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。     

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。     

激光雷达和探空反演的混合层高度对比分析

本文利用2016年12月至2017年11月期间晴朗少云天气下的成都微脉冲激光雷达观测数据反演的混合层高度,与温江探空资料确定的混合层高度进行了对比和误差分析,结果表明:基于探空资料和激光雷达数据反演的混合层高度具有较好的一致性,两者相关系数达0.75,激光雷达反演的混合层高度略低于基于探空资料确定的值,在混合层高度为1000～2000m时,两种方法计算所得的值偏差幅度最小,约为20%;在1000m以内和2000m以上,偏差幅度略有增大,为26%;两种方法反演的混合层高度变化趋势较为一致,均呈现出12月、1月较低,4月、5月较高的特点;混合层高度具有明显的日变化特征:上午混合层高度迅速增高,午后增长速度减慢并发展到最大高度,日落后迅速降低;混合层内相对湿度的增加、残留层的存在是导致激光雷达反演混合层高度时产生较大误差的原因之一。     

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。     

结合激光雷达和探空资料研究青藏高原地区混合层高度特征

利用那曲地区的微脉冲激光雷达探测资料,采用梯度法获取了那曲地区白天混合层高度随时间的演变信息及混合层特征参数,结果表明混合层在上午发展缓慢,中午以后发展迅速,14:00（北京时）前后达到稳定;强烈的对流热泡活动导致混合层高度起伏较大,参数化反演得到的卷夹层厚度达到0.4~0.5 km,卷夹比在0.2左右。利用探空资料结合日最大位温资料,采用气块法得到了高原地区7个站点的每日最大混合层高度数据集。通过对由激光雷达和探空资料得到的最大混合层高度结果进行对比,发现二者有很好的一致性（相关系数0.85,均值偏差0.11 km,均方根误差0.30 km,并通过0.05显著性水平的t检验）。最大混合层高度在7个站点均有明显的逐日变化特征。从年均值看,最大混合层高度与海拔高度之间没有明显相关关系。从季节均值看,格尔木与都兰站表现出明显的春高冬低的分布特征,而其它五个站点则表现为春高夏低,表明高原地区的盆地地形和山地地形对混合层高度有显著而不同的影响。通过定义热力稳定度和确定特征气压层高度,利用热力稳定度与最大混合层高度之间良好的线性关系,获取了一种简便地获取最大混合层高度的统计方法。     

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。     

浙江省大气混合层高度变化特征分析

利用2000—2013年浙江4个站点(杭州、舟山、衢州和大陈)每日8个时次的气象数据,采用罗氏法计算分析了混合层高度总体变化特征。结果表明,浙江大气混合层总体呈现北部低、南部高,海岛最高的空间分布特征,舟山最低954m,其次杭州1073m、衢州1181m,大陈最高1631m,具有混合层高度越低,起伏变化越小的特征。混合层高度具有较明显时间特征,杭州、舟山、衢州表现为双峰双谷型,即春季(3—4月)和夏季(7—8月)较高、初夏(6月)和秋冬季(11月至次年2月)较低,大陈为单峰单谷型,即秋冬季较高(12月至次年1月)、春末夏初(5月)较低的季节(月)特征,以及白天高、夜间低的日变化特征。2002年杭州混合层高度明显上升的主要与风速加大、1月和6月日照雨日减少、以及9月雨日偏少和2月日照时数偏多密切相关。风速和大气稳定度是影响混合层高度主要因子,风速3m/s以上时,大气即呈不稳定状态,有利混合层高度抬升。大风速决定大陈最高混合层高度,舟山气温较衢州明显偏低导致其混合层高度偏低,杭州混合层高度高于舟山得益于较高的气温。混合层高度越低,雨日、雨量越明显,(轻)雾越多、能见度越低,反之亦然,另外,轻雾、霾共存频率最高的杭州,混合层高度降低除利于出现雾外,更需警惕中度霾以上天气。研究结果对于认知浙江大气质量评估、污染物扩散能力分布现状具有参考价值,为区域内污染源合理分布提供科学依据。     

微波辐射计在人工增雨中的观测实验

本文介绍在人工增雨作业中,应用微波辐射计连续遥测大气中气态总水汽含量及云中积分液态水含量变化的情况,对指标人工增雨作业,不断提高作业成功率,具有重要作用。     

激光雷达在大气混合层探测中的应用

利用香港的激光雷达资料,结合当地的探空资料和天气资料,分析激光雷达在观测大气混合层厚度及其特征。     

一个混合层高度发展的数值模拟试验

本文利用在ＨＥＩＦＥ期间戈壁地区采集的资料，并用一个考虑由地表热力及动力强的害和高空下沉等因子控制的零阶跳跃模式，对该地区白天混层高度增长的机制进行了数值模拟分析，结果表明：白天混合层高的增长受来自祁连山强烈的下沉冷空气的影响较大，使其高度的增长受到抑制，且最大值出现的时间超前，其结果与声雷达回波强度确定的混合层高度吻合较好。     

