4.3 城市边界层高度特征观测研究

大气边界层是受地面影响最直接、最剧烈的气层，也是地气交换的主要场所，大气边界层问题一直是国内外研究的重点之一（Stull，1991；陈燕等，2006；邱贵强等，2013；杨显玉等，2012；杨胜朋等，2009；岳平等，2008）。大气边界层高度是表征大气边界层特征的一个基本参数。日间对流边界层高度也称为混合层高度（Mixing layer height，MLH）。由于污染物的混合、扩散主要发生在混合层内，所以大气边界层高度是污染预测和污染物扩散规律的重要参数。

确定边界层高度最常用的方法是基于常规探空获取实际气象要素廓线进行分析，该方法一直以来被大多数研究学者广泛采用（Hennemuth and Lammert，2006；Holzworth，1964；吴祖常等，1998；徐安伦等，2010；代成颖，2012；Seibert et al.，2000；程水源等，1997；韦志刚等，2010）。目前，利用实际气象要素资料确定边界层高度的方法主要有风廓线法、湍流法、湿度廓线法，温度廓线法等。其中，风廓线法是将风速逼近地转风的高度定义为边界层高度，但大气的阵风性很大程度上使其难以确定；湍流法则将边界层高度定义为湍能或应力接近消失的高度，但实际探空中湍流能量和应力的垂直廓线非常稀少，难以获得。利用温度、湿度垂直廓线估算边界层高度更加简单实用。Seibert等（2000）比较了确定混合层高度的不同方法，认为使用虚位温的气块法是探测对流边界层最可信赖的方法。韦志刚等（2010）利用2008年在甘肃敦煌戈壁进行的加强观测试验，利用位温的明显升高和比湿的明显减小两个特征来确定顶盖逆温层，发现敦煌地区确实存在特厚边界层。

近几十年来，遥感技术（激光雷达、风廓线雷达、微波辐射计等）迅速发展，日益成熟，由于其操作的可持续性，探测结果分辨率高等特点，成为估算大气边界层高度的一种手段。利用不同手段估算边界层高度一直是国内外学者研究的重点之一（Hennemuth and Lammert，2006；Seibert et al.，2000；Cohn and Angevine，2000）。

激光雷达是利用大气气体分子和气溶胶对激光的散射和吸收特性来推断、估计大气状况的大气遥感仪器。利用自由大气同大气边界层中气溶胶或气体分子的浓度差异导致的后向散射信号差异来提取大气边界层高度。从激光雷达信号中提取边界层高度存在不同的方法，如梯度法、标准偏差法、小波协方差及曲线拟合法等。国内外学者利用不同方法从激光雷达中提取边界层高度，并用不同的实验数据加以验证（Cohn and Angevine，2000；Davis et al.，2000；Brooks，2003；Melfi et al.，1985；MAO et al.，2009；Eresmaa et al.，2012；王琳等，2012；Zhang et al.，2012；Steyn et al.，1999；Quan et al.，2013；Hooper and Eloranta，1986）。Davis等（1997），Russell等（1998）首先使用了小波协方差提取边界层高度。随后发现小波协方差方法主要依赖于Haar函数尺度间隔的选取（Davis et al.，2000）。Steyn等（1999）提出了曲线拟合法，该方法使用了整层的后向散射信号，具有更好的稳定性。Quan等（2013）2010年在天津使用三种遥感仪器（风廓线雷达、微波辐射计及激光雷达）对天津地区大气边界层演变过程及其对地面大气污染物浓度影响进行研究，发现气溶胶浓度和大气边界层高度之间可能存在正反馈。

