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。     

探空观测的边界层高度时空变化特征

基于2010—2018年我国119个站点L波段探空秒级资料,通过对位温廓线法所得边界层高度进行Kmeans聚类,将我国分为青藏地区、西北地区、中部地区和东部地区4个分区,分析我国边界层高度及边界层状态（对流、中性和稳定边界层）发生频率的变化特征。结果表明：2010—2018年08：00我国年平均边界层高度均为200~600 m,以稳定边界层为主,20：00年平均边界层高度从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区逐渐减小,其中青藏地区和西北地区全年以对流和中性边界层状态为主,中部地区和东部地区以中性边界层为主;4个分区的月平均边界层高度在08：00逐月变化不明显,且各分区间差异不大,而4个分区20：00月平均边界层高度随时间呈单峰结构,最大值出现在春夏季,最小值出现在秋冬季,从青藏地区、西北地区、中部地区到东部地区变化幅度逐渐减小;青藏地区、西北地区和中部地区的边界层高度日变化幅度春夏季大、秋冬季小,而东部地区边界层高度日变化在不同季节特征相近。     

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。     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午...     

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R2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...     

利用探空气球升速判定敦煌夏季白天边界层高度的分析

大气边界层高度是表征大气边界层的一个重要参数。利用2009年8月20～23日在甘肃敦煌进行的9次探空试验资料,分析了位温和探空气球的上升速度随高度的变化特征。结果表明,探空气球的上升速度也可以作为大气边界层高度的判定指标。通过分析用位温与探空气球上升速度所定的边界层高度,得到敦煌盛夏的边界层高度最高可达到4 300 m...     

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。     

基于激光雷达和微波辐射计观测确定混合层高度方法的比较

利用苏州地区2010年1月4,7,16日和2月4日4天的激光雷达及微波辐射计观测资料,比较了不同遥感手段探测晴天大气混合层高度的差异,发现试验期间该地区的混合层高度在300~1500 m之间。利用梯度法、标准偏差法、小波法从激光雷达数据中提取混合层高度并进行了对比,结果表明三种方法都能较好地反演混合层高度并且一致性较好,三者差异主要存在于大气边界层的发展和消亡阶段;梯度法和小波法结果无明显差异,而标准偏差法结果稍高于其他方法。在此基础上,利用微波辐射计探测的大气温度,使用温度梯度法估算大气混合层高度,并与激光雷达探测结果进行了比较,结果表明,大多数情况下激光雷达探测结果高于微波辐射计观测结果;两种遥感手段有较好的相关性,相关系数为0.76。激光雷达同微波辐射计结果存在差异,尤其是在边界层的发展和消散阶段,这是由两种遥感手段探测原理不同造成的。     

利用激光雷达结合数值模式估算兰州远郊榆中地区夏季边界层高度

用激光雷达资料,采用小波变化法反演兰州远郊榆中地区兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的边界层高度,并利用WRF中尺度数值模式,选取两种不同边界层参数化方案(YSU、MYJ)模拟了该地区边界层及其高度.分析表明激光雷达反演边界层高度与WRF模拟边界层高度结果基本一致;WRF选用YSU方案能较好反映热对流边界层,而MYJ方案对于动力作用边界层模拟较好.日出后08:00(北京时间,下同)SACOL不稳定边界层开始发展,17:00达到最大高度.热对流边界层可以达到2 km;动力作用边界层可达到1.5 km,之后热对流边界层下降速度明显高于动力作用边界层.     

Determination of the Atmospheric Boundary Layer Height from Radiosonde and Lidar Backscatter

The height of the atmospheric boundary layer is derived with the help of two different measuring systems and methods. From radiosoundings the boundary layer height is determined by the parcel method and by temperature and humidity gradients. From lidar backscatter measurements a combination of the averaging variance method and the high-resolution gradient method is used to determine boundary layer heights. In this paper lidar-derived boundary layer heights on a 10 min basis are presented. Datasets from four experiments – two over land and two over the sea – are used to compare boundary layer heights from both methods. Only the daytime boundary layer is investigated because the height of the nighttime stable boundary layer is below the range of the lidar. In many situations the boundary layer heights from both systems coincide within ±200 m. This corresponds to the standard deviation of lidar-derived 10-min values within a 1-h interval and is due to the time and space variability of the boundary layer height. Deviations appear for certain situations and depend on which radiosonde method is applied. The parcel method fails over land surfaces in the afternoon when the boundary layer stabilizes and over the ocean when the boundary layer is slightly stable. An automatic radiosonde gradient method sometimes fails when multiple layers are present, e.g. a residual layer above the growing convective boundary layer. The lidar method has the advantage of continuous tracing and thus avoids confusion with elevated layers. On the other hand, it mostly fails in situations with boundary layer clouds     

