基于激光雷達(dá)的邊界層高度探測(cè)研究

摘要 將激光雷達(dá)與無(wú)線(xiàn)電探空的邊界層高度做一分析對(duì)比，并且對(duì)城市與郊區(qū)的邊界層激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果做一對(duì)比分析。結(jié)果表明：市區(qū)邊界層有一典型的日變化特點(diǎn)，早晚比較低，日間有一個(gè)低到高、再?gòu)母叩降偷倪^(guò)程；激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與無(wú)線(xiàn)電探空結(jié)果比較吻合；市區(qū)邊界層高度高于郊區(qū)。

關(guān)鍵詞 激光雷達(dá)；邊界層高溫；無(wú)線(xiàn)電探空；城市；郊區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）17-05678-02

大氣邊界層（Atmospheric boundary layer，簡(jiǎn)稱(chēng)ABL）是指大氣層最底下的一個(gè)薄層，是大氣與下墊面直接發(fā)生相互作用的層次，也是地球—大氣之間物質(zhì)和能量交換的橋梁。大氣邊界層的主要構(gòu)成：底部為位溫基本不變的混合層，頂部為一逆溫層，稱(chēng)為卷夾層。由于大氣邊界層狀況（混合層高度、卷夾層厚度等）與天氣、氣象預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等密切相關(guān)，所以對(duì)大氣邊界層的研究一直是大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[1-7]。激光雷達(dá)是探測(cè)對(duì)流層大氣的一種有效手段，被廣泛應(yīng)用于大氣氣溶膠、空氣污染物、大氣成分以及云的研究。使用探測(cè)范圍大、時(shí)空分辨率高的遙感設(shè)備（如激光雷達(dá)、聲雷達(dá)）等可以較容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層的探測(cè)，而且激光雷達(dá)探測(cè)邊界層高度的可行性已為大量試驗(yàn)所證實(shí)。

1 激光雷達(dá)及其探測(cè)方法

激光雷達(dá)發(fā)射的激光在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)因大氣中空氣分子和氣溶膠粒子產(chǎn)生散射和吸收。通過(guò)接收和測(cè)量大氣后向散射的光信號(hào)，便可以提取出空氣分子和氣溶膠粒子光學(xué)參數(shù)的有關(guān)信息。MSL激光雷達(dá)就是根據(jù)這一原理研制的，主要由3個(gè)部分組成：激光發(fā)射單元、信號(hào)接收與探測(cè)單元及數(shù)據(jù)采集與控制單元（圖1），其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3 確定邊界層高度的方法

3.1 探空儀法（位溫廓線(xiàn)法）

高度位溫在近地層逐漸減少，而在混合層中則變化不大，在邊界層頂則存在一個(gè)逆溫層，邊界層高度大概就存在于這一層。

3.2 雷達(dá)回波斜率（-db/dz）法

該方法是基于計(jì)算后向散射回波的垂直變化率的思想，來(lái)求其最大變率所對(duì)應(yīng)高度，即為邊界層高度。該方法首先由Endlich等于1979年應(yīng)用于實(shí)踐，由于回波中包含大量噪聲，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下無(wú)提取出較好的示蹤物回波信號(hào)，故其回波廓線(xiàn)無(wú)明顯變化區(qū)域。

5 激光雷達(dá)測(cè)量市區(qū)與郊區(qū)邊界層高度對(duì)比分析

從表4、5和圖4可以看出，市區(qū)各時(shí)刻平均邊界層高度明顯高于郊區(qū)，同一時(shí)刻城市邊界層高度高于郊區(qū)100～200 m；市區(qū)與郊區(qū)的邊界層高度最大值都出現(xiàn)在中午或午后，但郊區(qū)相對(duì)市區(qū)滯后。

圖5給出了激光雷達(dá)探測(cè)市區(qū)與郊區(qū)邊界層高度的結(jié)果比較。圖中點(diǎn)為測(cè)量值，直線(xiàn)為用最小二乘法擬合得到的結(jié)果。從圖5可以清楚地看到，擬合直線(xiàn)（斜率為0.934 9）與X軸的夾角近似成45°，測(cè)量值均勻地分布在擬合直線(xiàn)的兩旁，兩種探測(cè)結(jié)果的R2為0.716 9。擬合直線(xiàn)所在數(shù)據(jù)區(qū)間在（x=y）下方，斜率小于1，所以城市邊界層高度高于郊區(qū)。

這個(gè)結(jié)果可能是由于城市熱島效應(yīng)造成城市邊界層內(nèi)湍流活動(dòng)增加，使得邊界層厚度加厚造成的。

6 結(jié)論

（1）城市邊界層高度具有明顯的日變化特點(diǎn)，早晚較低，有一個(gè)明顯的日變化過(guò)程，由低到高再由高到低。

（2）無(wú)線(xiàn)電探空與激光雷達(dá)資料分析結(jié)果比較吻合，激光雷達(dá)分析結(jié)果高于無(wú)線(xiàn)電探測(cè)結(jié)果。

（3）市區(qū)與郊區(qū)的激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析表明，市區(qū)邊界層高度高于郊區(qū)。

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