微波辐射计是被动遥感仪器，具有时间连续、观测方便的优点，能够实现大气主要参数（温度、湿度、云等）的垂直廓线同步实时反演和连续观测，可以作为微型遥感和直接探测的补充。高时间分辨率使微波辐射计不仅能提供不同天气条件下连续的热力探空结构，而且能给出中尺度系统和危险天气条件下相当精细的热力结构（Knupp et al.，2009）。国内众多学者对微波辐射计反演的温度、湿度及液态水含量等资料的可靠性进行了验证研究（杜荣强等，2011；刘建忠等，2010；刘红燕，2011；赵玲等，2010；周碧等，2014）。刘建忠等（2010）用20个月的微波辐射计反演资料与探空资料对比并进行微波辐射计误差定量分析发现，微波辐射计反演出的温度比探空略高，但所有垂直高度层次的相关系数均在0.94以上，反演出的温度与探空比较一致；刘红燕（2011）对北京地基微波辐射计及探空同步观测的大气温度进行了对比，结果显示两种测量技术的差异随高度而增大。这些工作为使用微波辐射计气象要素廓线确定混合层高度提供了可行基础。

国内外研究者对激光雷达和微波辐射计的应用及其各自与探空探测的大气边界层结构进行了广泛的研究，但很少有工作关注两者在大气边界层高度探测应用中的差异，而这种差异对比较不同地区不同遥感手段的探测结果有着重要的意义。本节利用苏州地区的激光雷达与微波辐射计资料，比较了不同遥感手段探测大气混合层高度的差异；并比较了基于激光雷达探测不同方法提取混合层高度的异同。这将有助于不同地基遥感手段探测边界层高度方法的合理应用。

4.3.1 数据与方法

本次试验的观测地点为苏州市气象局（32°22′N，120°38′E）。苏州市是长江沿岸城市化快速发展的城市之一，位于太湖东岸及上海以北50 km。观测地址临近长江三角洲中心，周围地势大多是平坦的。因为苏州处于中国长江以南地区，受季风影响明显，冬季降雨过程较少。激光遇浓雾、雨、雪天气衰减急剧加大，直接影响激光雷达的测量精度，因此激光雷达在雨雪天无法工作。所以试验数据选取的是苏州2010年1月4日、7日、16日及2月4日4个晴天08：00（北京时，下同）—20：00间的激光雷达及微波辐射计数据。所选4天均是晴天，日间气温均在0～10 ℃之间，无大的天气系统过境。

观测使用的激光雷达型号是Sigma Space公司的MPL4000，微波辐射计为Radiometrics公司的MP-3000 A（简称MWR），仪器均安装在苏州市气象局楼顶。激光雷达数据时间分辨率为30 s，垂直分辨率为30 m。微波辐射计观测约每2 min返回一组数据，探测数据垂直分辨率为500 m以下50 m，500～2000 m之间100 m，2000 m以上250 m，最高探测高度可达10000 m；每个高度层的数据包括观测时次温度、水汽密度、液态水含量及相对湿度。

由于地基遥感探测在近地层存在盲区，本节的研究只关注日间对流边界层（下称混合层）。这里主要使用了3000 m以下的观测，微波辐射计为30层，激光雷达为100层。为了去除观测噪音并进行更直接的比较，对不同方法提取的混合层高度都做了30 min平均。

一般情况下，大气边界层同自由大气的交界处存在逆温。逆温层阻止了气溶胶粒子和水汽向自由大气输送，使边界层内的湿度和污染物浓度高于自由大气。因此可以通过探测温度和湿度的变化来确定大气边界层高度。同时，这些大气污染物和水汽也会影响光学信号的传输，从激光雷达后向散射信号来看，在边界层顶存在后向散射信号的快速衰减，可以借助这一现象来确定边界层高度。本次试验中主要应用了三种方法从激光雷达数据中提取混合层高度：梯度法、标准偏差法及小波法。

①梯度法，直接根据后向散射信号随高度衰减的速率来确定大气边界层高度，简称GRAD，其将后向散射信号的一阶导数或二阶导数的最小值出现的高度表征边界层高度。在本节中则是将后向散射信号最大负梯度出现的高度定义为混合层高度。梯度法简单方便，但容易受到环境噪声的影响，造成混合层高度的错估。

②标准偏差法，也称为标准差法。标准偏差反映了高度z处信号的离散程度，其值越大，表明信号的离散性越大，即变化越剧烈。在自由大气同大气边界层的交界处总是存在强烈的夹卷，反映到激光雷达后向散射信号中则是在大气边界层顶存在剧烈的信号变化。因此，将信号的标准偏差取得最大值的高度定义为大气混合层高度，该方法简称STD。本节中所用标准偏差定义如下式：

