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。     

北京秋季一次降雪前污染天气的激光雷达观测研究

以2009年11月5~8日北京地区发生的一次特殊天气形势下的重污染天气过程为例,研究分析本次污染特点和大气边界层结构特征以及此天气过程的大气温度和相对湿度结构特点。激光雷达是探测大气边界层及气溶胶的一个高效工具,利用ALS300激光雷达系统测量信号,应用Fernald方法反演大气消光系数,根据反演的气溶胶消光系数的最大突变,即最大递减率的高度来确定大气边界层的高度。利用其观测的退偏比分析大气污染物特性。利用微波辐射计数据,确定大气温度和湿度时空特征。研究结果表明:在本次污染天气下,大气具有很强的逆温结构,逆温最大可达近1 K(100 m)-1,500 m以上的大气相对湿度很低,在这种天气特征下的大气边界层高度在400 m左右,非常稳定。污染结束降雪开始前,大气逆温结构消失,大气湿度大幅度增加,接近饱和。根据lidar(light detection and ranging)退偏比的分析,本次污染天气是一次典型的烟尘类颗粒物的污染,污染具有区域性特点。PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)与AOT(Aerosol Optical Thickness)之间有明显的线性关系,相关系数达到0.72。该lidar系统能够反演出秋季降雪前本次污染天气背景下北京城区上空的大气污染特性和大气边界层高度。     

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

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。     

大气红外探测器(AIRS)温、湿廓线反演产品及边界层高度在黄土高原的验证

利用黄土高原地区加强观测期探空资料和大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)反演的温度、相对湿度廓线资料,评估了AIRS反演产品在黄土高原的适用性,以及利用AIRS温度廓线计算边界层高度的可行性。结果表明,各种边界层高度计算方法相关性显著,平均高度差异一般不超过200 m;Richardson数临界值的选取对确定边界层高度的影响不大。AIRS反演的大气温度和相对湿度均能很好地反映环境温湿的变化;温度平均偏差在±1 K以内,均方根误差一般不超过2 K;AIRS反演的地面气温误差相对较大,平均偏差和均方根误差分别为-1.68 K和3.32 K,并且会影响边界层高度的确定;AIRS相对湿度平均偏差在±10%以内,均方根误差不超过20%。利用Parcel法估计的边界层高度结果显示,根据AIRS反演的温度廓线确定的AIRS边界层高度低于利用探空观测资料确定的边界层高度,但能较好地再现边界层高度的变化,在没有探空数据时,可以用AIRS反演的温度廓线确定边界层高度。     

成都夏季气溶胶消光特性研究

本文利用成都2017年6~8月的米散射微脉冲激光雷达观测数据,对成都夏季气溶胶消光系数、边界层高度以及气溶胶光学厚度进行了反演,并结合太阳光度计观测资料、地面颗粒物浓度以及大气能见度数据研究了气溶胶消光系数日变化与月变化规律,气溶胶消光系数的垂直分布特征及影响因素。结果表明:气溶胶消光系数的日变化受人类活动以及边界层日变化影响显著,表现出凌晨与傍晚最大,早晨次之,午后最小的特征。消光高值出现在200m以下和300~700m的高度区间,夜间观察到的消光高值可能与颗粒物在夜间近地面浓度较高以及本地夜间降水频发有关。激光雷达反演的消光系数与光度计反演的气溶胶光学厚度在夏季各月的表现一致,夏季各月消光极值均出现在100~150m的近地面层。近地面消光系数与地面颗粒物浓度之间具有较好的正相关,并且粒子粒径更小时相关性更好。气溶胶光学厚度主要来自低层大气的贡献,0.1~0.2μm的细粒子气溶胶占比对于大气消光有主要影响,但气溶胶对大气的消光影响除了与粒子浓度有关,还与粒子的理化性质有关。      

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...     

