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《干旱气象》2021,(3)
利用2019年11月5日至12月13日厦门国家高空气象观测站的无线电探空仪数据和同期布设的多普勒测风激光雷达资料,对比分析二者的风速风向和通过梯度法反演的边界层高度。结果表明:(1)风速和风向的决定系数R~2分别达到0.91和0.98,一致性良好,450～1300 m高度范围内,对比效果最佳;(2)利用探空数据的温度廓线和测风激光雷达的雷达回波强度信号通过梯度法分别反演边界层高度,二者一致性很高,只是在边界层出现急流、云层和明显的污染等复杂情况时,探空数据反演的结果会明显大于测风激光雷达;(3)在出现降雨时,雷达探测高度明显降低,无法有效反演边界层高度。测风激光雷达不仅可以满足边界层内风场的精细化连续探测,也可以反演边界层高度。 相似文献
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激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用 总被引：3，自引：0，他引：3
边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。 相似文献
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2013年1月持续性霾天气中影响污染程度的气象条件分析 总被引：6，自引：3，他引：3
利用南京本站气象观测记录、环保局监测数据以及NCEP/NCAR再分析资料,分析2013年1月持续性污染天气过程的大气环流背景,并结合南京地区探空资料、风廓线雷达资料以及激光雷达资料,分析这次持续性污染过程中空气质量属良好、轻度污染、中度污染、重度污染典型个例的大气垂直特征和边界层内气象条件的差异。得到如下结论:2013年1月份北方冷空气活动较弱,南京地区大气层结稳定,近地层风速小,污染物气象扩散条件差。加之近地层以弱偏东风为主,水汽较多,有利于污染物颗粒直径增大。大气垂直结构以及边界层内水平风速均对大气污染程度起到一定影响。AQI与逆温层高度存在显著负相关关系;大气污染时,1000 m以下出现逆温结构,且逆温层越低、越厚,污染程度越大;重度污染时,近地层出现贴地逆温层,厚度为700m左右。逆温层高度下降,PM10颗粒物高浓度区高度也明显下降,近地层污染物浓度对垂直方向上污染物浓度正响应的高度降低。在空气质量良好时, 150~1500m存在风速大值区,且风无空,湍流作用明显,有利于污染物和周围的洁净空气相混合而得到稀释,加速污染物的垂直扩散进程。当中度污染日和典型重度污染日时,150~1500 m之间并不存在大风速区。此外, PM10的300μg·m-3高浓度垂直高度延伸至300 m附近时,近地层PM2.5明显上升至100μg·m-3以上,高浓度区数值越大,近地层PM2.5越大。 相似文献
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利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度 总被引：5，自引：1，他引：4
以往关于青藏高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区高度降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始升高,大部分地区超过1.8 km;秋季又开始回落。青藏高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最高,南部印度季风活动区在季风爆发前（4月）达到全年最大值。青藏高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。 相似文献
5.
大气边界层高度是天气、气候、大气环境研究中的一个重要参数,目前尚缺少基于激光雷达探测系统反演全天边界层高度的有效方法。文中利用北京朝阳站、大兴站的激光云高仪数据,首先评估了梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和小波协方差法反演边界层高度的适用性和局限性,发现梯度法容易受环境噪声的影响,曲线拟合法稳定性较好,但在夜间弱湍流条件下会将残留层高度误判为夜间边界层高度。提出两步曲线拟合法,将一天中边界层结构划分为白天的对流边界层、夜间的残留层和稳定边界层,通过用不同的理想曲线对其进行两步拟合,获取全天边界层高度的变化。将两步曲线拟合法的反演结果与基于L波段探空雷达的位温梯度法的探测结果进行比较发现:两者相关系数为0.91,证明了两步曲线拟合法的可行性以及激光云高仪探测边界层高度的应用潜力。采用该方法反演2017年5—6月朝阳站与大兴站边界层高度,对比发现:城区特殊的下垫面性质使朝阳站日间对流边界层发展更早,边界层高度更高,全天朝阳站边界层高度的变化在308—1391 m,大兴站在197—1302 m。 相似文献
6.