其中：N为求取偏差的点数；f（z）为信号函数。

③小波法：小波协方差变换是Gamage和Hagelberg在1993年定义的，用于检测信号的跃变。文中所用的是哈尔（Haar）小波变换。Haar函数的定义如下所示：

其中：z为高度；b为Haar函数的中心位置；a为函数的尺度间隔，函数图形如图4.3.1所示。小波法基于Haar函数定义了小波协方差函数W _f （a，b），故将该方法简称为WH，W _f （a，b）定义如下：

其中：f（z）为信号函数；z _t ，z _b 分别为信号高度的上限和下限。小波协方差函数值越大说明信号函数f（z）与Haar函数越相似，信号变化越大。因此，将W _f （a，b）取得最大值的高度定义为混合层高度。

微波辐射计只提供了温度和水汽的探空资料。比较微波辐射计与无线电探空获取的水汽资料，发现两者水汽密度总体变化趋势一致，低层吻合较好，但微波辐射计只能探测出水汽的平均变化趋势，不能揭示水汽随高度分布廓线的细微变化结构（杜荣强等，2011）。所以使用湿度梯度法可能会造成边界层高度的错估。温度梯度法简单易行，且微波辐射计反演的温度同实际温度在低层差异小，所以基于微波辐射计提取边界层高度采用的是温度梯度法。该方法的判断依据是：在对流边界层（或混合层）中，其上方被逆温层所覆盖，边界层顶附近温度开始随高度变化，温度梯度也明显增加，将混合层高度定义为 （θ _v 为虚位温）首次大于某给定临界值（ti）的高度。

4.3.2 基于激光雷达观测估算混合层高度方法比较

从试验期间使用三种方法确定的混合层高度（图4.3.2）中可以看出，三种方法都能很好地提取混合层高度。4天中苏州地区混合层高度在300～1500 m之间，日间混合层高度的峰值均出现在16：00附近。标准偏差法结果大部分情况下高于其他两种方法，小波法结果同雷达信号边缘一致性最好。另外，三种方法都不能辨别出残留层及混合层顶，并可能将残留层高度错误地认为是混合层高度。在2月4日没有发现明显的边界层发展过程，激光雷达探测到的混合层高度在08：00已经达到了1000 m，这可能是由于先前存在的夜间残留层过强，同新发展的混合层并没有明显分界，导致最强的后向散射信号衰减仍是位于残留层顶。三种方法在低层信号较强且边界层混合均匀的阶段一致性最好，在边界层的发展及消散阶段差别较大。1月4日三种方法明显差异出现的时间为18：00—20：00间，而7日差异明显的时间段为08：00—10：00，这种结果差异可能是由于残留层、云及天空背景噪声（如低频波）对后向散射信号的影响同此时混合层顶的后向散射信号特征量级相当，从而干扰了真实混合层顶的确定。

表4.3.1为试验期间三种方法结果的平均值、最大值及最小值，其中，平均值及最小值计算时段为08：00—20：00；而最大值计算时段为08：00—18：00。从表4.3.1中可以看出，梯度法和小波法结果平均值的差值在－30～30 m之间，两者结果无明显差异。另外，Comerón等（2013）比较小波协方差变换同梯度法时认为小波协方差是对梯度法的信号使用低通滤波的结果，从理论上说明这两种方法是可以相互印证的。从表4.3.1中还可以看出，除2月4日，标准偏差法结果平均值是1294 m，小波法平均值为1267 m，其他3天中两者平均值差异均高于30 m，在1月7日达到其差异的最大值约为75 m。除2月4日，其他3天混合层高度的最小值均维持在400 m附近，最大值的差异较大。虽然2月4日混合层高度总体维持在较高水平，但其最大值与最小值的差值仅高于1月16日，而1月16日受云的影响，混合层发展缓慢且最大混合层高度不高于900 m。另外，采用标准偏差法和小波法估算混合层高度，两者结果极值的差异高于均值。比较标准偏差法与小波法，两者结果差异形成的原因可能是两种方法原理的不同。标准偏差法更关注于信号变化最剧烈的层结，当混合层高度以上信号存在局部剧烈变化时，容易造成提取结果的高估。而Haar函数的形状决定了小波法探测的是信号廓线中与Haar函数从＋ 1 减为－1 最为相似的高度，即与Haar函数最为相似的层结（Brooks，2003），表明小波法估算混合层高度只关注后向散射信号衰减最大的层结。

