任 雍，陳 賽，余安安，范夢奇

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350001；2.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；3.福建省大氣探測技術保障中心，福建 福州 350008；4.福建省廈門市氣象局，福建 廈門 361000；5.青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司，山東 青島 266000)

引 言

大氣邊界層是對流層中最靠近下墊面的氣層，其物理過程可以直接或間接影響自然界中的各類循環(huán)以及人類的生產(chǎn)生活[1-4]。邊界層高度可用來描述邊界層內(nèi)的垂直混合程度以及自由對流交換的水平，是描述邊界層結構特征的最基本參量，其變化范圍通常在幾十米到數(shù)千米之間。影響邊界層高度的因素包括地氣溫差、相對濕度、風速等[5]，開展大氣邊界層觀測與研究具有十分重要的意義，對它的認識離不開觀測手段的突破[6]。

風場體現(xiàn)大氣運動的狀態(tài)，是最基本的氣象觀測要素之一?，F(xiàn)階段我國常用的廓線型測風手段有無線電探空儀和風廓線雷達。無線電探空儀時間分辨率低，施放成本高昂，難以滿足持續(xù)性業(yè)務需求。風廓線雷達已經(jīng)全面進入業(yè)務化應用，并且在業(yè)務中已有許多成功的應用案例[7-10]，但其通過接收大氣湍流不均勻分布產(chǎn)生的散射回波及回波的多普勒頻移信息反演風場，易受地物雜波、天氣背景場等干擾，探測能力具有明顯的季節(jié)和日變化特征，且在0.5 km以下觀測精度不高[11-12]。相干多普勒測風激光雷達(簡稱“測風激光雷達”)作為一種新型的遙感監(jiān)測設備，是利用大氣中氣溶膠粒子對激光的多普勒頻移效應來測量大氣風場。對于城市復雜下墊面條件下邊界層不同高度的風場觀測，測風激光雷達相較于風廓線雷達，與GPS探空儀測風結果具有更好的一致性[13]，且擁有更低的探測盲區(qū)、更高的時空分辨率和更便于移動的優(yōu)勢特點。另外，基于觀測原理，測風激光雷達還可以同時獲得氣溶膠信息，并通過反演獲得邊界層高度等信息[14-22]。

本文先對比廈門地區(qū)2019年11月5日至12月13日無線電探空儀和測風激光雷達風場觀測結果，以此先確定測風激光雷達在廈門地區(qū)風場觀測的適用性和可靠性，再利用雷達回波強度信號和梯度法進行反演，獲得大氣邊界層高度，然后與傳統(tǒng)的無線電探空儀溫度數(shù)據(jù)反演的大氣邊界層高度進行對比驗證，確定測風激光雷達反演邊界層高度的可靠性及其存在的問題，以期為福建沿海后續(xù)氣象及環(huán)境研究提供參考。

1 資料與方法

試驗觀測地點為廈門市氣象局(24°29′9.14″N、118°4′46.39″E)，廈門國家高空氣象觀測站海拔高度138 m，探空儀為GTS1型數(shù)字式探空儀，高度分辨率50 m，每日08:00(北京時，下同)和20:00各施放一次，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括每層風速、風向、氣溫和氣球漂移時間等。

觀測使用的測風激光雷達是青島鐳測Wind3D 6000三維掃描型測風激光雷達(表1)，設備安裝在距離廈門市氣象局觀測場西南方20 m的平臺上，激光波束俯仰角度為60°，起測高度為51 m，徑向距離分辨率為30 m，高度分辨率為26 m(徑向距離分辨率30 m×sin 60°)，最大徑向探測距離為6000 m。本文涉及1 min、10 min平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括水平風速、水平風向、垂直速度和消光系數(shù)等。

表1 相干多普勒測風激光雷達Wind3D 6000性能技術指標Tab.1 Performance specifications of coherent Doppler wind lidar Wind3D 6000

