CN106569226B - 一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法，包括：步骤1，计算对流凝结高度，步骤2，在对流凝结高度以下计算边界层高度。相对传统的边界层高度计算方法，本发明引入对流凝结高度对计算边界层高度的方法进行限制，能有效减小有云时对利用激光雷达资料反演计算边界层高度的方法影响，大大提高利用激光雷达资料反演计算边界层高度的方法准确性。本发明利用微脉冲激光雷达资料反演边界层高度的方法具有方法简单，准确性高的特点。

Description

一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法

技术领域

本发明涉及大气探测技术领域，具体涉及一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法。该方法可广泛用于天气预报、环境保护以及航空安全等相关行业。

背景技术

大气边界层，又称行星边界层，由近地层、混合层及其上部的夹卷层组成。由于该气层为连接大气与地面的最低层气层，故该气层是大气和地面之间进行物质和能量交换的桥梁。边界层的研究中，边界层高度是研究者最关心的问题之一，由于边界层高度定义了污染物扩散的有效体积，使得边界层高度在空气污染模型中是一个非常重要的参数(Seibert,P.,F.Beyrich,S.-E.Gryning,S.Joffre,A.Rasmussen,and Ph.Tercier(2000),Review and intercomparison of operational methods for the determination ofthe mixing height,Atmos.Environ.,34(7),1001–1027)，此外，边界层高度在边界层湍流结构研究(Hashmonay,R.,A.Cohen,and U.Dayan(1991),Lidar observations ofatmosphere boundary layer in Jerusalem,J.Appl.Meteorol.,30,1228–1236)等问题中也是非常重要的参数。尽管边界层高度有其突出的重要性，但没有直接测量边界层高度的方法，目前主要是由其他实测资料来确定边界层高度。一种途径是根据地面观测资料使用经验公式得到边界层高度，另一种是根据风速、位温等气象要素在边界层内的变化特征确定边界层高度。

由于探测手段的不断进步，后一种方法是目前提取边界层高度的主流方法。在对流情况下，混合层内的风速、位温等气象要素由于湍流混合作用几乎不随高度变换，为一常数。而在边界层顶，湍流强度突然减小，对应风速及位温的急剧增大。依据风速、位温在垂直方向的这一变化特征可以获得边界层高度。探空资料提供风速、温度、相对湿度的垂直廓线；铁塔观测也提供上述廓线；此外风廓线雷达能够提供边界层内高时空分辨率的风廓线观测，微波辐射计能提供地面向上10km内的温度和湿度观测，这些廓线均可用来确定边界层高度。另外AMDAR(Aircraft Meteorological Data Reporting)资料提供商业飞机起飞和降落时的大气要素廓线，这些资料也可以用来确定边界层高度。在白天，地基激光雷达由于可以实现对大气气溶胶的实时连续监测，使得利用激光雷达资料反演白天对流边界层高度得到越来越多的关注。

通常情况下，由于边界层内的湍流作用气溶胶浓度在对流边界层内的浓度远高于自由大气中的浓度，因此在边界层与自由大气的交界处存在气溶胶浓度的快速递减，反映在雷达后向散射廓线上即表现为信号值的突然减小。激光雷达后向散射信号的这一性质被用于反演边界层高度。利用激光雷达资料反演边界层高度的方法主要有目测法，阈值法，梯度法，方差法，曲线拟合法和小波变换法等。其中曲线拟合法由于将后向散射廓线作为一个整体，当信号噪声不大时，往往得到稳健的结果；小波变换法分析信号的局部信息，算法简单，容易实现边界层高度的自动化反演。曲线拟合法与小波变换法较其他方法更具优势，已经被证实在晴空无云的对流情况下反演陆地边界层高度有较好的表现(Steyn,D.G.,M.Baldi,and R.M.Hoff(1999),The detection of mixed layer depth and entrainmentzone thickness from lidar backscatter profiles,J.Atmos.Oceanic Technol.,16,953-959；Cohn,S.A.,and W.M.Angevine(2000),Boundary layer height andentrainment zone thickness measured by lidars and wind-profiling radars,J.Appl.Meteorol.,39,1233-1247)。