分别基于微波辐射计温湿度廓线资料的气块法、位温法和比湿法,地面气象资料的罗氏法及气溶胶激光雷达数据的梯度法,计算得出广州地区大气边界层高度,对比分析5种边界层高度结果及其与气象条件、空气质量之间的关系,结合典型大气污染过程分析边界层高度对PM2.5、O3浓度的影响。结果显示:（1）利用位温法、气块法、罗氏法、比湿法和梯度法计算得出广州地区平均边界层高度分别为2 207 m、1 239 m、901 m、717 m和660 m,位温法显著高估了广州地区的边界层高度;（2）利用气块法得出的混合层高度日变化能够较好地表征白天大气边界层演变特征,利用气块法和比湿法得出的白天混合层高度与近地面O3浓度有显著的正相关关系,相关系数在0.5以上,在O3污染防治中,应同时考虑边界层内垂直输送的影响;（3）利用梯度法得出的边界层高度在污染天气时与PM2.5浓度的相关性较好,能较好地表现出大气污染情况,在PM2.5污染天气过程分析中具有较好的应用价值。 相似文献
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基于激光雷达探测设备、风廓线雷达、探空以及常规地面探测设备,研究了乌鲁木齐2017年3月5—12日一次重污染过程气溶胶光学特性的垂直分布特征及重污染成因。结果表明:此次重污染过程中7—10日PM2.5日平均值分别为176、215.5、215.9μg/m3和176.3μg/m3,最高时刻达到364μg/m3;激光雷达探测结果表明污染物主要集中在600 m以下,且午后—傍晚阶段的消光系数是夜间的7倍左右;污染物的退偏振很小,结合探空湿度廓线得到混合层内相对湿度基本80%,说明气溶胶颗粒主要为水凝物的球形粒子。由风廓线雷达结果得到乌鲁木齐站附近500 m高度以下水平风速普遍低于2 m/s;从北到南地面5个加密气象站的小风频率依次为99%、100%、81%、48%和67%。在市中心高新区附近受城市建筑物的阻挡,整个污染过程中平均风速仅为0.66 m/s;靠近峡口的乌拉泊风速最大,平均风速达到2.3 m/s,重污染阶段7—9日的平均边界层高度为433 m,低的边界层高度和低风速是造成此次污染的主要原因。 相似文献
8.
利用2015年7月至2016年5月寿县稻麦轮作农田区观测站地基多通道微波辐射计观测的高时间分辨率温度廓线资料,结合位温梯度法,计算了该站点的大气边界层高度,分析了边界层高度的日、月和季节演变规律。结果显示,晴朗天气情况下,边界层高度具备典型的日变化特征,随着地面温度的升高边界层高度不断增大。其最大平均值通常出现在午后,8月平均高度最高,超过1520m,1月最低,只有520m。而且边界层高度具有季节变化趋势,春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)平均高度分别为436m,499m,377m和322m。将边界层高度结果与FNL和ERA-Interim数据进行对比,发现在白天时间段(08:00—19:00)FNL和ERA-Interim比观测平均值分别高258m,346m,夜间时间段(19:00至次日08:00)比观测平均值分别低144m,102m。 相似文献
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大气边界层的高度是污染物扩散模式、气候模式、大气模式的一个重要输入参数,边界层高度的变化对数值预报中的物理过程,天气预报的诊断分析,城市污染物的监控也有相当重要的作用。然而,边界层高度的连续监测缺乏有力的手段,风廓线雷达凭借其高时间分辨率和空间分辨率,加上其能够连续探测等优点,可以成为连续监测边界层高度的有效工具。利用协方差小波变换对风廓线雷达距离订正后信噪比数据进行分析,来确定边界层的高度,并与无线探空仪确定的边界层高度进行比较,通过分析得到:(1) 协方差小波变换应用于边界层高度的确定时,尺度因子a和平移因子b的选取很关键,不同的a和b值得到的结果可能差异很大,在计算过程中要仔细选择合适的值;(2) 质量控制对正确判断边界层高度至关重要,好的质量控制方法可以起到剔除突变点的作用,使确定的边界层高度更符合实际情况;(3) 在晴空条件下,如果边界层湍流不均匀及杂波影响较大时,梯度法将不适用,它容易受到大气湍流不稳定以及其他因素引起的信噪比突变而产生较大误差,而协方差小波变换法作为梯度法的改进,能够较好地确定边界层的高度;(4) 通过质量控制,小波变换法和探空仪确定的高度很一致,两者的相关系数达到0.87。 相似文献
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基于激光雷达和微波辐射计观测确定混合层高度方法的比较 总被引：2，自引：0，他引：2
利用苏州地区2010年1月4,7,16日和2月4日4天的激光雷达及微波辐射计观测资料,比较了不同遥感手段探测晴天大气混合层高度的差异,发现试验期间该地区的混合层高度在300~1500 m之间。利用梯度法、标准偏差法、小波法从激光雷达数据中提取混合层高度并进行了对比,结果表明三种方法都能较好地反演混合层高度并且一致性较好,三者差异主要存在于大气边界层的发展和消亡阶段;梯度法和小波法结果无明显差异,而标准偏差法结果稍高于其他方法。在此基础上,利用微波辐射计探测的大气温度,使用温度梯度法估算大气混合层高度,并与激光雷达探测结果进行了比较,结果表明,大多数情况下激光雷达探测结果高于微波辐射计观测结果;两种遥感手段有较好的相关性,相关系数为0.76。激光雷达同微波辐射计结果存在差异,尤其是在边界层的发展和消散阶段,这是由两种遥感手段探测原理不同造成的。 相似文献
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本文利用2016年12月至2017年11月期间晴朗少云天气下的成都微脉冲激光雷达观测数据反演的混合层高度,与温江探空资料确定的混合层高度进行了对比和误差分析,结果表明:基于探空资料和激光雷达数据反演的混合层高度具有较好的一致性,两者相关系数达0.75,激光雷达反演的混合层高度略低于基于探空资料确定的值,在混合层高度为1000～2000m时,两种方法计算所得的值偏差幅度最小,约为20%;在1000m以内和2000m以上,偏差幅度略有增大,为26%;两种方法反演的混合层高度变化趋势较为一致,均呈现出12月、1月较低,4月、5月较高的特点;混合层高度具有明显的日变化特征:上午混合层高度迅速增高,午后增长速度减慢并发展到最大高度,日落后迅速降低;混合层内相对湿度的增加、残留层的存在是导致激光雷达反演混合层高度时产生较大误差的原因之一。 相似文献
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Determination of the Atmospheric Boundary Layer Height from Radiosonde and Lidar Backscatter 总被引：4，自引：1，他引：4