太湖地区气溶胶光学厚度的分布及其在大气校正中的应用

采用太湖地区水面光谱数据以及MODIS遥感影像数据,利用辐射传输模式6S,选择自定义气溶胶类型,反演得到太湖地区气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)分布,将其与太阳光度计CE318实测气溶胶光学厚度分别应用于太湖区域的大气校正中,得到不同的水面反射率,并参考实测水面反射率进行对比分析。结果表明:反演的太湖地区气溶胶光学厚度分布较为合理,造成此分布的原因可能是太湖北岸工业较发达,污染较严重。太湖颗粒物的吸收特性和卫星接收到的表观反射率导致反演数据的差异,是反演气溶胶光学厚度分布不均匀的主要原因。使用MODIS数据反演得到的太湖地区AOD进行大气校正,更加精确。该研究方法和结果可为气溶胶光学厚度反演、精确卫星数据大气校正提供参考。     

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。     

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。     

Observations of temperature microstructure in the atmosphere

In order to provide data of atmospheric temperature microstructure for the investigation of light prop-agation we measured fluctuations of atmospheric temperature below the height of 300 m with a platinum wire thermometer in Tianjin in May and September, 1980. The results measured in daytime revealed some properties of the temperature structure parameter and spectrum. It has been confirmed that there is a max-imum in the profile of the structure parameter produced probably by the entrainment in the interfacial layer at the top of convective boundary layer. The average of C2t in the interfacial layer and its Wyngaard calculating method are discussed, and the thickness of the interfacial layer is obtained.It is shown by spectrum analysis that a wide inertial subrange exists in the convective boundary layer and the strong turbulent zone in the free atmosphere. The spectral law with the power of -2.5 was measured within the upper half of boundary layer over the sea in vicinity of Tanggu.     

冷空气过程对黄海东海区域海洋大气边界层结构影响的个例分析

利用一次冷空气过程的14组GPS探空数据,采用位温梯度法确定了冷空气过境前后大气边界层高度,并分析了冷空气过程对大气边界层结构的影响。结果表明：冷锋过境加大了海洋大气边界层的静力不稳定度,使边界层内对流活动增强,且锋面过后距离锋面越近的区域边界层的静力不稳定度越大;冷锋过境使边界层的平均高度升高,边界层顶处逆温梯度增大。结合ERA-Interim再分析资料,分析认为大气边界层高度与静力稳定度（海气温差）存在显著的正相关关系（相关系数达0.73）,海气温差越大,大气边界层高度越高。     

热带西太平洋边界层的多层结构分析

本文主要利用第一次“中美热带西太平洋海气相互作用联合调查”所获得的海洋水文、气象及大气探测资料,分析了热带西太平洋暖水区边界层大气层结特征,指出热带西太平洋边界层大气具有多层结构和多层送温现象,边界层内各层厚度及气温、位温、混合比随高度的变化趋势如下:超绝热层位于地面以上50m左右,气温、位温、混合比迅速减小,系绝热不稳定层;第一层为混合层,平均厚度为351m,位温、混合比变化不明显;混合层上又是逆温层大多为30—100m厚,位温迅速增大,混合比迅速减小,系绝对稳定层;700—1000m为浅对流云活跃层,     

偏离度法确定济南夏季对流边界层高度研究

利用济南站边界层风廓线雷达（简称WPR）观测资料,对大气折射率结构常数（简称C_n²）确定对流边界层高度（简称CBLH）的技术难点进行了研究,通过对实测C_n²数据廓线进行求导变换突出其变量特征,提出了一种确定CBLH的方法,即e指数拟合曲线的偏离度法。结果表明：经案例分析和与实测对比,证实其判断的结果与L探空实测虚位温梯度法、湿度梯度法等的判断结果总体一致,平均值分别与后两者结果相差+10.4 m、-21.8 m,最小值差-70 m、-120 m,最大值差+50 m、+80 m,与后两者的相关系数分别达0.988、0.980。不同方法对比表明,31组样本中有7组的极大值法判断结果与偏离度法、虚位温梯度法存在较大差异,在CBLH判别时偏离度法总体优于极大值法。偏离度法能够将夏季CBLH确定结果的绝对误差降至近似WPR垂直分辨率水平。     

A numerical study of daily transitions in the convective boundary layer

We examine daily (morning–afternoon) transitions in the atmospheric boundary layer based on large-eddy simulations. Under consideration are the effects of the stratification at the top of the mixed layer and of the wind shear. The results describe the transitory behaviour of temperature and wind velocity, their second moments, the boundary-layer height Z _m (defined by the maximum of the potential temperature gradient) and its standard deviation σ _m , the mixed-layer height z _i (defined by the minimum of the potential temperature flux), entrainment velocity W _e, and the entrainment flux H _i . The entrainment flux and the entrainment velocity are found to lag slightly in time with respect to the surface temperature flux. The simulations imply that the atmospheric values of velocity variances, measured at various instants during the daytime, and normalized in terms of the actual convective scale w_*, are not expected to collapse to a single curve, but to produce a significant scatter of observational points. The measured values of the temperature variance, normalized in terms of the actual convective scale Θ_*, are expected to form a single curve in the mixed layer, and to exhibit a considerable scatter in the interfacial layer.     

