一種有云情況下利用激光雷達資料反演邊界層高度的方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣探測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有云情況下利用激光雷達資料反演邊界層高度的方法。該方法可廣泛用于天氣預報、環(huán)境保護以及航空安全等相關(guān)行業(yè)。

背景技術(shù)

大氣邊界層，又稱(chēng)行星邊界層，由近地層、混合層及其上部的夾卷層組成。由于該氣層為連接大氣與地面的最低層氣層，故該氣層是大氣和地面之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的橋梁。邊界層的研究中，邊界層高度是研究者最關(guān)心的問(wèn)題之一，由于邊界層高度定義了污染物擴散的有效體積，使得邊界層高度在空氣污染模型中是一個(gè)非常重要的參數，此外，邊界層高度在邊界層湍流結構研究等問(wèn)題中也是非常重要的參數。盡管邊界層高度有其突出的重要性，但沒(méi)有直接測量邊界層高度的方法，目前主要是由其他實(shí)測資料來(lái)確定邊界層高度。一種途徑是根據地面觀(guān)測資料使用經(jīng)驗公式得到邊界層高度，另一種是根據風(fēng)速、位溫等氣象要素在邊界層內的變化特征確定邊界層高度。

由于探測手段的不斷進(jìn)步，后一種方法是目前提取邊界層高度的主流方法。在對流情況下，混合層內的風(fēng)速、位溫等氣象要素由于湍流混合作用幾乎不隨高度變換，為一常數。而在邊界層頂，湍流強度突然減小，對應風(fēng)速及位溫的急劇增大。依據風(fēng)速、位溫在垂直方向的這一變化特征可以獲得邊界層高度。探空資料提供風(fēng)速、溫度、相對濕度的垂直廓線(xiàn)；鐵塔觀(guān)測也提供上述廓線(xiàn)；此外風(fēng)廓線(xiàn)雷達能夠提供邊界層內高時(shí)空分辨率的風(fēng)廓線(xiàn)觀(guān)測，微波輻射計能提供地面向上10km內的溫度和濕度觀(guān)測，這些廓線(xiàn)均可用來(lái)確定邊界層高度。另外AMDAR(Aircraft Meteorological Data Reporting)資料提供商業(yè)飛機起飛和降落時(shí)的大氣要素廓線(xiàn)，這些資料也可以用來(lái)確定邊界層高度。在白天，地基激光雷達由于可以實(shí)現對大氣氣溶膠的實(shí)時(shí)連續監測，使得利用激光雷達資料反演白天對流邊界層高度得到越來(lái)越多的關(guān)注。

通常情況下，由于邊界層內的湍流作用氣溶膠濃度在對流邊界層內的濃度遠高于自由大氣中的濃度，因此在邊界層與自由大氣的交界處存在氣溶膠濃度的快速遞減，反映在雷達后向散射廓線(xiàn)上即表現為信號值的突然減小。激光雷達后向散射信號的這一性質(zhì)被用于反演邊界層高度。利用激光雷達資料反演邊界層高度的方法主要有目測法，閾值法，梯度法，方差法，曲線(xiàn)擬合法和小波變換法等。其中曲線(xiàn)擬合法由于將后向散射廓線(xiàn)作為一個(gè)整體，當信號噪聲不大時(shí)，往往得到穩健的結果；小波變換法分析信號的局部信息，算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現邊界層高度的自動(dòng)化反演。曲線(xiàn)擬合法與小波變換法較其他方法更具優(yōu)勢，已經(jīng)被證實(shí)在晴空無(wú)云的對流情況下反演陸地邊界層高度有較好的表現。

但是，由于這些反演算法的原理是尋找激光雷達后向散射信號急劇減小的高度，因此必須是基于晴空大氣的。云層存在時(shí)，必須考慮云的輻射及凝結，這就會(huì )改變邊界層的結構。因此，對于有云情形，沒(méi)有一個(gè)普遍接受的邊界層高度定義。在激光雷達后向散射信號圖上，由于云內的湍流作用，云層造成的后向散射往往強于邊界層內氣溶膠造成的散射信號值量級。那么在“云頂”處，從云層過(guò)渡到自由大氣，必然對應激光雷達信號強的衰減，此種情況下，邊界層高度總是被“云頂”或云內某一高度取代。對于簡(jiǎn)單的情形，例如逆溫層阻止了層積云的進(jìn)一步發(fā)展，或者是對流云在對流不穩定條件下發(fā)展受到限制，這些情況下對流邊界層高度往往與云層完全耦合或與云層的一部分耦合，云層可認為是對流邊界層的上部，上述反演算法直接反演得到的高度為云頂高度或云內某一高度，可近似代替對流邊界層高度。但對于云層不是邊界層的結構組成時(shí)，例如對于邊界層高度以上有積云的陸上邊界層，邊界層高度與云層高度區別很大，需要進(jìn)一步討論。此外，已經(jīng)研究了邊界層頂上有云層覆蓋的情形，指出當一定深度的云層存在于對流邊界層頂時(shí)，我們所尋找的表征邊界層高度的信號減小最強的高度可信度就會(huì )很低，甚至有可能被云頂或云的邊界所代替。一些研究通過(guò)對云分類(lèi)型分別討論，從而改進(jìn)算法得到較合理的邊界層高度，但僅僅只適用于個(gè)例的討論，長(cháng)時(shí)間的自動(dòng)提取邊界層高度顯然并不可取。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種有云情況下利用激光雷達資料反演邊界層高度的方法，用以解決現有云情況下，邊界層高度計算不準確的算法。

技術(shù)負責人： 楊毅  大氣科學(xué)學(xué)院