The height of the atmospheric boundary layer is derived with the help of two different measuring systems and methods. From radiosoundings the boundary layer height is determined by the parcel method and by temperature and humidity gradients. From lidar backscatter measurements a combination of the averaging variance method and the high-resolution gradient method is used to determine boundary layer heights. In this paper lidar-derived boundary layer heights on a 10 min basis are presented. Datasets from four experiments – two over land and two over the sea – are used to compare boundary layer heights from both methods. Only the daytime boundary layer is investigated because the height of the nighttime stable boundary layer is below the range of the lidar. In many situations the boundary layer heights from both systems coincide within ±200 m. This corresponds to the standard deviation of lidar-derived 10-min values within a 1-h interval and is due to the time and space variability of the boundary layer height. Deviations appear for certain situations and depend on which radiosonde method is applied. The parcel method fails over land surfaces in the afternoon when the boundary layer stabilizes and over the ocean when the boundary layer is slightly stable. An automatic radiosonde gradient method sometimes fails when multiple layers are present, e.g. a residual layer above the growing convective boundary layer. The lidar method has the advantage of continuous tracing and thus avoids confusion with elevated layers. On the other hand, it mostly fails in situations with boundary layer clouds 相似文献
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Summertime Mixing Heights At Vienna, Austria, Estimated from Vertical Soundings and by a Numerical Model 总被引：1，自引：1，他引：0
Martin Piringer 《Boundary-Layer Meteorology》1998,89(1):25-45
Mixing heights calculated by the Danish OML meteorological pre-processor are compared to those diagnosed from radio- and tether-sonde vertical potential temperature profiles. All methods give reliable estimates of noon mixing heights deduced from radiosoundings, especially when the boundary layer is fully convective. Differences are larger during convective conditions without a well-defined capping inversion in the radiosonde potential temperature profile or when OML calculates a mechanical mixing height. The OML model is also able to calculate the daily course of the mixing height as expected. The tethersonde-derived mixing heights are especially valuable during the morning rise of the elevated inversion. Modifications to all three methods to improve mixing-height predictions are discussed. 相似文献
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采用2013年中国科学院大气物理研究所香河大气综合观测试验站的地基微波辐射计和激光雷达观测数据,以激光雷达探测的大气边界层高度为参考,分别利用非线性神经网络和多元线性回归方法建立微波亮温直接反演大气边界层高度的算法,并对比两种方法的反演能力, 同时分析非线性神经网络算法在不同时段及不同天气状况下反演结果的差异。结果表明:非线性神经网络算法的反演能力优于多元线性回归算法,其反演结果与激光雷达探测的大气边界层高度有较好一致性,冬、春季的相关系数达到0.83,反演精度比线性回归算法约高26%;对于不同时段和不同天气条件,春季的反演结果最好,晴空的反演结果好于云天; 四季和不同天气状况的划分也有利于提高反演精度。 相似文献
