基于激光雷達的寧波市晴天邊界層高度特征

王 杰，許岳庭，夏靜雯，蔡仕博

(寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315193)

基于激光雷達的寧波市晴天邊界層高度特征

王 杰，許岳庭，夏靜雯，蔡仕博

(寧波市鄞州區(qū)氣象局，浙江 寧波 315193)

利用激光雷達對寧波鎮(zhèn)海站和奉化站2016年晴天大氣邊界層的日變化特征進行了分析。結果表明，寧波市全年晴天大氣邊界層高度變化1.4～1.9 km，早晨和夜間高度較低，午后較高，奉化站邊界層高度總體上高于鎮(zhèn)海站；春、夏、秋、冬四季晴天大氣邊界層高度變化分別為1.4～2.1、1.1～2.0、1.1～2.0、1.4～1.8 km，其中，夏冬兩季高度日變化呈一峰一谷型，春季鎮(zhèn)海站和奉化站高度接近，夏秋季奉化站邊界層較高，而冬季鎮(zhèn)海邊界層較高。

寧波； 激光雷達； 晴天； 大氣邊界層

大氣邊界層(atmospheric boundary layer，ABL)是指直接受地面影響的對流層部分，是地球表面與自由大氣之間進行物質、能量、熱量和水汽交換的必經氣層，主要通過摩擦阻力、蒸發(fā)蒸騰、熱量輸送和污染物排放等與地面發(fā)生相互作用。由于熱力作用導致的強烈日變化是大氣邊界層的一個重要特征，邊界層高度隨地表特征、季節(jié)和天氣背景的不同而不同，每天可在幾十米至幾千米內變化[1-2]。

大氣邊界層狀況與天氣預報、氣候預測、環(huán)境保護等密切相關，一直是大氣科學的研究熱點之一[3-4]。激光雷達作為探測對流層大氣的重要儀器，廣泛應用于大氣氣溶膠、空氣污染物、大氣成分以及云的研究。激光雷達探測范圍廣、時空分辨率高，國內眾多學者利用其對大氣邊界層進行研究[5-9]。楊輝等[10]利用MPL激光雷達，發(fā)現(xiàn)大氣邊界層氣溶膠含量穩(wěn)定，有明顯的氣溶膠多層結構。徐安倫等[11]研究發(fā)現(xiàn)，洱海湖濱大氣邊界層厚度具有顯著的日變化。王珍珠等[12]利用米散射激光雷達對北京城區(qū)夏季大氣邊界層進行了系統(tǒng)觀測，并分析了氣象條件和人類活動對其的影響。目前，對大氣邊界層季節(jié)變化的研究還很有限，因此，本文對寧波大氣邊界層的季節(jié)變化特征進行研究。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用2016年1月1日至12月31日晴天寧波鎮(zhèn)海站(站號：58561)和奉化站(站號：58565)安裝的AGHJ-I-LIDAR大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達(無錫中科光電技術有限公司生產)探測所得的大氣邊界層高度數(shù)據(jù)。鎮(zhèn)海站位于寧波東北部，奉化站位于西南部。

1.2 晴天選取

若某日(前一天20：00到當天20：00)降水量<0.1 mm，同時日照時數(shù)≥5.0 h，則將該日定義為晴天。本文研究時段內春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)、冬季(12、1、2月)的晴天天數(shù)分別為6、30、5、31 d，全年晴天共計72 d。

2 結果與分析

2.1 全年晴天大氣邊界層高度日變化特征

由圖1可以看出，2016年寧波市晴天大氣邊界層高度1.4～1.9 km，一天中邊界層高度有較為明顯的峰、谷變化趨勢，早晨和夜間高度較低，午后則較高。其中，奉化站邊界層高度的日變化基本呈單峰單谷型，從0：00起高度緩慢上升，16：00達到最大值，16：00以后高度逐漸減小，23：00降至1.6 km。而鎮(zhèn)海站邊界層高度的日變化則為雙峰雙谷型，0：00開始逐漸下降，4：00左右降至日最小值，5：00—13：00邊界層高度基本呈升高趨勢，13：00左右達到日最大值1.8 km，14：00之后又開始降低。奉化站和鎮(zhèn)海站對比可知，除1：00、12：00、13：00前后鎮(zhèn)海站邊界層高度比奉化站略高外，其余時段內奉化站邊界層高度均高于鎮(zhèn)海站。

