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(yù)報及氣候預(yù)測等方面是一個非常重要的變量。尤其干旱區(qū)和半干旱區(qū)作為氣候變化的敏感區(qū)，邊界層過程對于氣候變化等起著不可替代的作用。諸多研究表明深對流邊界層(CBL)中的對流輸送和擴(kuò)散與局地陸面相互作用、天氣過程、氣候變化以及當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的選擇密切相關(guān)。因而，準(zhǔn)確反演邊界層高度，特別是干旱半干旱區(qū)的白天對流邊界層高度(CBLH)至關(guān)重要。然而，目前邊界層高度無法直接探測獲得，只能通過使用無線電探空、風(fēng)廓線雷達(dá)、聲雷達(dá)以及激光雷達(dá)等提供的諸如溫度廓線、氣溶膠廓線等進(jìn)行反演。

微脈沖激光雷達(dá)(MPL)憑借其發(fā)射對眼睛無傷害的波束的優(yōu)點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?shù)捻斏w逆溫層限制，邊界層內(nèi)的氣溶膠濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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良好示蹤物，而激光雷達(dá)能夠以高的時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(標(biāo)準(zhǔn)化后為NRB廓線)。近年來，利用激光雷達(dá)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(dá)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，云的存在會嚴(yán)重干擾邊界層高度的反演，導(dǎo)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(dāng)云覆蓋在邊界層頂處時，邊界層高度和云的上邊界一致，能夠通過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(yīng)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(yīng)的不同的邊界結(jié)構(gòu)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(qū)如敦煌，研究表明該地區(qū)白天CBLH可以達(dá)到4km。因此，針對不同的邊界層結(jié)構(gòu)，特定的閾值高度不易確定。Haeffelin等人提出了STRAT-2D方法來估算有云情況下的邊界層高度。該方法通過結(jié)合垂直方向和時間域的NRB梯度來確定混合層高度。對于每一個時間間隔，STRAT-2D方法提供3個不同的氣溶膠層造成的強(qiáng)梯度高度：最強(qiáng)梯度高度，次強(qiáng)梯度高度，高度最低的強(qiáng)梯度高度，混合層高度是3個梯度高度之一。Pal等人結(jié)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(jié)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(yīng)用于確定有云情況下的邊界層高度，邊界層高度終究對應(yīng)于該方法確定的3個梯度高度中的哪一個高度目前依然不是很明朗。此外，需要結(jié)合一些額外的輔助方法或其他資料來最終確定CBLH。Li等人通過使用一個客觀的高度閾值作為上限高度來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(jié)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，該方法最大的缺點是閾值高度的計算不僅依賴于其他資料，而且依賴于CCL計算的準(zhǔn)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(dá)NRB資料，準(zhǔn)確判定云層并有效剔除云對反演CBLH的影響，從而準(zhǔn)確反演有云情況下的CBLH是目前應(yīng)當(dāng)考慮的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了反演邊界層高度的方法、裝置、計算機(jī)設(shè)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(dá)NRB資料，準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化的后向散射信號NRB信息的激光雷達(dá)資料。

根據(jù)激光雷達(dá)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(dá)資料反演對流邊界層高度。

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