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大气边界层具备一个重要特性,即在边界层顶部,气溶胶浓度在垂直分布上存在显著突变。利用该特性,采用主动遥感装置经过窗口平滑去除噪点后数据,提出基于梯度法改进的大气边界层高度反演方法——窗口标准偏差法。基于激光云高仪后向散射廓线数据,利用该方法反演边界层高度,在边界层高度下大气气溶胶混合均匀时,反演结果较为理想。在此基础上,将窗口标准偏差法反演结果与逐步曲线拟合法反演结果进行比较。结果表明：两种方法具有较好的相关性,相关系数为0.94。两种方法产生差异的原因在于窗口标准偏差法不考虑夹卷层厚度而逐步曲线拟合法考虑夹卷层厚度。窗口标准偏差法可以降低高空背景光噪音对反演结果的影响。通过该方法反演出的边界层高度,在时间序列上具有连续性强的特点,反演结果更有利于研究大气边界层高度的时间变化趋势。 相似文献
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Evaluation of Mixing-Height Retrievals from Automatic Profiling Lidars and Ceilometers in View of Future Integrated Networks in Europe 总被引：2，自引：0，他引：2
M. Haeffelin F. Angelini Y. Morille G. Martucci S. Frey G. P. Gobbi S. Lolli C. D. O’Dowd L. Sauvage I. Xueref-Rémy B. Wastine D. G. Feist 《Boundary-Layer Meteorology》2012,143(1):49-75
The determination of the depth of daytime and nighttime mixing layers must be known very accurately to relate boundary-layer concentrations of gases or particles to upstream fluxes. The mixing-height is parametrized in numerical weather prediction models, so improving the determination of the mixing height will improve the quality of the estimated gas and particle budgets. Datasets of mixing-height diurnal cycles with high temporal and spatial resolutions are sought by various end users. Lidars and ceilometers provide vertical profiles of backscatter from aerosol particles. As aerosols are predominantly concentrated in the mixing layer, lidar backscatter profiles can be used to trace the depth of the mixing layer. Large numbers of automatic profiling lidars and ceilometers are deployed by meteorological services and other agencies in several European countries providing systems to monitor the mixing height on temporal and spatial scales of unprecedented density. We investigate limitations and capabilities of existing mixing height retrieval algorithms by applying five different retrieval techniques to three different lidars and ceilometers deployed during two 1-month campaigns. We studied three important steps in the mixing height retrieval process, namely the lidar/ceilometer pre-processing to reach sufficient signal-to-noise ratio, gradient detection techniques to find the significant aerosol gradients, and finally quality control and layer attribution to identify the actual mixing height from multiple possible layer detections. We found that layer attribution is by far the most uncertain step. We tested different gradient detection techniques, and found no evidence that the first derivative, wavelet transform, and two-dimensional derivative techniques have different skills to detect one or multiple significant aerosol gradients from lidar and ceilometer attenuated backscatter. However, our study shows that, when mixing height retrievals from a ultraviolet lidar and a near-infrared ceilometer agreed, they were 25?C40% more likely to agree with an independent radiosonde mixing height retrieval than when each lidar or ceilometer was used alone. Furthermore, we point to directions that may assist the layer attribution step, for instance using commonly available surface measurements of radiation and temperature to derive surface sensible heat fluxes as a proxy for the intensity of convective mixing. It is a worthwhile effort to pursue such studies so that within a few years automatic profiling lidar and ceilometer networks can be utilized efficiently to monitor mixing heights at the European scale. 相似文献
