基于激光雷達的邊界層高度探測研究

摘要 將激光雷達與無線電探空的邊界層高度做一分析對比，并且對城市與郊區的邊界層激光雷達探測結果做一對比分析。結果表明：市區邊界層有一典型的日變化特點，早晚比較低，日間有一個低到高、再從高到低的過程；激光雷達探測結果與無線電探空結果比較吻合；市區邊界層高度高于郊區。

關鍵詞 激光雷達；邊界層高溫；無線電探空；城市；郊區

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05678-02

大氣邊界層（Atmospheric boundary layer，簡稱ABL）是指大氣層最底下的一個薄層，是大氣與下墊面直接發生相互作用的層次，也是地球—大氣之間物質和能量交換的橋梁。大氣邊界層的主要構成：底部為位溫基本不變的混合層，頂部為一逆溫層，稱為卷夾層。由于大氣邊界層狀況（混合層高度、卷夾層厚度等）與天氣、氣象預報、氣候預測、環境保護等密切相關，所以對大氣邊界層的研究一直是大氣科學研究的熱點之一[1-7]。激光雷達是探測對流層大氣的一種有效手段，被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。使用探測范圍大、時空分辨率高的遙感設備（如激光雷達、聲雷達）等可以較容易地實現對邊界層的探測，而且激光雷達探測邊界層高度的可行性已為大量試驗所證實。

1 激光雷達及其探測方法

激光雷達發射的激光在大氣中傳輸時，會因大氣中空氣分子和氣溶膠粒子產生散射和吸收。通過接收和測量大氣后向散射的光信號，便可以提取出空氣分子和氣溶膠粒子光學參數的有關信息。MSL激光雷達就是根據這一原理研制的，主要由3個部分組成：激光發射單元、信號接收與探測單元及數據采集與控制單元（圖1），其主要技術參數見表1。

3 確定邊界層高度的方法

3.1 探空儀法（位溫廓線法）

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逆溫層，邊界層高度大概就存在于這一層。

3.2 雷達回波斜率（-db/dz）法

該方法是基于計算后向散射回波的垂直變化率的思想，來求其最大變率所對應高度，即為邊界層高度。該方法首先由Endlich等于1979年應用于實踐，由于回波中包含大量噪聲，在當時的技術條件下無提取出較好的示蹤物回波信號，故其回波廓線無明顯變化區域。

5 激光雷達測量市區與郊區邊界層高度對比分析

從表4、5和圖4可以看出，市區各時刻平均邊界層高度明顯高于郊區，同一時刻城市邊界層高度高于郊區100～200 m；市區與郊區的邊界層高度最大值都出現在中午或午后，但郊區相對市區滯后。

圖5給出了激光雷達探測市區與郊區邊界層高度的結果比較。圖中點為測量值，直線為用最小二乘法擬合得到的結果。從圖5可以清楚地看到，擬合直線（斜率為0.934 9）與X軸的夾角近似成45°，測量值均勻地分布在擬合直線的兩旁，兩種探測結果的R2為0.716 9。擬合直線所在數據區間在（x=y）下方，斜率小于1，所以城市邊界層高度高于郊區。

這個結果可能是由于城市熱島效應造成城市邊界層內湍流活動增加，使得邊界層厚度加厚造成的。

6 結論

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

（2）無線電探空與激光雷達資料分析結果比較吻合，激光雷達分析結果高于無線電探測結果。

（3）市區與郊區的激光雷達探測結果分析表明，市區邊界層高度高于郊區。

參考文獻

[1]王治華，王宏波，何捷，等.Mie散射激光雷達研究大氣邊界層特性[J].光散射學報，2006，18（2）：147-150.

[2] 袁松，辛雨，周軍.合肥市郊低層大氣的激光雷達探測研究[J].大氣科學，2003，29（3）：387-395.

[3] 馬偉強 ，戴有學，馬耀明 ，等.利用無線電探空資料分析藏北高原地區邊界層及其空間結構特征[J].干旱區資源與環境，2005，19（3）：40-46..

[4] 呂達仁，魏重，林海，等.低層大氣消光系數分布的激光探測[J].大氣科學，1997（3）：199-205.

[5] STULL R B.邊界層氣象學導論[M].北京：氣象出版社，1991.

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

[7] 楊輝，劉文清，陸亦懷，等.北京城區大氣邊界層的激光雷達觀測[J].光學技術，2005，31（2）：221-223.