基于多种边界层方案的天津PM2.5集合预报试验

基于大气化学模式WRF/Chem采用4种边界层方案（YSU,BL,MYJ和MYN3）模拟2015年全年天津地区细颗粒物质量浓度演变趋势,分析不同边界层方案对天津地区PM_2.5质量浓度模拟和预报的影响,并构建多种边界层方案的集合预报产品,以期提高天津地区PM_2.5质量浓度预报效果。结果表明:大气化学模式的4种边界层方案在空气质量模拟中均有较好的适用性,PM_2.5模拟值与观测值相关系数达到0.76左右,晴空和大风天气BL方案表现较优,阴天和小风天气YSU和MYJ方案表现优于其他两种方案,综合所有过程没有任何单一方案具有显著优势。基于上述原因,该文开展多种边界层方案的天津空气质量集合预报试验,经过对2015年全年模拟值分析,多边界层方案和多气溶胶机制扰动的集合预报可以减小PM_2.5质量浓度预报的相对误差和均方根误差,降低重污染天气预报的漏报率,提升空气质量等级预报能力,在计算资源得到保证的基础上,是一种可以提升数值模式PM_2.5质量浓度预报能力的有效手段。     

A lidar study of the atmospheric entrainment zone and mixed layer over Hong Kong

In this paper we present the lidar study of the atmospheric boundary layer using the City University of Hong Kong lidar system. Three cases of determination of the entrainment zone thickness and the mixed layer depth in the atmospheric boundary layer over Hong Kong were selected for detailed study. The data collected have been analysed using the visual inspection method and the Steyn et al. [J. Atmos. Ocean. Technol. 16 (1999) 953] detection method. During the cold front passage, the mixed layer depth stayed at the level almost constant over the transition period, and the entrainment zone was thickening at a steady entrainment rate.     

干旱区一次春季沙尘过程的大气气溶胶垂直分布结构及其特征

采用微脉冲激光雷达(Micro-Pulse Lidar,MPL)对干旱荒漠代表站张掖站上空一次春季沙尘暴过程的边界层和自由大气的气溶胶分布和大气环境进行了观测。结果表明,气溶胶的垂直廓线可分为高、中、低3层,高层气溶胶出现在5～9km,主要是通过上风方向的高海拔区域或低层气溶胶通过对流等过程突破边界层顶进入自由大气输送而来,其分布高度在一天中随着时间的推移逐渐降低;中层气溶胶位于2.5～4.5km,其消光特性随高度的增加没有明显的变化,具有垂直混合现象;低层气溶胶在2.5km以下,其消光特性随着高度增加反而降低;中、低层气溶胶主要来源于外部源区或当地沙尘源区和沙壤土起沙。气溶胶垂直分布表现出3种形式:在大气稳定条件下,气溶胶随高度增加呈单峰型减小趋势;不稳定条件下随高度增加指数型降低;混合层中随高度增加而保持稳定。由于受边界层日变化的影响,气溶胶分布的上界出现单峰型日变化特征,具体表现为下午较高,早晨较低。     

杭州市大气逆温特征及对空气污染物浓度的影响

利用2003—2009年杭州市逐日探空观测资料及杭州市环境监测站空气污染物浓度监测资料,对杭州市主城区低空温度层结特征及与3种主要空气污染物（SO2、NO2和PM10）浓度之间的关系进行了统计分析。结果表明：杭州市主城区低空大气温度层结全年以弱稳定为主,一年四季皆有逆温层存在;冬半年逆温发生频率高于夏半年,逆温层厚度冬季较厚、夏季较薄,逆温强度秋季最强、夏季最弱。通过计算污染物浓度与逆温特性的相关关系,发现污染物浓度与逆温层底高呈负相关,与逆温频率、厚度、强度呈正相关,由此说明杭州市主城区低空大气逆温层结状况是影响当地空气污染程度的主要因素之一。