但是，由于这些反演算法的原理是寻找激光雷达后向散射信号急剧减小的高度，因此必须是基于晴空大气的。云层存在时，必须考虑云的辐射及凝结，这就会改变边界层的结构(Garratt,J.R.(1992),The Atmospheric Boundary Layer.Cambridge UniversityPress.)。因此，对于有云情形，没有一个普遍接受的边界层高度定义。在激光雷达后向散射信号图上，由于云内的湍流作用(Angevine,W.M.,A.B.White,and S.K.Avery(1994),Boundary-layer depth and entrainment zone characterization with a boundary-layer profiler,Boundary-Layer Meteorol.,68,375-385)，云层造成的后向散射往往强于边界层内气溶胶造成的散射信号值量级。那么在“云顶”处，从云层过渡到自由大气，必然对应激光雷达信号强的衰减，此种情况下，边界层高度总是被“云顶”或云内某一高度取代(Hennemuth,B.,and A.Lammert(2006),Determination of the atmospheric boundarylayer height from radiosonde and lidar backscatter,Boundary-Layer Meteorol.,120,181-200)。对于简单的情形，例如逆温层阻止了层积云的进一步发展，或者是对流云在对流不稳定条件下发展受到限制，这些情况下对流边界层高度往往与云层完全耦合或与云层的一部分耦合，云层可认为是对流边界层的上部，上述反演算法直接反演得到的高度为云顶高度或云内某一高度，可近似代替对流边界层高度。但对于云层不是边界层的结构组成时，例如对于边界层高度以上有积云的陆上边界层，边界层高度与云层高度区别很大，需要进一步讨论。此外，Grimsdell(Grimsdell,A.W.,and W.M.Angevine(1998),Convectiveboundary layer height measurement with wind profilers and comparison to cloudbase,J.Atmos.Oceanic Technol.,15,1331-1338)已经研究了边界层顶上有云层覆盖的情形，指出当一定深度的云层存在于对流边界层顶时，我们所寻找的表征边界层高度的信号减小最强的高度可信度就会很低，甚至有可能被云顶或云的边界所代替。一些研究通过对云分类型分别讨论，从而改进算法得到较合理的边界层高度(Chazette,P.,J.Pelon,G.Mégie(2001),Determination by spaceborne backscatter lidar of the structuralparameters of atmospheric scattering layers,Appl.Opt.,40(21),3428-3440.)，但仅仅只适用于个例的讨论，长时间的自动提取边界层高度显然并不可取。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法，用以解决现有云情况下，边界层高度计算不准确的算法。

为实现上述目的，本发明提供一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法，包括：

步骤1，计算对流凝结高度，利用微波辐射计的温度廓线，求温度廓线与从地面露点出发的等饱和比湿线的交点计算得出对流凝结高度h；

步骤2，在所述对流凝结高度h以下利用曲线拟合法反演边界层高度，具体为：在所述对流凝结高度h以下分别给出一个边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s的初始猜测值，所述边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s均为随机变量，使用Steyn et al.(Steyn,D.G.,M.Baldi,and R.M.Hoff(1999),The detection of mixed layer depth andentrainment zone thickness from lidar backscatter profiles,J.Atmos.OceanicTechnol.,16,953-959)的假设，假设夹卷层厚度EZT＝2.77*s，计算出z_m-0.5EZT高度以下的后向散射信号的平均值B_m，z_m+0.5EZT高度以上的后向散射信号的平均值B_u，由(1)式计算出B(z)，

其中，z为垂直高度，假设我们的后向散射廓线可用的高度范围为z_min至z_max，B0(z)原始后向散射信号值，erf(a)为误差函数，由(2)式计算出所述误差函数erf(a)，