总的来说，三种方法都能很好地提取混合层高度且一致性较好，其差异主要存在于大气边界层的发展和消亡阶段（图4.3.2a，b）；标准偏差法计算结果稍高于梯度法和小波法；而使用梯度法和小波法确定混合层高度，结果无明显差异。

4.3.3 微波辐射计探测大气混合层高度

温度梯度法是将温度梯度临界值首次大于某个给定临界值的高度定义为混合层高度，但是临界值的选取有一定的经验性。为考察不同临界值的影响，在本节中临界值设置为5.0，5.5和6.0 K·km ^-1 （代成颖，2012）。

从不同临界值下温度梯度法得到的结果和虚位温的日变化（图4.3.3）中可以看出，虚位温在一般情况下是随高度增加的，1000 m以下平均虚位温最低的是1月7日，约为275 K；而2500 m之上，虚位温大部分情况下＞ 285 K。08：00—20：00四天中近地面均出现了的超绝热层。1000 m以下，虚位温随时间缓慢变化，但1月4日18：00之后虚位温迅速降低。虽然7日温度、虚位温均低于16日，但由于后者受云层的影响，大气边界层的发展受到制约，混合层高度发展缓慢，整体低于前者。使用温度梯度法，得到的大气混合层高度随临界值增大而增大。除此之外，在大气边界层开始发展和消散时选取适当的临界值对混合层高度影响不大；但是在大气边界层充分混合的状况下，混合层高度对临界值比较敏感，主要表现为混合层高度的极大值和极大值出现的时间。如2月4日，当临界值取5.0和5.5 K·km ^-1 时，混合层高度随时间的演变趋势大致相似，而当临界值取6.0 K·km ^-1 时，从10：00—18：00混合层高度几乎都为大值，且无明显变化。因此，温度梯度法提取大气边界层高度主要依赖于临界值的选取，但如何找到最优临界值目前还没有定论。

4.3.4 基于激光雷达及微波辐射计探测的结果比较

对基于激光雷达和微波辐射计的计算结果进行比较，由于两种遥感系统时间分辨率不同（激光雷达为30 s，微波辐射计为2 min），所以比较时两种结果都做了30 min的平均。

从激光雷达与微波辐射计提取的混合层高度（图4.3.4）中可以看出，30 min平均后基于激光雷达的三种方法差异较小（故下文以小波法结果代表激光雷达探测的混合层高度）。实线在大部分情况下高于虚线，表明大部分情形下激光雷达结果较微波辐射计存在一定程度的高估。同Seibert等（2000）比较当前不同方法对混合层的定义时认为，一般情况下，从激光雷达得到的混合层高度较基于温度廓线和声雷达探测结果大。两种手段结果都存在明显的混合层变化过程，且微波辐射计可以更明显地探测到混合层的发展和消散。如从午后到傍晚（16：00—20：00），激光雷达结果变化十分缓慢，无明显的混合层消散过程。除此之外，18：00—20：00 期间，激光雷达探测的混合层高度有局部上升的现象。虚线同实线相比，局部最大值提前达到，微波辐射计确定的混合层高度发展较快同时存在多个峰值。观察混合层高度最大值出现的时间，微波辐射计探测变化较大，而激光雷达观测主要集中于16：00左右。另外，四天中基于激光雷达确定的混合层高度波动幅度较小，而微波辐射计探测值在11：00—15：00 间波动较为剧烈。