測風激光雷達與無線電探空儀數(shù)據(jù)對比時間為2019年11月5日至12月13日，排除雷達改換掃描模式和降雨測試等情況，測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)對比廓線數(shù)共43條。時間選取原則上，探空數(shù)據(jù)每日2條，探空儀飛至2000 m高度所用時間約6 min；雷達數(shù)據(jù)采用與探空儀施放時刻最接近的1 min平均值進行對比。空間選取原則上，探空數(shù)據(jù)高度分辨率為50 m，雷達數(shù)據(jù)高度分辨率為26 m，選取二者距離最接近的高度層進行對比。

基于邊界層頂存在逆溫層這一特征，可先將溫度廓線進行平滑，再通過梯度法求出逆溫層高度和邊界層高度。邊界層內(nèi)的氣溶膠濃度明顯高于自由大氣，對于測風激光雷達，先通過雷達回波強度信號的距離平方校正結果獲取廓線信息，其一階導數(shù)的最小值出現(xiàn)的高度可表征邊界層高度[15]，具體公式如下：

(1)

式中：z(m)為相對于雷達的垂直高度；P(z)(dB)為激光雷達接收到z高度處反射回來的回波信號功率；P(z)z2為激光雷達距離平方校正信號，反映氣溶膠濃度隨高度的變化情況；D(z)為激光雷達距離平方校正信號的梯度，表征z高度處雷達回波強度校正后的信號衰減快慢程度，D(z)越小表示衰減速度越快，由于通常大部分氣溶膠集中在邊界層內(nèi)，自由大氣與邊界層間氣溶膠濃度會出現(xiàn)驟變，因此D(z)最小值所對應的高度即為氣溶膠濃度迅速減小的邊界層高度。

2 風場數(shù)據(jù)對比

測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)的時間和高度分辨率差異影響對比結果，另外，由于探空風速、風向數(shù)據(jù)均為整數(shù)，而雷達數(shù)據(jù)保留了兩位小數(shù)，所以在對比時，風速偏差會非常明顯。圖1為2019年11月5日至12月13日廈門測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風速和風向?qū)Ρ取？梢钥闯?，觀測試驗期間，廈門市風速最大值為17 m·s-1，多集中在4～14 m·s-1之間，由于兩種數(shù)據(jù)的精度不同，風速散點圖呈明顯的階梯狀，決定系數(shù)R2達0.91；風向主要為東北風，R2達0.98，風向更大的數(shù)據(jù)范圍使得階梯狀特征不再明顯，對比效果和一致性更好。

圖1 2019年11月5日至12月13日廈門測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風速(a)和風向(b)對比Fig.1 Comparison of wind speed (a) and wind direction (b) under 2000 m height between wind lidar data and radiosonde data from 5 November to 13 December 2019 in Xiamen

圖2為2019年11月5日至12月13日廈門測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)2000 m以下不同高度層風速和風向的標準差。標準差反映各高度處測風激光雷達風速、風向相較于無線電探空儀數(shù)據(jù)的平均偏離程度。標準差越小說明二者觀測結果越接近?？梢钥闯觯?50～1300 m高度范圍內(nèi)，風速標準差基本在1 m·s-1以下，風向標準差基本在10°左右。低空風場情況復雜，300 m以下風速和風向標準差較大；高空風場穩(wěn)定，但探空儀隨風飄遠，和雷達相距較遠，風速標準差也較大。對于邊界層高度范圍內(nèi)的風場，測風激光雷達與無線電探空儀對比精度良好，且可針對其上方的大氣進行高時空精度的連續(xù)觀測。

圖2 2019年11月5日至12月13日廈門測風激光雷達與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風速、風向標準差Fig.2 Standard deviation of wind speed and wind direction of wind lidar and radiosonde under 2000 m height from 5 November to 13 December 2019 in Xiamen

