反演邊界層高度的方法、裝置、計算機設備及存儲介質(zhì)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高度反演技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于高度閾值反演邊界層高度的方法。

背景技術(shù)

行星邊界層(PBL)是對流最底層直接受地表影響的大氣層，是地球與大氣之間進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的橋梁，PBL決定了水汽，熱量以及污染物垂直湍流混合的厚度。因此，邊界層高度在空氣質(zhì)量分析，天氣預報及氣候預測等方面是一個(gè)非常重要的變量。尤其干旱區和半干旱區作為氣候變化的敏感區，邊界層過(guò)程對于氣候變化等起著(zhù)不可替代的作用。諸多研究表明深對流邊界層(CBL)中的對流輸送和擴散與局地陸面相互作用、天氣過(guò)程、氣候變化以及當地可持續發(fā)展戰略的選擇密切相關(guān)。因而，準確反演邊界層高度，特別是干旱半干旱區的白天對流邊界層高度(CBLH)至關(guān)重要。然而，目前邊界層高度無(wú)法直接探測獲得，只能通過(guò)使用無(wú)線(xiàn)電探空、風(fēng)廓線(xiàn)雷達、聲雷達以及激光雷達等提供的諸如溫度廓線(xiàn)、氣溶膠廓線(xiàn)等進(jìn)行反演。

微脈沖激光雷達(MPL)憑借其發(fā)射對眼睛無(wú)傷害的波束的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地運用于遙感探測中。一般情況下，氣溶膠的排放源在近地層，并且受邊界層頂的頂蓋逆溫層限制，邊界層內的氣溶膠濃度遠遠高于上層的自由大氣。氣溶膠的垂直分布被視為反演邊界層高度的一個(gè)良好示蹤物，而激光雷達能夠以高的時(shí)空分辨率提供對流層底層大氣氣溶膠的后向散射信號廓線(xiàn)(標準化后為NRB廓線(xiàn))。近年來(lái)，利用激光雷達資料反演邊界層高度受到了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注。具體算法包括梯度法(GD)、曲線(xiàn)擬合法(CF)，以及小波協(xié)方差變換法包括哈爾小波變化法(H-WCT)和墨西哥帽小波變換法(MH-WCT)等方法。然而，上述方法基于激光雷達資料利用反演邊界層高度未必在所有天氣條件下都適用。特別地，云的存在會(huì )嚴重干擾邊界層高度的反演，導致有云情況下邊界層高度的誤判，因為云層造成的后向散射信號的遞減和邊界層頂處氣溶膠濃度衰減造成的后向散射信號的遞減極為相似。當云覆蓋在邊界層頂處時(shí)，邊界層高度和云的上邊界一致，能夠通過(guò)探測云的上邊界獲得邊界層的厚度。然而，如果云層位于邊界層以上的自由大氣，則邊界層高度和云高完全不同，應該在云底以下進(jìn)行邊界層高度的反演。因而，對于有云情況下白天對流邊界層高度(CBLH)的反演，必須考慮云的影響。

針對云層影響利用激光資料反演邊界層高度的問(wèn)題，目前已有一些研究。其中，有研究在某一特定的閾值高度下反演邊界層高度。Cheng等人在2.5km以下利用梯度法基于MPL資料反演邊界層高度，然而這一特定的閾值對于其他的下墊面對應的不同的邊界結構未必適合。一般情況下，白天CBLH大概在1～2km。但是，在中國的西北地區如敦煌，研究表明該地區白天CBLH可以達到4km。因此，針對不同的邊界層結構，特定的閾值高度不易確定。Haeffelin等人提出了STRAT-2D方法來(lái)估算有云情況下的邊界層高度。該方法通過(guò)結合垂直方向和時(shí)間域的NRB梯度來(lái)確定混合層高度。對于每一個(gè)時(shí)間間隔，STRAT-2D方法提供3個(gè)不同的氣溶膠層造成的強梯度高度：最強梯度高度，次強梯度高度，高度最低的強梯度高度，混合層高度是3個(gè)梯度高度之一。Pal等人結合方差分析，從STRAT-2D方法確定的特定梯度高度和云底高度中得到平均CBLH。Cimini等人利用STRAT-2D方法，結合微波輻射計提供的亮溫資料反演得到混合層高度。盡管STRAT-2D被廣泛地應用于確定有云情況下的邊界層高度，邊界層高度終究對應于該方法確定的3個(gè)梯度高度中的哪一個(gè)高度目前依然不是很明朗。此外，需要結合一些額外的輔助方法或其他資料來(lái)最終確定CBLH。Li等人通過(guò)使用一個(gè)客觀(guān)的高度閾值作為上限高度來(lái)反演有云情況下的邊界層高度。不同于Cheng等人的研究，Li等人研究使用由微波輻射計提供的溫度資料計算的抬升凝結高度CCL作為反演CBLH的閾值高度，即只有CCL以下的NRB資料被用來(lái)反演邊界層高度。該方法在一定程度上減弱了位于自由大氣的云層對于邊界層高度反演的干擾。然而，該方法最大的缺點(diǎn)是閾值高度的計算不僅依賴(lài)于其他資料，而且依賴(lài)于CCL計算的準確性。

那么如何在不借助其他方法或資料的情況下，僅依靠激光雷達NRB資料，準確判定云層并有效剔除云對反演CBLH的影響，從而準確反演有云情況下的CBLH是目前應當考慮的問(wèn)題。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供了反演邊界層高度的方法、裝置、計算機設備及存儲介質(zhì)，用以在不借助其他方法或資料的情況下，僅依靠激光雷達NRB資料，準確判定云層并有效剔除云對反演邊界層高度的影響，從而準確反演有云情況下的邊界層高度。

本發(fā)明所提供的一種反演邊界層高度的方法，其具體流程包括：

獲取包含標準化的后向散射信號NRB信息的激光雷達資料。

根據激光雷達資料的NRB信息找到云層。

對云層進(jìn)行判定，判定云層為邊界層云或非邊界層云；并針對邊界層云和非邊界層云分別確定反演邊界層高度的上限閾值高度。

針對云層，在不同的閾值高度以下，基于激光雷達資料反演對流邊界層高度。

技術(shù)負責人： 楊毅  大氣科學(xué)學(xué)院