表4.3.2、表4.3.3给出了微波辐射计同激光雷达提取混合层高度的最大值及日均值。图4.3.3、表4.3.2和表4.3.3 均表明微波辐射计计算的混合层高度随临界值的增加而增加，这表明位温梯度在混合层顶附近随高度增加。且这种差异在1月4日及2月4日更为明显。2月4 日，4 种方法确定的混合层高度最大值都超过了1000 m，激光雷达结果可达1515 m。就平均值而言，激光雷达探测结果在试验期间都较大。其中1 月16 日激光雷达结果为684 m，而当ti=5.0，5.5，6.0 K·km ^-1 时混合层高度分别为576，596和616 m，而两种遥感手段差值在2月4日达到最大。激光雷达与微波辐射的差值平均可达100 m以上，说明两种遥感手段之间的差异确实存在。对比同期最大值及日均值发现，不同方法均值差异大时，其对应的最大值相差也较大。

由表4.3.2、表4.3.3可知，当临界值选为6.0 K·km ^-1 时，微波辐射计同激光雷达的最大值、平均值都最为接近。选取微波辐射计临界值为6.0 K·km ^-1 的混合层高度同基于激光雷达利用小波法定义的混合层高度做回归分析（图4.3.5）。样本数为96（仅选取每0.5 h的混合层高度）。从图4.3.5中可以看出，虚线上方存在少量散点，表明大多数情况下激光雷达提取结果较大。回归分析发现两者相关性较好，相关系数为0.76。通过95％的置信度检验，回归方程是显著的。得到的回归方程如下：

综上所述，在边界层日变化过程中，两种遥感手段探测混合层高度存在差异，主要表现在大气边界层发展和消散过程中。造成两种遥感手段结果差异的主要原因在于两者探测原理的不同。微波辐射计主要探测大气的热力机构，虚位温探空廓线定义的混合层高度是混合能发生的高度；激光雷达信号的强弱取决于水汽和气溶胶浓度，定义混合层高度时以气溶胶廓线为出发点，并且假设气溶胶从地面排放（Eresmaa et al.，2006）。在没有平流的情况下，白天扩散到混合层的被动示踪物夜间仍停留在残留层中（Stull，1991）。由此导致激光雷达探测的是气溶胶层，得到结果为气溶胶层高度而非大气混合层高度。当有云、残留层及气溶胶平流时，激光雷达探测容易造成错估。

4.3.5 小结

本节对苏州2010年1月4日、7日、16日及2月4日4个晴天日间的激光雷达及微波辐射计数据进行研究，并比较了不同遥感手段及不同方法确定的混合层高度。得到以下主要结论：

比较基于激光雷达的梯度法、标准偏差法及小波法，发现三种方法都能很好地提取混合层高度。但三种方法在大气边界层发展和消散阶段有差异，充分混合阶段一致性最好。标准偏差法结果稍高于梯度法和小波法，而梯度法同小波法定义的混合层高度无明显差异。

基于微波辐射计使用温度梯度法估算大气混合层高度主要取决于临界值的选取。对于一定范围内的临界值，混合层高度的大值及其出现时间对临界值的选取更加敏感。

为了比较两种遥感手段探测混合层高度的差异，以小波法的结果代表激光雷达探测结果同时以温度梯度法结果代表微波辐射计探测的混合层高度。两种遥感手段都能探测到混合层的演变过程，但大多数情况下激光雷达方法较微波辐射计存在一定程度的高估。微波辐射计定义的混合层高度有明显的大气混合层消散过程，激光雷达探测结果更加连续。

选取临界值为6.0 K·km ^-1 时，微波辐射计的混合层高度同利用小波法从激光雷达信号中定义的混合层高度做回归分析，发现两者有较好相关性，相关系数为0.76。分析造成两种遥感手段探测结果差异的原因，可能是由于两者探测原理的不同；微波辐射计探测的是大气热力结构而激光雷达探测的是气溶胶层，得到高度为气溶胶层高度。 itfY7Q78HtQ48twAlrKoGpVvFOiYOAuZBfZzSkZ9ZU0YEAezNc92hGpWiOhz7LSY