技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種有云情況下利用激光雷達(dá)資料反演邊界層高度的方法。該方法可廣泛用于天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境保護(hù)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(kuò)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(shù)，此外，邊界層高度在邊界層湍流結(jié)構(gòu)研究等問(wèn)題中也是非常重要的參數(shù)。盡管邊界層高度有其突出的重要性，但沒(méi)有直接測(cè)量邊界層高度的方法，目前主要是由其他實(shí)測(cè)資料來(lái)確定邊界層高度。一種途徑是根據(jù)地面觀測(cè)資料使用經(jīng)驗(yàn)公式得到邊界層高度，另一種是根據(jù)風(fēng)速、位溫等氣象要素在邊界層內(nèi)的變化特征確定邊界層高度。

由于探測(cè)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(duì)流情況下，混合層內(nèi)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(shù)。而在邊界層頂，湍流強(qiáng)度突然減小，對(duì)應(yīng)風(fēng)速及位溫的急劇增大。依據(jù)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(duì)濕度的垂直廓線；鐵塔觀測(cè)也提供上述廓線；此外風(fēng)廓線雷達(dá)能夠提供邊界層內(nèi)高時(shí)空分辨率的風(fēng)廓線觀測(cè)，微波輻射計(jì)能提供地面向上10km內(nèi)的溫度和濕度觀測(cè)，這些廓線均可用來(lái)確定邊界層高度。另外AMDAR(Aircraft Meteorological Data Reporting)資料提供商業(yè)飛機(jī)起飛和降落時(shí)的大氣要素廓線，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(dá)由于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣溶膠的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，使得利用激光雷達(dá)資料反演白天對(duì)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(nèi)的湍流作用氣溶膠濃度在對(duì)流邊界層內(nèi)的濃度遠(yuǎn)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(dá)后向散射廓線上即表現(xiàn)為信號(hào)值的突然減小。激光雷達(dá)后向散射信號(hào)的這一性質(zhì)被用于反演邊界層高度。利用激光雷達(dá)資料反演邊界層高度的方法主要有目測(cè)法，閾值法，梯度法，方差法，曲線擬合法和小波變換法等。其中曲線擬合法由于將后向散射廓線作為一個(gè)整體，當(dāng)信號(hào)噪聲不大時(shí)，往往得到穩(wěn)健的結(jié)果；小波變換法分析信號(hào)的局部信息，算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)邊界層高度的自動(dòng)化反演。曲線擬合法與小波變換法較其他方法更具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被證實(shí)在晴空無(wú)云的對(duì)流情況下反演陸地邊界層高度有較好的表現(xiàn)。

但是，由于這些反演算法的原理是尋找激光雷達(dá)后向散射信號(hào)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(jié)，這就會(huì)改變邊界層的結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)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(dá)后向散射信號(hào)圖上，由于云內(nèi)的湍流作用，云層造成的后向散射往往強(qiáng)于邊界層內(nèi)氣溶膠造成的散射信號(hào)值量級(jí)。那么在“云頂”處，從云層過(guò)渡到自由大氣，必然對(duì)應(yīng)激光雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)的衰減，此種情況下，邊界層高度總是被“云頂”或云內(nèi)某一高度取代。對(duì)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(duì)流云在對(duì)流不穩(wěn)定條件下發(fā)展受到限制，這些情況下對(duì)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(rèn)為是對(duì)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(nèi)某一高度，可近似代替對(duì)流邊界層高度。但對(duì)于云層不是邊界層的結(jié)構(gòu)組成時(shí)，例如對(duì)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(qū)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(dāng)一定深度的云層存在于對(duì)流邊界層頂時(shí)，我們所尋找的表征邊界層高度的信號(hào)減小最強(qiáng)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(duì)云分類型分別討論，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(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)提取邊界層高度顯然并不可取。

發(fā)明內(nèi)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(dá)資料反演邊界層高度的方法，用以解決現(xiàn)有云情況下，邊界層高度計(jì)算不準(zhǔn)確的算法。

技術(shù)負(fù)責(zé)人： 楊毅  大氣科學(xué)學(xué)院