再用计算出的B(z)求得的值；

步骤3，再给予所述边界层高度z_m一个增量g，同时给予所述夹卷层厚度有关的量s一个增量t，使其形成一组新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s，比较新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s是否都小于所述流凝结高度h且大于z_min，如果都小于所述流凝结高度h且大于z_min，则将新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s带入步骤2中进行计算，得出一个新的的值，如果新的所述边界层高度z_m或所述夹卷层厚度有关的量s大于所述流凝结高度h或小于z_min，则继续再给予所述边界层高度z_m一个增量g，同时给予所述夹卷层厚度有关的量s一个增量t后，再继续与所述流凝结高度h进行比较，

其中，所述g为一个随机变量，-200m≤g≤200m，所述t为一个随机变量，-100m≤t≤100m；

步骤4，将步骤2和3循环n次，共得到n组新的所述边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s，相应的得到n个值，使值最小的那个z_m即为所述边界层高度，所述n>1。

相对传统的边界层高度计算方法，本发明引入对流凝结高度对计算边界层高度的方法进行限制，能有效减小有云时对利用激光雷达资料反演边界层高度的方法影响，大大提高利用激光雷达资料反演边界层高度的方法准确性。本发明利用激光雷达资料反演边界层高度的方法具有方法简单，准确性高的特点。

附图说明

图1为本发明对流凝结高度求解示意图。

图2为本发明有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法求得某地11点45分的边界层高度示意图。

图3为传统的利用激光雷达资料反演边界层高度的方法求得某地11点45分的边界层高度示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，在利用微脉冲激光雷达资料计算有云情况下某地11点45分的边界层高度时，按以下步骤进行计算。

步骤a计算对流凝结高度，利用微波辐射计的温度廓线，求温度廓线与从地面露点出发的等饱和比湿线的交点计算得出对流凝结高度。具体如下：

步骤a1计算地表露点温度Td₀：

首先由地表温度利用Tetens经验公式(Coulson K L(1959),Characteristics ofthe radiation emerging from the top of a Rayleigh atmosphere—II:Total upwardflux and albedo，Planetary&Space Science,1(4):277-284)计算地表饱和水汽压e_s：

其中，T₀为测得的地表温度。

其次由微波辐射计测得的地表相对湿度RH₀计算地表水汽压：

e＝e_s*RH₀*0.01 (2)

最后将计算的e代入(1)式的e_s位置，计算出来的T₀即为Td₀。

步骤a2计算对流凝结高度：

由于未饱和的湿空气块在垂直上升运动中，其露点温度随高度而降低，约为0.17℃/米(吕伟林(1980),用公式计算对流云高,气象,1980(11),9-9)，露点温度随高度的变化即为等饱和比湿线。温度廓线与从地面露点出发的等饱和比湿线的交点则该高度为对流凝结高度。最终寻找交点高度为1.491865km，即对流凝结高度为1.491865km。

步骤b在对流凝结高度1.491865km以下利用曲线拟合法反演边界层高度，具体为：在对流凝结高度1.491865km以下分别给出一个边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s的初始猜测值，由于边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s均为随机变量，在本实施例中，边界层高度z_m初始猜测值为1000m，当然也可以是1100m、1200m或者其他值，夹卷层厚度有关的量s的初始猜测值为200m，当然也可以是210m、220m或者其他值。使用Steyn et al.(Steyn,D.G.,M.Baldi,and R.M.Hoff(1999),The detection of mixed layer depth andentrainment zone thickness from lidar backscatter profiles,J.Atmos.OceanicTechnol.,16,953-959)的假设，假设夹卷层厚度EZT＝2.77*s，计算出z_m-0.5EZT高度以下的后向散射信号的平均值B_m，z_m+0.5EZT高度以上的后向散射信号的平均值B_u，由(3)式计算出B(z)，

其中，z为垂直高度，假设我们的后向散射廓线可用的高度范围为z_min至z_max，B0(z)原始后向散射信号值，erf(a)为误差函数，由(4)式计算出误差函数erf(a)，