3 邊界層高度反演

3.1 邊界層高度反演結果對比

圖3為2019年11月5日至12月13日08:00和20:00所有有效時刻及剔除偏差較大時刻的探空和測風激光雷達反演的邊界層高度。圖4為同期所有有效時刻及剔除偏差較大時刻的探空和測風激光雷達反演的邊界層高度散點圖?？梢钥闯?，08:00和20:00邊界層高度變化劇烈，最低為250 m，最高可達2850 m。在某些時刻(11月7日20:00、14日08:00、22日20:00、23日08:00及12月3日20:00、10日08:00)二者反演邊界層高度相差較大，決定系數(shù)R2只有0.38，均方根誤差(RMSE)為483.80 m，平均偏差(BIAS)為159.65 m；剔除6個對比結果偏差很大的時刻后，兩組邊界層高度的決定系數(shù)R2達到0.93，RMSE為128.22 m，BIAS為3.59 m，2條擬合直線的效果明顯提升，對比效果良好。說明測風激光雷達用梯度法求邊界層高度在大部分情況下是可行的。

圖3 2019年11月5日至12月13日廈門所有有效時刻(a)及剔除偏差較大時刻后(b)的測風激光雷達和探空反演的邊界層高度Fig.3 The boundary layer height retrieved by wind lidar and radiosonde data at all effective moments (a) and after removing those moments with larger deviation (b) from 5 November to 13 December 2019 in Xiamen

圖4 2019年11月5日至12月13日廈門所有有效時刻(a)及剔除偏差較大時刻后(b)的測風激光雷達和探空反演邊界層高度的散點圖Fig.4 The scatter diagrams of boundary layer height retrieved by wind lidar and radiosonde data at all effective moments (a) and after removing those moments with larger deviation (b) from 5 November to 13 December 2019 in Xiamen

3.2 特殊天氣條件下邊界層高度反演結果

為明確影響無線電探空儀與測風激光雷達反演邊界層高度一致性的因素，挑選對比偏差較大的時刻，發(fā)現(xiàn)均出現(xiàn)低空急流污染和邊界層云，選取2019年11月7日20:00和11月22日20:00的觀測結果分別代表低空急流污染和邊界層云加以說明。

圖5為2019年11月7日15:00—23:50測風激光雷達風羽、垂直速度和消光系數(shù)?？梢钥闯?，11月7日，消光系數(shù)(每米消光系數(shù)取對數(shù)，下同)顯示有明顯的分層，廈門市出現(xiàn)輕度污染，18:00水平能見度為20 km，上升垂直氣流減弱，下沉垂直氣流增強，低空污染層高度明顯降低。18:00起，500～1000 m高度范圍內(nèi)的風速突增，最大風速穩(wěn)定在800 m左右高度處，此高度以下，消光系數(shù)值明顯偏大，空氣污染較為明顯，測風激光雷達梯度法反演的邊界層高度即為此高度。通過無線電探空儀的溫度廓線求得20:00邊界層高度為2650 m，這與測風激光雷達梯度法中距離平方校正信號梯度次小值對應的高度相符。因此，當邊界層出現(xiàn)急流、明顯的污染等復雜情況時，需要綜合考慮無線電探空儀和測風激光雷達反演的邊界層高度結果。

圖5 2019年11月7日15:00—23:50廈門測風激光雷達風羽(a，單位:m·s-1)、垂直速度(b，單位：m·s-1)和消光系數(shù)(c，單位：m-1)(紅色虛線對應20:00，紅色圓圈和紅色三角分別為測風激光雷達和探空反演所得邊界層高度，下同)Fig.5 The wind plume (a, Unit: m·s-1), vertical velocity (b, Unit: m·s-1) and extinction coefficient (c, Unit: m-1) retrieved by wind lidar data from 15:00 BST to 23:50 BST on 7 November 2019 in Xiamen(The red dotted line corresponds to 20:00 BST, the red circle and red triangle are boundary layer heights retrieved by wind lidar and radiosonde data, respectively, the same as below)