利用微脉冲激光雷达探测大气混合层高度和气溶胶垂直结构的初步研究

采用2008年5月14日—12月28日安徽寿县地区(116°46’55.02″E,32°33’30.18″N)MPL(micro pulse lidar,微脉冲激光雷达)资料,分析了当地混合层高度(mixed layer height,MLH)的日变化特征。利用梯度法、拐点法及归一化梯度法反演了当地混合层高度,并将3种方法的反演结果与SONDE探空确定的MLH做相关性分析,结果表明:由梯度法反演得到的MLH与探空资料确定的MLH高度相关(相关系数为0.976),是3种方法中最适合确定寿县地区MLH的反演算法。利用梯度法反演了晴天无云天气条件下MLH的日变化,研究了当地气象条件对MLH的影响,结果发现:MLH增长率与前1 h地表温度增长率有很好的相关性;地表风速的变化也会导致MLH的急剧变化;MLH的发展滞后于气溶胶光学厚度0.5~3 h。     

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0～10 km 以下的温湿度，通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明，二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性，激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0997，均方根误差在15～25 K之间，微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0973，均方根误差在15～50 K之间；在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计，激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0964，均方根误差在5%～15%之间，微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0632，均方根误差在20%左右。     

编程求解混合层高度的方法

在t-lnp图上利用08时、14时气压和最低气温、最高气温,经过坐标转换求解早晨、中午混合层的气压和温度,然后根据等温大气压高公式计算混合层高度.该计算方法用VB 6.0编程,可自动从当日报文中读取数据,计算出混合层高度值,也可根据数值预报结果计算次日混合层高度.     

银川市大气混合层高度变化特征及其与空气污染的关系

基于银川高空站2008～2017年的L波段秒级数据和地面观测数据,利用干绝热法计算银川2008～2017年逐时大气混合层高度,分析其变化特征,同时利用银川6种污染物的质量浓度和AQI指数,分析大气混合层高度与空气污染物的关系。结果表明：银川市的大气混合层高度（MLH）大部时间在600 m以下,占比为68%;银川MLH具有明显的单峰型日变化特征,07:00（北京时间,下同）最低,16:00最高;各月MLH值在282～936 m,4～6月MLH值最高,12月MLH值最低;季节变化方面,春季最高,夏季次之,冬季最低;年变化方面,2012年MLH平均值最高为621 m,2015年最低为566 m;银川市6种污染物除O3外,其余5种污染物的质量浓度与MLH值都为负相关,O3与MLH值的相关性最好;四季中,冬季污染物浓度与MLH值的相关性最好,夏季最差,秋季好于春季;银川MLH值与AQI指数呈负相关。     

基于格点资料的四川大气混合层高度特征及与空气质量的关系

基于2018年1月~2020年12月中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）资料,利用罗氏法计算四川省大气混合层高度,分析其时空分布特征,并结合大气环境空气质量监测数据,讨论大气混合层高度变化与空气质量的关系。结果表明：四川省大气混合层高度呈西高东低分布特征。盆地与攀西地区、川西高原大气混合层高度季节变化有显著性差异,盆地春季最高,秋季最低;川西高原和攀西地区秋季最高,夏季最低。四川省各地区大气混合层高度月、日变化趋势基本一致。四川省大气混合层高度与O₃质量浓度呈显著正相关关系,与PM_2.5质量浓度呈显著负相关关系。     

基于多普勒测风激光雷达的低空急流观测研究

基于相干多普勒测风激光雷达于2018年8月在山东德州获取的为期一个月的风廓线观测数据,进行了低空急流的判定、识别与统计分析。参考BONNER对低空急流的判定标准,对1 500 m高度以下的每10 min平均风廓线数据进行低空急流识别与统计,急流发生频率仅为3.6%。参考张世丰对低空急流的判定标准,统计了350 m高度以下10 min平均风廓线的低空急流风速、高度、风向及风切变等结构特征。急流发生频率为24.9%,急流速度主要介于6～10 m·s-1之间,急流高度出现3个峰值,分别位于110 m、160 m和220 m左右,急流风向主要为偏东风和偏南风。结果表明,多普勒激光雷达可以获取高时空分辨率的风廓线数据,进而可以有效检测低空急流结构的存在及其特征。     

地基35通道微波辐射计观测资料的初步分析

选取2008年6月的微波辐射计观测数据和同期探空数据进行对比分析。结果发现两者温湿度的相关系数分别为0.994和0.697,都通过了置信度为0.001的显著性水平检验,表明其总体趋势是相近似的。对于廓线的分析采用的是各层的平均值,微波辐射计和探空的结果都反映了温度随着高度呈现递减趋势,而且经过方差分析两者在0.05水平差异不显著。但相对湿度的廓线结果经过方差分析在0.01水平差异极显著。     

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。     

编程求解混合层高度的方法

在t-lnp图上利用08时、14时气压和最低气温、最高气温，经过坐标转换求解早晨、中午混合层的气压和温度，然后根据等温大气压高公式计算混合层高度。该计算方法用VB6．0编程，可自动从当日报文中读取数据，计算出混合层高度值，也可根据数值预报结果计算次日混合层高度。