再用计算出的B(z)求得的值。

步骤c，再给予边界层高度z_m一个增量g，由于g为一个随机变量，-200m≤g≤200m，t为一个随机变量，-100m≤t≤100m，在本实施例中，g＝200m。同时给予夹卷层厚度有关的量s一个增量t，在本实施例中，t＝100m，使其形成一组新的边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s。比较新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s是否都小于所述流凝结高度1.491865km且大于z_min，如果都小于所述流凝结高度1.491865km且大于z_min，则将新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s带入步骤2中进行计算，得出一个新的的值，如果新的所述边界层高度z_m或所述夹卷层厚度有关的量s大于所述流凝结高度1.491865km或小于z_min，则继续再给予所述边界层高度z_m一个增量g，同时给予所述夹卷层厚度有关的量s一个增量t后，再继续与所述对流凝结高度h进行比较。

步骤d，将步骤b和c循环n次，共得到n组新的边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s，相应的得到n个值，使值最小的那个z_m即为所述边界层高度。最后计算得出边界层z_m高度为0.5448059km。如图2所示，在对流凝结高度1.491865km以下，计算得出边界层z_m高度为0.5448059km。

图3则为没有经过计算对流凝结高度限制直接计算某地11点45分时的边界层高度z_m为1.9505552km，而B0(z)在1.8km上下高度的归一化后散射系数值较高，说明云层处于这一高度，云层的存在干扰了曲线拟合法捕获边界层高度。因此，当边界层高度以上存在云层情况下，没有经过对流凝结高度的限制直接计算边界层高度的计算结果误差较大。通过加入计算对流凝结高度进行限制，再计算边界层高度，计算的边界层高度准确性大大提高，去除了边界层以上云层对计算边界层高度的影响。

当然，这种通过计算对流凝结高度的限制计算边界层高度的方法也适用于限制小波变换法计算边界层高度。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法，其特征在于，所述有云情况下利用激光雷达资料反演边界层高度的方法包括：

步骤1，计算对流凝结高度，利用微波辐射计的温度廓线，求温度廓线与从地面露点出发的等饱和比湿线的交点计算得出对流凝结高度h；

步骤2，在所述对流凝结高度h以下利用曲线拟合法反演边界层高度，具体为：在所述对流凝结高度h以下分别给出一个边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s的初始猜测值，所述边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s均为随机变量，假设夹卷层厚度EZT＝2.77*s，计算出z_m-0.5EZT高度以下的后向散射信号的平均值B_m，z_m+0.5EZT高度以上的后向散射信号的平均值B_u，由(1)式计算出B(z)，

其中，z为垂直高度，假设我们的后向散射廓线可用的高度范围为z_min至z_max，B0(z)为原始后向散射信号值，erf(a)为误差函数，由(2)式计算出所述误差函数erf(a)，

再用计算出的B(z)求得的值；

步骤3，再给予所述边界层高度z_m一个增量g，同时给予所述夹卷层厚度有关的量s一个增量t，使其形成一组新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s，比较新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s是否都小于所述对流凝结高度h且大于z_min，如果都小于所述对流凝结高度h且大于z_min，则将新的所述边界层高度z_m和所述夹卷层厚度有关的量s带入步骤2中进行计算，得出一个新的的值，如果新的所述边界层高度z_m或所述夹卷层厚度有关的量s大于所述对流凝结高度h或小于z_min，则继续再给予所述边界层高度z_m一个增量g，同时给予所述夹卷层厚度有关的量s一个增量t后，再继续与所述对流凝结高度h进行比较，

其中，所述g为一个随机变量，-200m≤g≤200m，所述t为一个随机变量，-100m≤t≤100m；

步骤4，将步骤2和3循环n次，共得到n组新的所述边界层高度z_m和夹卷层厚度有关的量s，相应的得到n个值，使值最小的那个z_m即为所述边界层高度，所述n>1。