圖1 2016年晴天大氣邊界層高度日變化分布

2.2 不同季節(jié)晴天大氣邊界層高度日變化特征

由圖2可知，春季寧波市晴天大氣邊界層高度變化為1.4～2.1 km，0：00—19：00大氣邊界層高度總體呈上升趨勢，凌晨至上午上升幅度較大，下午上升幅度較??；20：00以后大氣邊界層高度明顯下降，最大降幅可達0.4 km·h-1。鎮(zhèn)海站大氣邊界層高度在0：00—4：00呈現(xiàn)起伏較大的波動，但波動高度基本維持在1.6 km左右；4：00—5：00明顯升高，上升速度達0.3 km·h-1；6：00—20：00大氣邊界層高度變化緩慢，基本維持在1.8～2.0 km，其中13：00前后達日最高值2.0 km；20：00后大氣邊界層高度明顯下降，下降速度達0.2～0.3 km·h-1，23：00降至日最低值。奉化站的大氣邊界層高度在0：00—14：00緩慢上升，15：00—17：00又有所下降，18：00—19：00又明顯上升，上升幅度達0.3 km·h-1，19：00達日最大值；20：00開始逐漸下降，下降速度為0.3～0.4 km·h-1。

圖2 2016年春季晴天大氣邊界層高度日變化分布

從圖3可以看出，夏季寧波晴天大氣邊界層高度1.1～2.0 km，13：00之前呈現(xiàn)上升趨勢，13：00之后則開始降低。鎮(zhèn)海站大氣邊界層高度的分布有較為明顯的雙峰雙谷變化趨勢：0：00大氣邊界層高度已經達到1.5 km，1：00—4：00呈現(xiàn)下降趨勢，4：00達到夏季邊界層高度的最低值1.1 km，5：00—12：00呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，12：00達到最大值1.8 km，13：00之后又波動下降，18：00以后緩慢上升。而奉化站大氣邊界層高度變化較為平穩(wěn)，大氣邊界層高度變化總體呈現(xiàn)先平穩(wěn)上升后平穩(wěn)下降的趨勢?？傮w上，夏季鎮(zhèn)海站的大氣邊界層高度比奉化站小，但上升和下降的幅度大。

圖3 2016年夏季晴天大氣邊界層高度日變化分布

秋季寧波晴天大氣邊界層的高度為1.1～2.0 km(圖4)。鎮(zhèn)海站邊界層高度變化1.1～1.9 km，0：00—6：00緩慢下降，6：00—14：00呈現(xiàn)上升趨勢，6：00—8：00上升幅度大，8：00達最大值1.9 km；15：00之后逐步下降，20：00左右達最小值1.1 km。奉化站大氣邊界層高度0：00—2：00，降幅達0.4 km·h-1；2：00—13：00平穩(wěn)上升；13：00—23：00又逐漸下降，其中14：00—20：00變化平穩(wěn)。鎮(zhèn)海站邊界層高度上升或下降幅度更大，但奉化站大氣邊界層高度更高。

圖4 2016年秋季晴天大氣邊界層高度日變化分布

由圖5可知，冬季寧波晴天大氣邊界層的高度總體1.3～1.9 km，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，最大值出現(xiàn)在午后，最小值出現(xiàn)在凌晨；鎮(zhèn)海站的邊界層高度上升和下降的變化幅度比奉化站小，但高度比奉化站高0.1～0.2 km。

