[00340518]一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法

技术领域

本发明涉及大气探测技术领域，具体涉及一种有云情况下利用激光雷达资料 反演边界层高度的方法。该方法可广泛用于天气预报、环境保护以及航空安全等 相关行业。

背景技术

大气边界层，又称行星边界层，由近地层、混合层及其上部的夹卷层组成。 由于该气层为连接大气与地面的最低层气层，故该气层是大气和地面之间进行物质和能量交换的桥梁。边界层的研究中，边界层高度是研究者最关心的问题之一， 由于边界层高度定义了污染物扩散的有效体积，使得边界层高度在空气污染模型 中是一个非常重要的参数，此外，边界层高度在边界层湍流结构研究等问题中也 是非常重要的参数。尽管边界层高度有其突出的重要性，但没有直接测量边界层 高度的方法，目前主要是由其他实测资料来确定边界层高度。一种途径是根据地 面观测资料使用经验公式得到边界层高度，另一种是根据风速、位温等气象要素 在边界层内的变化特征确定边界层高度。

由于探测手段的不断进步，后一种方法是目前提取边界层高度的主流方法。 在对流情况下，混合层内的风速、位温等气象要素由于湍流混合作用几乎不随高 度变换，为一常数。而在边界层顶，湍流强度突然减小，对应风速及位温的急剧 增大。依据风速、位温在垂直方向的这一变化特征可以获得边界层高度。探空资 料提供风速、温度、相对湿度的垂直廓线；铁塔观测也提供上述廓线；此外风廓 线雷达能够提供边界层内高时空分辨率的风廓线观测，微波辐射计能提供地面向 上 10km 内的温度和湿度观测，这些廓线均可用来确定边界层高度。另外 AMDAR(Aircraft Meteorological Data Reporting)资料提供商业飞机起飞和降落时的 大气要素廓线，这些资料也可以用来确定边界层高度。在白天，地基激光雷达由 于可以实现对大气气溶胶的实时连续监测，使得利用激光雷达资料反演白天对流 边界层高度得到越来越多的关注。

通常情况下，由于边界层内的湍流作用气溶胶浓度在对流边界层内的浓度远 高于自由大气中的浓度，因此在边界层与自由大气的交界处存在气溶胶浓度的快 速递减，反映在雷达后向散射廓线上即表现为信号值的突然减小。激光雷达后向 散射信号的这一性质被用于反演边界层高度。利用激光雷达资料反演边界层高度 的方法主要有目测法，阈值法，梯度法，方差法，曲线拟合法和小波变换法等。 其中曲线拟合法由于将后向散射廓线作为一个整体，当信号噪声不大时，往往得 到稳健的结果；小波变换法分析信号的局部信息，算法简单，容易实现边界层高 度的自动化反演。曲线拟合法与小波变换法较其他方法更具优势，已经被证实在 晴空无云的对流情况下反演陆地边界层高度有较好的表现。

但是，由于这些反演算法的原理是寻找激光雷达后向散射信号急剧减小的高 度，因此必须是基于晴空大气的。云层存在时，必须考虑云的辐射及凝结，这就 会改变边界层的结构。因此，对于有云情形，没有一个普遍接受的边界层高度定 义。在激光雷达后向散射信号图上，由于云内的湍流作用，云层造成的后向散射 往往强于边界层内气溶胶造成的散射信号值量级。那么在“云顶”处，从云层过 渡到自由大气，必然对应激光雷达信号强的衰减，此种情况下，边界层高度总是 被“云顶”或云内某一高度取代。对于简单的情形，例如逆温层阻止了层积云的 进一步发展，或者是对流云在对流不稳定条件下发展受到限制，这些情况下对流 边界层高度往往与云层完全耦合或与云层的一部分耦合，云层可认为是对流边界 层的上部，上述反演算法直接反演得到的高度为云顶高度或云内某一高度，可近 似代替对流边界层高度。但对于云层不是边界层的结构组成时，例如对于边界层 高度以上有积云的陆上边界层，边界层高度与云层高度区别很大，需要进一步讨 论。此外，已经研究了边界层顶上有云层覆盖的情形，指出当一定深度的云层存 在于对流边界层顶时，我们所寻找的表征边界层高度的信号减小最强的高度可信 度就会很低，甚至有可能被云顶或云的边界所代替。一些研究通过对云分类型分 别讨论，从而改进算法得到较合理的边界层高度，但仅仅只适用于个例的讨论， 长时间的自动提取边界层高度显然并不可取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度 的方法，用以解决现有云情况下，边界层高度计算不准确的算法。