物理过程,天气预报的诊断分析,城市污染物的监控也有相当重要的作用。然而,边界层高度的连续监测缺乏有力的手段,风廓线雷达凭借其高时间分辨率和空间分辨率,加上其能够连续探测等优点,可以成为连续监测边界层高度的有效工具。利用协方差小波变换对风廓线雷达距离订正后信噪比数据进行分析,来确定边界层的高度,并与无线探空仪确定的边界层高度进行比较,通过分析得到:(1) 协方差小波变换应用于边界层高度的确定时,尺度因子a和平移因子b的选取很关键,不同的a和b值得到的结果可能差异很大,在计算过程中要仔细选择合适的值;(2) 质量控制对正确判断边界层高度至关重要,好的质量控制方法可以起到剔除突变点的作用,使确定的边界层高度更符合实际情况;(3) 在晴空条件下,如果边界层湍流不均匀及杂波影响较大时,梯度法将不适用,它容易受到大气湍流不稳定以及其他因素引起的信噪比突变而产生较大误差,而协方差小波变换法作为梯度法的改进,能够较好地确定边界层的高度;(4) 通过质量控制,小波变换法和探空仪确定的高度很一致,两者的相关系数达到0.87。      

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。     

WRF模式不同边界层参数化方案模拟兰州冬季边界层高度的研究

本文利用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2三种不同的边界层参数化方案,模拟了2005年1月20-31日兰州市冬季大气边界层高度,并将模拟的边界层高度与同期系留探空资料位温廓线法计算的大气边界层高度进行了比较分析,从闭合方法和混合层高度计算方法等方面探讨了各个方案模拟结果的差异。结果表明:三种不同的参数化方案均模拟出了兰州市冬季边界层高度日变化的基本特征,其中,MYJ方案明显偏高,YSU和ACM2方案次之;统计分析结果显示,ACM2方案能较好地模拟兰州市冬季边界层高度。     

北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究

2002年3～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达(MPL)观测了气溶胶时空变化。提出一种反演混合层高度的方法,这种方法减小了仪器订正的误差,反演的混合层高度与探空测量结果有很好的一致性。利用该方法计算了观测期间晴天无云天气条件下的混合层高度,分析了混合层高度及其增长率的日变化、季节变化,初步研究了混合层高度和近地面气溶胶分布的相互关系,分析了表征大气扩散能力的通风系数的日变化。结果表明,利用MPL监测城市混合层是可行的和优越的。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴过程的大气边界层特征分析

利用系留探空、近地层梯度铁塔及地面气象站观测的数据,对塔克拉玛干沙漠腹地一次沙尘暴天气过程前后大气稳定度、混合层高度、地面气象要素及风、温、湿廓线等大气边界层特征量进行了分析。结果表明：沙尘暴发生时大气层结变得不稳定,沙尘天气过程中大气稳定度经历了稳定一不稳定一稳定的转变;沙尘暴的发生抑制了白天混合层高度的发展,维持了夜间混合层的存在,缩小了混合层高度的日变化;沙尘暴天气是一个降温增湿的过程;沙尘暴过境前后大气层结发生了转变,边界层风、温、湿廓线都打破了原有分布 规律,影响了大气边界层结构的发展变化。     

邢台地区微波辐射计与无线电探空仪数据对比分析

利用2018年1月至2019年12月河北省中南部地区的微波辐射计和探空数据，将两种探测设备取得的资料在时间和空间上进行点对点匹配，共筛选出187条晴空廓线、1176条云天廓线和12条毛毛雨天廓线，定量分析了各个高度层的晴天、云天和毛毛雨天气条件下两种大气探测设备的温度、相对湿度和水汽密度廓线的相关性及误差情况。结果表明：3种天气条件下的微波辐射计与无线电探空仪温度和水汽密度的相关性整体较好，地基微波辐射计观测的大气参数分布存在不同程度的差异，但是微波辐射计和探空的变化趋势一致性较好，并且无线电探空仪观测的大气参数和微波辐射计反演的温度、相对湿度和水汽密度相关性整体上均呈现低层大气优于高层大气，温度相关性最好，水汽密度次之，相对湿度最低。通过对比各个高度层的拟合程度，发现3.5 km以下的低层大气参数精度更可靠，对于需要间接计算的大气物理量，如K指数、有效位能、积分水汽含量等，使用低层数据计算的大气物理量精度会更好。本文开展的地基微波辐射计反演的大气物理参数与探空仪观测对比研究工作，对提高微波辐射计在大气物理和人工影响天气的探测精度方面具有参考意义。     

车载微波辐射计移动大气走航观测实验及初步应用

地基多通道微波辐射计能够实现大气温湿度廓线参数的实时观测与反演，在大气探测中已经得到了广泛的应用。但是，受到观测方式和数据反演算法的限制，目前主要应用于地面固定站点上空的大气参数遥感探测，无法实现大气参数的移动观测。因此，尝试将自主研制的地基多通道微波辐射计进行改进并安装在车载平台上，对车载微波辐射计移动大气观测可行性进行了验证。实验结果表明车载微波辐射计移动观测是可行的。此外，利用车载移动走航观测数据，对西安城市热岛效应和对流有效位能（CAPE）进行了分析。结果显示，移动走航观测能够用于观测城市热岛效应，西安中心区域比郊区温度高出约1.0℃左右，城市中心的大气对流有效位能也比郊区高出1000～2000J/kg。通过这次实验为微波辐射计的车载移动观测和应用进一步奠定了基础。