圖5 2016年冬季晴天大氣邊界層高度日變化分布

3 小結與討論

2016年晴天寧波大氣邊界層的平均高度1.4～1.9 km，高度分布有較為明顯的峰、谷變化趨勢，早晨和夜間高度較低，午后則較高。除1：00、12：00、13：00前后鎮(zhèn)海站邊界層高度略高外，其余時段內奉化站邊界層高度均高于鎮(zhèn)海站。

春季寧波晴天大氣邊界層高度變化為1.4～2.1 km，0：00—19：00總體呈上升趨勢，凌晨至上午上升幅度較大，下午上升幅度較小，20：00后高度明顯下降，最大降幅可達0.4 km·h-1。夏季寧波晴天大氣邊界層的平均高度為1.1～2.0 km，0：00—13：00呈現(xiàn)上升趨勢，14：00—23：00逐漸下降。鎮(zhèn)海站大氣邊界層高度分布有較為明顯的雙峰雙谷變化趨勢，而奉化站變化較為平穩(wěn)，鎮(zhèn)海站的大氣邊界層高度比奉化站小，但上升和下降的幅度更大。秋季寧波晴天大氣邊界層的高度為1.1～2.0 km，鎮(zhèn)海站大氣邊界層高度比奉化站小，但上升和下降的幅度更大。冬季寧波晴天大氣邊界層高度先升后降，為1.3～1.9 km。鎮(zhèn)海站大氣邊界層高度比奉化站高0.1～0.2 km，但變化幅度比奉化站小。

[1] 張大偉, 張東平, 范樹海, 等. 定向離子清洗對基片表面性質的影響[J]. 中國激光, 2004, 31(12): 1473-1477.

[2] WU Z, GU S T, KUO P K, et al. Laser-induced surface thermal lensing for thin film characterizations [J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1996, 2714: 294-304.

[3] EMEIS S. Atmospheric boundary-layer structure from simultaneous SODAR, RASS, and ceilometer measurements [J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(2): 273-286.

[4] STRAWBRIDGE K B, SNYDER B J. Planetary boundary layer height determination during Pacific 2001 using the advantage of a scanning lidar instrument [J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(34): 5861-5871.

[5] 賀千山, 毛節(jié)泰. 北京城市大氣混合層與氣溶膠垂直分布觀測研究[J]. 氣象學報, 2005, 63(3): 374-384.

[6] 毛敏娟. 機載大氣探測激光雷達的研制及大氣氣溶膠的探測研究[D]. 合肥：中國科學技術大學, 2007.

[7] 陳臻懿, 劉文清, 張玉鈞, 等. 用云高儀測量邊界層高度[J]. 激光技術, 2009, 33(5): 455-458.

[8] 胡歡陵, 吳永華, 謝晨波, 等. 北京地區(qū)夏冬季顆粒物污染邊界層的激光雷達觀測[J]. 環(huán)境科學研究, 2004, 17(1): 59-66.

[9] 張儀, 李季, 荀毓龍, 等. 機載激光雷達測量實驗報告[R].合肥: 安徽光機所, 2002.

[10] 楊輝, 劉文清, 陸亦懷, 等. 北京城區(qū)大氣邊界層的激光雷達觀測[J]. 光學技術, 2005, 31(2): 221-226.

[11] 徐安倫, 董保舉, 劉勁松, 等. 洱海湖濱大氣邊界層結構及特征分析[J]. 高原氣象, 2010, 29(3): 637-644.

[12] 王珍珠, 李炬, 鐘志慶, 等. 激光雷達探測北京城區(qū)夏季大氣邊界層[J]. 應用光學, 2008, 29(1): 96-100.

2017-10-13

鄞州區(qū)科技局農業(yè)與社會發(fā)展項目(鄞科[2013]90號)

王 杰(1988—)，男，浙江奉化人，工程師，學士，從事綜合氣象業(yè)務工作，E-mail：373208137@qq.com。

文獻著錄格式：王杰，許岳庭，夏靜雯，等. 基于激光雷達的寧波市晴天邊界層高度特征[J].浙江農業(yè)科學，2017，58(12)：2105-2107.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171207

X513

A

0528-9017(2017)12-2105-03

侯春曉)