大气边界层高度的地基遥感观测及其在中国的分布和趋势

发布时间：2020-06-05 09:43

【摘要】：大气边界层是直接受到地球下垫面影响的低层大气,是热量、水汽、大气污染物等能量和物质从地面向大气中输送的纽带,天气系统的发生发展、气候变化以及人类活动对地球系统的影响均与边界层内的大气运动紧密相连。大气边界层高度(Boundary Layer Height,简称BLH)是描述大气边界层结构特征的关键参数,对BLH的研究有助于了解边界层过程和结构,以及对局地大气污染监测和预报、天气和气候变化的研究具有重要的意义。本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的微脉冲激光雷达(MPL-4B)和微波辐射计(TP/WVP-3000)的地基遥感数据反演确定大气边界层高度,比较和分析了两种数据的结果。此外,利用欧洲中心ERA-Interim再分析数据和怀俄明大学无线电探空数据计算分析了中国地区的BLH气候特征。(1)基于激光雷达确定BLH时,云层引起的较强回波和夜间残余层都会影响算法的准确性和稳定性。经过云识别算法去除云层的影响,并以白天对流边界层顶作为检索夜间BLH的上限,再利用Haar小波协方差法确定BLH,得到了更加可靠的结果,且方法简单,适合大量数据的自动化处理。对于微波辐射计观测的数据,当有贴地逆温层存在时,将贴地逆温层顶部确定为BLH,其他情况下将位温梯度最大的高度确定为BLH。对比激光雷达和微波辐射计的BLH结果,两种地基遥感数据均准确地确定了边界层高度。由激光雷达确定的BLH高于微波辐射计的结果,而且日变化的振幅更大,为500 m,微波辐射计的日变化振幅约为300 m。由于气溶胶层的下降晚于大气层结状态的改变,微波辐射计所得的BLH在17:00(Local time,LT)开始下降,激光雷达所得的BLH在18:00 LT后才开始有明显的降低。(2)为了解中国区域的BLH气候特征,利用1979年1月至2017年12月的ERA-Interim再分析数据和怀俄明大学无线电探空数据采用总体理查森数方法确定BLH,并分析中国区域BLH的气候分布特征和变化趋势。首先,对于利用怀俄明大学探空数据(主要是标准等压面和特性层上的探空数据)确定BLH的可靠性,本文利用北京站(54511)和榆中站(52983)高垂直分辨率的秒级探空数据进行验证,两种垂直分辨率的数据得出的BLH的相关系数,在北京站08:00和20:00 BJT分别为0.96和0.94,榆中站分别为0.75和0.85,均通过显著性检验,故标准等压面和特性层上的探空数据的垂直分辨率可以满足总体理查森数确定BLH的需要,因此利用这类由怀俄明大学气象网站提供的无线电探空数据来研究1979年至2017年中国地区的BLH的气候特征。ERA-Interim再分析数据和无线电探空数据得出的BLH相关系数为0.35-0.73,并通过了显著性检验。因此,由ERA-Interim再分析数据计算得出的BLH可以揭示中国地区BLH的特征。由ERA-Interim再分析数据得出的1979年至2017年的BLH平均值分布特征可知,塔克拉玛干沙漠等戈壁沙漠地区、青藏高原地区和内蒙古东部地区是明显的BLH高值区,约400 m;祁连山脉、天山山脉,云贵高原东南部以及四川盆地为BLH明显的低值区,约150 m,BLH的高低值中心均对应有地面感热通量的高值区和低值区。同时BLH高值区的标准差最大,为250-300 m,BLH低值区的标准差最低,为100-150 m。在季节变化特征上,西北地区的BLH夏季最高,春季次之,冬季最低。青藏高原地区的BLH在春季和冬季的BLH高于夏季和秋季。东北地区的BLH春季最高,夏季次之,冬季最低。对比无线电探空的BLH月变化和季节变化,ERA-Interim所揭示的特征得到了一定的验证。根据1979-2017年的ERA-Interim再分析数据得出的BLH变化趋势,祁连山脉地区、青藏高原东南部、新疆北部、内蒙古中部、东北平原地区、山东半岛、云贵高原东南部和华南地区的BLH有显著的下降趋势,以14:00 BJT最为明显,降幅最大可达-2 m/year;黄土高原东部地区、塔克拉玛干沙漠周边的山脉地区、青藏高原东南部边缘以及京津地区的上升趋势显著,以14:00 BJT最为明显,最高可达0.9 m/year,以02:00 BJT上升区域范围最大。利用无线电探空数据计算的BLH验证了上述变化趋势,但也存在某些站点趋势的不一致,总体来说,我国的BLH具有显著的气候变化趋势和区域性差异。
【图文】：

微波辐射计,激光雷达,地貌,地理位置

2.1 SACOL 观测数据兰州大学半干旱气候与环境观测站（Semi-Arid Climate and EnvironmObservatory of Lanzhou University，简称 SACOL）建立于 2005 年，位于兰州学榆中校区（35.946oN，104.137oE），海拔 1965m，距离兰州市区 50km。测位于萃英山顶，为典型的黄土高原残塬地貌，地势较平坦，地表为长芒草、冷蒿赖草等原生植被；年平均气温 6.7 ℃，年降水量 381.8mm，属温带半干旱气候盛行风为西北和东南风，年平均风速约为 1.6m/s（Huang 等，2008；梁捷宁，2014；苑广辉等，2018）。SACOL 是国内第一个在高校建立的研究型气候观平台，承担国家 973 项目、国家自然科学基金项目等多个项目，是研究我国半旱区气候特征、大气环境、区域生态等方面重要长期观测站点。本文使用SACOL 微脉冲激光雷达（Micor Pulse Lidar，，简称 MPL）和微波辐射计（MicrowRadiometer，简称 MR）的观测资料。(a) (b)

激光雷达,信号,高斯滤波,蓝线

关于激光雷达数据反演边界层的原理，从上述看出激光雷达接收到的后向散射信号只受大气总后向散射系数以及消光系数的影响，信号强度大小与大气中气溶胶粒子的浓度成正比。气溶胶粒子来自于地表，一般来说随高度增加气溶胶粒子的浓度下降，在边界层内大气的湍流输送扩散较强，污染物浓度较高且混合比较均匀，而边界层之上的自由对流层相对来说气溶胶粒子浓度较小，在边界层顶气溶胶浓度分布不连续。因此反映在激光雷达的探测中，边界层内后向散射信号较强，在自由对流层后向散射信号迅速减小，在边界层顶处后向散射信号梯度变化最大。在利用激光雷达反演 BLH 的各种方法中，方法的关键都在于如何确定后向散射信号梯度变化最大的地方，并将该处定义为 BLH。但是，在激光雷达观测中，云层具有较强的后向散射信号，与气溶胶层的后向散射信号有显著的差别，信号在遇到云层时数值会有明显的增大，对确定后向散射信号梯度变化最大的地方带来困难，如图 3-1 所示。此外，激光雷达的信噪比会随高度增加而增加，为在云识别中有较好的稳定性和准确性，本文首先对后向散射信号采用高斯滤波，在保持原有信号中云层和气溶胶层的特征下，去除了一定的噪声，滤除的效果如图 3-1 所示。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P421.3;P407

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