周天等[23]研究了晴空積云的云底高度與對流邊界層高度之間的關系，發(fā)現(xiàn)云底高度和邊界層高度都集中在4 km范圍，二者相關系數(shù)達到0.97，邊界層云底高度隨對流邊界層高度的升高而升高。圖6為2019年11月22日13:00—21:30測風激光雷達風羽、垂直速度和消光系數(shù)。可以看出，11月22日，600～1200 m高度上存在明顯的晴空積云，東北風風場均勻，13:00—15:00，垂直上升氣流較強，云體維持在1000 m高度處，15:30開始，500 m高度以上垂直下沉氣流增強，云體高度出現(xiàn)先降低后升高的波動，18:00左右開始持續(xù)降低，此段時間垂直氣流速度極小，大氣層結穩(wěn)定。通過無線電探空儀的溫度廓線求得20:00邊界層高度在2450 m，而測風激光雷達求得的邊界層高度則為701 m。因為夜間地表輻射冷卻，云的存在會使得一部分熱量被云吸收，被云層吸收的這部分熱量，又會慢慢地放射出來，因此逆溫減弱，溫度梯度法求邊界層高度時，會將更為明顯的逆溫層高度定義為邊界層高度，所以當有云存在時，可將無線電探空儀和測風激光雷達反演的邊界層高度結合討論。

圖6 2019年11月22日13:00—21:30廈門測風激光雷達風羽(a，單位：m·s-1)、垂直速度(b，單位：m·s-1)和消光系數(shù)(c，單位：m-1)Fig.6 The wind plume (a, Unit: m·s-1), vertical velocity (b, Unit: m·s-1) and extinction coefficient (c, Unit: m-1) retrieved by wind lidar data from 13:00 BST to 21:30 BST on 22 November 2019 in Xiamen

同時考慮到降水這一特殊天氣對測風激光雷達的觀測和大氣邊界層高度的反演有明顯影響，但2019年11月7日至12月13日廈門測風激光雷達有效觀測期間并無降水，且2019年夏季雷達在廈門進行過短暫觀測，所以選取2019年7月20日09:00—20:00的觀測結果代表降水情況加以說明。

測風激光雷達激光波長采用1.5 μm近紅外波段，波長較微波雷達小數(shù)個量級，可以通過對大氣中氣溶膠微小粒子發(fā)生作用實現(xiàn)晴空探測，實時提供高精度、高分辨率的大氣風場信息，但由于激光波長小，由朗伯-比爾指數(shù)衰減定律可知，激光通過一定光學厚度介質(zhì)后功率會衰減。自然環(huán)境中的云、雨和霧等，都會對激光傳輸造成衰減，影響測風激光雷達探測高度[24]。

廈門市夏季降水充沛，2019年7月20日14:00—17:00，廈門市湖里區(qū)出現(xiàn)小雨，4 h累計降水量達10.5 mm。圖7為2019年7月20日09:00—19:50廈門測風激光雷達垂直速度和消光系數(shù)?？梢钥闯觯?1:00—12:00，旺盛的上升氣流為降雨做充足準備，13:30降水開始，雷達探測高度驟降，16:50降雨基本結束，雷達探測高度迅速恢復至1 km以上。在降雨時段雷達探測高度不足300 m的情況下，利用觀測數(shù)據(jù)無法進行邊界層高度的反演，即測風激光雷達觀測效果對降水非常敏感，降水時雷達探測高度迅速下降，觀測高度不足以進行邊界層高度的反演。

圖7 2019年7月20日09:00—19:50廈門測風激光雷達垂直速度(a，單位：m·s-1)和消光系數(shù)(b，單位：m-1)Fig.7 The vertical velocity (a, Unit: m·s-1) and extinction coefficient (b, Unit: m-1) retrieved by wind lidar data from 09:00 BST to 19:50 BST on 20 July 2019 in Xiamen