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Estimate of Boundary-Layer Depth Over Beijing,China, Using Doppler Lidar Data During SURF-2015 总被引：1，自引：1，他引：0
Meng Huang Zhiqiu Gao Shiguang Miao Fei Chen Margaret A. LeMone Ju Li Fei Hu Linlin Wang 《Boundary-Layer Meteorology》2017,162(3):503-522
Planetary boundary-layer (PBL) structure was investigated using observations from a Doppler lidar and the 325-m Institute of Atmospheric Physics (IAP) meteorological tower in the centre of Beijing during the summer 2015 Study of Urban-impacts on Rainfall and Fog/haze (SURF-2015) field campaign. Using six fair-weather days of lidar and tower data under clear to cloudy skies, we evaluate the ability of the Doppler lidar to probe the urban boundary-layer structure, and then propose a composite method for estimating the diurnal cycle of the PBL depth using the Doppler lidar. For the convective boundary layer (CBL), a threshold method using vertical velocity variance \((\sigma _w^2 >0.1\,\hbox {m}^{2}\hbox {s}^{-2})\) is used, since it provides more reliable CBL depths than a conventional maximum wind-shear method. The nocturnal boundary-layer (NBL) depth is defined as the height at which \(\sigma _w^2\) decreases to 10 % of its near-surface maximum minus a background variance. The PBL depths determined by combining these methods have average values ranging from \(\approx \)270 to \(\approx \)1500 m for the six days, with the greatest maximum depths associated with clear skies. Release of stored and anthropogenic heat contributes to the maintenance of turbulence until late evening, keeping the NBL near-neutral and deeper at night than would be expected over a natural surface. The NBL typically becomes more shallow with time, but grows in the presence of low-level nocturnal jets. While current results are promising, data over a broader range of conditions are needed to fully develop our PBL-depth algorithms. 相似文献
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Local variations in the summertime mixing height over metropolitan St. Louis, Missouri, are examined in order to evaluate the dynamical and thermodynamical influences of an urban area. Case studies employing aircraft, lidar, pilot balloon and radiosonde data from Project METROMEX show variations in the height of a temperature inversion which caps a deep mixing layer. A dome-like lifting of the inversion structure occurs over the urban-industrial center with subsidence of the inversion layer at the perimeter of the metropolitan area. The maximum amplitude of the dome occurs shortly after mid-day, suggesting that thermal influences are primarily responsible. 相似文献