Aerosol climatology for the planetary boundary layer derived from regular lidar measurements

Regular aerosol extinction and backscatter measurements using a UV Raman Lidar have been performed for almost 3 years in Hamburg in the frame of the German Lidar Network. A set of 92 aerosol extinction and 164 aerosol backscatter profiles has been used for statistical investigations. Mean values and variances of the aerosol extinction and backscatter in the boundary layer have been calculated. Large fluctuations during the whole year have been found. The measured aerosol extinction over Hamburg shows a seasonal cycle with highest values in early fall and a second less prominent peak in spring.An analysis of the data using back trajectories showed a dependence of the aerosol extinction on the origin of the air mass. The residence time of the air mass over industrialized areas was found to be an important parameter for the measured aerosol extinction at Hamburg. However, only a small part of the total variability could be explained by the air mass origin.For 75 cases of aerosol extinction measurements under cloud-free conditions, the aerosol backscatter profile and therefore, the lidar ratio as a function of altitude could be determined. Winter measurements of the lidar ratio are often close to model results for maritime aerosol, the summer measurements are close to the model results for urban or continental aerosols.The high quality of the data has been proven by intercomparisons with other lidar systems and with star photometer measurements of the aerosol optical depth during the Lindenberg Aerosol Characterization Experiment (LACE'98) field campaign.     

Retrieval of Boundary Layer Height and Its Influence on PM 2.5 Concentration Based on Lidar Observation over Guangzhou

Wavelet analysis was applied to lidar observations to retrieve the planetary boundary layer height(PBLH)over Guangzhou from September 2013 to November 2014 over Guangzhou. Impact of the boundary effect and the wavelet scale factor on the accuracy of the retrieved PBLH has been explored thoroughly. In addition, the PBLH diurnal variations and the relationship between PM_(2.5) concentration and PBLH during polluted and clean episodes were studied. Results indicate that the most steady retrieved PBLH can be obtained when scale factor is chosen between 300-390 m. The retrieved maximum and minimum PBLH in the annual mean diurnal cycle were ～1100 m and ～650 m, respectively. The PBLH was significantly lower in the dry season than in the wet season, with the average highest PBLH in the dry season and the wet season being ～1050 m and ～1200 m respectively. Compared to the wet season, the development of PBLH in the dry season was delayed by at least one hour due to the seasonal cycle of solar radiation. Episode analysis indicated that the PBLH was ～50% higher during clean episodes than during haze episodes. The average highest PBLH in the haze episodes and clean episodes were ～800 m and ～1300 m,respectively. A significant negative correlation between PBLH and PM_(2.5) concentration(r =-0.55**) is discovered.According to China"Ambient Air Quality Standard", the PBLH values in good and slightly polluted conditions were 1/6-1/3 lower than that in excellent conditions, while the corresponding PM_(2.5) concentration were ～2-2.5 times higher.     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

探空高度与雷达高度的比较研究

利用2009年1月南京探空站L波段高空探测的试验记录,以GPS所测的高度数据作为标准,分别从探空高度和雷达高度作了详细分析.结果表明:探空高度与GPS高度的差值随着探测高度的升高而增大,并且随着高度升高,增大的幅度越快;雷达高度与GPS高度的差值有正有负,随着探测高度的升高,总体上高度差值变大,且差值变化幅度出现较大起伏,其稳定性较差.100 hPa以下,探空高度比雷达高度的可信度大,选取探空高度较好;100hPa以上,雷达高度比探空高度可信度大,选取雷达高度较好.     

The Effect of Stratification on the Aerodynamic Roughness Length and Displacement Height

The roughness length, z _0u , and displacement height, d _0u , characterise the resistance exerted by the roughness elements on turbulent flows and provide a conventional boundary condition for a wide range of turbulent-flow problems. Classical laboratory experiments and theories treat z _0u and d _0u as geometric parameters independent of the characteristics of the flow. In this paper, we demonstrate essential stability dependences—stronger for the roughness length (especially in stable stratification) and weaker but still pronounced for the displacement height. We develop a scaling-analysis model for these dependences and verify it against experimental data.     

L波段高空气象探测系统气压、高度观测数据分析

对甘肃省民勤站L波段高空探测系统GTS1型探空仪地面基测气压变量的统计分析表明,气压传感器在地面稳定的环境下感应的数值与标准气压数值相比偏低;在实时探测过程中,气压相差1hPa时,L波段高空探测系统所反映出的测高偏差随探测高度的增加而不断变大;对L波段雷达和GTS1探空仪测量高度的差值进行比较,所得的高度差随探空仪的升高而逐渐增大,探测高度到达36000gpm时,高度差约为1700gpm。