3.3 測風激光雷達反演邊界層日變化

圖8為2019年11月13—18日測風激光雷達反演的消光系數(shù)、邊界層高度和風羽?？梢钥闯?，邊界層高度均在2000 m以下，11月14—15日，偏東風風向較穩(wěn)定。14日03:00—08:00，受低云影響，邊界層高度維持在1200 m左右，09:00—14:00達到1300 m以上，14:00達到1500 m的極大值，隨后迅速降低，17:00，500～900 m層東北風風速驟增，14日17:00至15日06:00，邊界層高度降低且穩(wěn)定在600 m左右。15日06:00—14:00，邊界層高度逐漸升高至1300 m，隨后緩慢降低，15日20:00至16日06:00夜間邊界層高度穩(wěn)定在800 m左右。16日上午1000 m處云層使得邊界層高度變化不明顯，午后邊界層高度無明顯升高，穩(wěn)定在1000 m左右。17日依舊存在云系且邊界層高度較16日更低，17日11:00風向由偏東風轉(zhuǎn)為偏西風，20:00再次轉(zhuǎn)回偏東風。15—17日每日08:00—20:00，消光系數(shù)較大，空氣污染增強，日變化規(guī)律明顯。

圖8 2019年11月13—18日廈門測風激光雷達反演的消光系數(shù)(陰影，單位：m-1)、邊界層高度(玫紅實心點，單位：m)(a)及風羽(單位：m·s-1)Fig.8 The extinction coefficient (the shade, Unit: m-1), boundary layer height (rose red solid dot, Unit: m) (a) and wind plume (b, Unit: m·s-1) retrieved by wind lidar data from 13 to 18 November 2019 in Xiamen

氣溶膠激光雷達和測風激光雷達都可以反演氣溶膠濃度和邊界層高度，但兩者有諸多不同。氣溶膠激光雷達通過遙感測量大氣氣溶膠和微小顆粒物的后向散射信號，可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的時空分布，反演氣溶膠的成分結構、粒子屬性和時空演變，其波長通常為355 nm或532 nm。測風激光雷達采用1.5 μm近紅外波段的激光保證人眼安全，且由光纖損耗與波長間的關系可知，該波段光纖損耗最小，可實現(xiàn)全光纖鏈路，系統(tǒng)集成度高，環(huán)境適應能力強。天空背景噪聲在這個波段影響較小，可實現(xiàn)全天候高精度的連續(xù)觀測[25]，但相比氣溶膠激光雷達，其探測高度偏低。

4 結 論

(1)在時空和數(shù)據(jù)保留的有效位數(shù)并不完全匹配的情況下，廈門市2019年11月5日至12月13日，無線電探空儀和測風激光雷達探測風速和風向的決定系數(shù)R2分別為0.91、0.98。300 m以下的低空風場情況復雜，風速標準差和風向標準差均偏大；1400 m以上探空儀與測風激光雷達相距越來越遠，標準差也偏大；450～1300 m高度范圍內(nèi)標準差較小，二者觀測的風速、風向一致性最好。每個高度層風速標準差基本在1 m·s-1以下，風向標準差在10°左右，由此可以反映測風激光雷達所測風場信息真實可靠。

(2)所有有效時刻的43組探空和測風激光雷達數(shù)據(jù)反演的邊界層高度對比結果顯示：對于對比結果較差的點，探空反演的邊界層高度明顯高于測風激光雷達；剔除邊界層內(nèi)出現(xiàn)云、急流和污染的情況，對比效果提升明顯，決定系數(shù)R2由0.38提升至0.93；通常情況下，通過梯度法對測風激光雷達的反演結果與探空獲得的溫度廓線反演出的邊界層高度一致性良好。

(3)出現(xiàn)明顯污染過程時，測風激光雷達反演出的可能為污染層高度，與探空的溫度廓線求得的邊界層高度相差較大；晴空積云的云底高度與對流邊界層高度之間有正相關關系，云底高度可表征邊界層高度，云的存在會使得逆溫減弱，溫度梯度法會將高空更為明顯的逆溫層高度定義為邊界層高度；降雨使得雷達探測高度迅速下降，受其影響測風激光雷達不適于邊界層高度的反演。