论文总字数：20368字

目 录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

2国内外研究现状 2

2.1国内研究现状 2

2.2国外研究现状 3

3试验概况与数据处理分析 4

3.1试验站点介绍 4

3.2激光雷达及观测原理 5

3.3激光雷达反演大气边界层高度 5

3.4与探空资料的对比验证 8

3.5气象条件对边界层的影响 9

3.6一次重污染过程的分析 13

四 结论 15

参考文献 15

致谢 18

利用激光雷达监测杭州城区大气边界层高度

杨素娥

,China

Abstract：Take a method of combine the Fernald and observation to obtain atmospheric boundary layer height,based on the Lidar data（2013.12-2014.1）in Hangzhou,then it is compared and verified with atmospheric boundary layer height by Sounding date,it analyzes the influence of meteorological conditions on the atmospheric boundary layer height as well as the influence of atmospheric boundary layer height on pollution.The results show that:(1)There is a diurnal variation existing in the boundary layer height of Hangzhou area(That is to say,the height of the atmospheric boundary layer at night is lower than the day,and the height in the morning or evening is lower than the height in daytime),the average height of atmospheric boundary layer is about 1100±470 m;(2)The height of the atmospheric boundary layer by the two methods are highly correlated，and the correlation coefficient is 0.81;(3)The height of the atmospheric boundary layer holds the same changing trend with the visibility of near surface,wind speed,temperature,but holds the opposite changing trend with the pollutants.The height of the atmospheric boundary layer in haze days is lower than the height of the atmospheric boundary layer on the non-haze days．

Key words：Hangzhou area；Lidar；planetary boundary layer height；aerosols

1引言

大气边界层也叫行星边界层（简称ABL或PBL)，是位于对流层下面最靠近地球表面的大气层，厚度一般在1-2 km之间^[1-2]，响应地面的作用时间为1 h或者更短^[3]。这个区域与人类关系密切，是人类生活及生产活动的基本场所，人类活动带来的污染物排放，传输和转化大部分发生在这个区域内^[4-6]，由此带来了一系列的大气边界层环境问题，并直接影响到人们的健康和日常生活。一般情况下，将大气边界层分为两个部分（即白天对流边界层和夜间稳定边界层）。白天对流边界层自下而上分为：地面层，混合层和夹卷层；夜间稳定边界层分为：夜间稳定层，残留层，覆盖逆温层。近地面层又包括粗糙度层和局地自由对流层，是人类和生物直接接触的气层，也是大气污染最主要的表现场所；混合层中的湍流混合以对流为主，混合层高度则是影响大气污染物浓度状况的重要参数；夹卷层位于对流边界层和自由大气层的中间，是二者物质和能量交换的过渡区域；夜间，当残留层底部接触到地面并逐渐趋向稳定就形成了夜间稳定层；傍晚日落前，由于混合层中的湍流衰减，形成的中性空气层结称为残留层；覆盖逆温层位于残留层的上方。夜间，受地面大气辐射冷却的影响，经常会在很低的高度上出现很强的逆温结构^[7]，形成稳定边界层，严重阻碍物质和能量在垂直方向的输送扩散。大气边界层和其上层（自由大气层）相比较而言，含有更丰富的气溶胶粒子。气溶胶是指大气以及悬浮在其中的液体或者固体粒子共同组成的多相体系^[8]，一般将分散并悬浮在气体介质中的固体或者液体小质点称之为气溶胶，大小为0.001~100 µm。边界层内各个气象要素的变化都受到气溶胶的影响，可以把气溶胶作为探测大气边界层垂直变化和时空变化的载体。气溶胶污染还和许多的环境问题都有密切的联系，例如备受关注的PM_2.5粒子是造成许多一二线城市严重雾霾的重要元凶。当雾霾天气发生时，空气中悬浮的细颗粒物含量增加，这些细颗粒物可通过呼吸系统进入到支气管甚至是肺部，使人们的健康受到威胁。同时，雾霾天气发生时，空气中颗粒物含量的增多使得空气对可见光的散射，折射和吸收作用增强，造成大气浑浊，视野模糊，近地面能见度下降，影响了陆路、水路、航空的交通及运输安全，并对市民生活和城市景观造成直接的影响。当发生气溶胶远距离输送时，还会造成气溶胶的区域性甚至全球性污染。吸湿性气溶胶粒子还可以作为凝结核参与云的形成，并对大气辐射过程造成影响：一方面，通过削弱太阳辐射，降低入射到地面上的太阳辐射能，使得底层大气温度下降；另一方面，气溶胶层可以吸收来自太阳的辐射能量使自身增温，再通过边界层内的大气湍流运动传输热量，使大气层得到加热并升温，从而对地球和大气系统内部的辐射收支平衡造成影响，进而影响到局地气候乃至全球气候的变化^[9-10]。在大气边界层内，存在湍流作用，当湍流比较强时，可以使颗粒物和气体得到充分混合，而此时边界层顶的高度就是最大混合所能达到的高度，受很多因素（如太阳辐射，天气系统和局地地形等）的影响。处在低层大气中的气溶胶和污染物粒子在输送和扩散过程中很大程度上依赖于大气边界层结构。研究大气边界层高度的时空变化对于我们深入了解大气污染的形成转化，实现有效监测和控制大气污染，研究天气变化和大气湍流运动，都显得尤为重要。杭州市是浙江省的省会城市，地处中国的东南沿海，浙江省的北部，是浙江省政治，经济，文化的中心，也是长江三角洲地区非常重要的一个城市。随着地区经济迅猛发展，城市用地扩张、企业工厂蓬勃发展，人口和机动车辆拥有量剧增。对杭州地区大气气溶胶，大气颗粒物散射消光特性，大气能见度，不同程度霾等的相关研究表明：近年来，杭州市大气污染物的污染源和污染排放量在逐年增多，灰霾天气数也呈现出逐年增长的趋势，且污染物中的大气颗粒物以细微颗粒PM_2.5为主^[11]。预防和控制边界层内细颗粒物带来的污染，改善近地面大气能见度已成为杭州目前大气污染治理中亟待解决的问题^[12]。而城市大气污染主要受两个因素的影响：一个是污染源的排放量及排放特性，另一个是边界层污染气象条件^[13]。因此，对大气边界层进行系统的观测和研究，在有效监测和控制大气污染方面显得尤为关键。同时，在大气环境评价和大气物理模式中边界层高度一直是一个重要的物理参数，边界层高度也是大气科学研究中的热点问题之一。本文对杭州地区（2013年底至2014年初）的激光雷达数据进行处理分析，得到杭州城区的大气边界层高度信息，并和探空资料获得的边界层高度信息进行比对。在此基础上，分析不同天气条件下大气边界层变化特征，初步探讨气象条件对大气边界层结构变化的影响以及大气边界层高度对大气污染的影响。

2国内外研究现状

目前，根据探空资料来确定大气边界层高度是比较传统而有效的方式^[14]，但时间分辨率比较低，声雷达也是早期探测边界层高度（主要是稳定边界层）的有力工具^[15-16]，但声雷达探测高度低，噪声污染严重。近几十年来，激光雷达凭借其自身优势从一种新型的探测手段在各个研究领域（包括大气边界层研究）中崭露头角，并迅速成为诸多研究领域的重要探测手段。和传统的探测方法相比，激光雷达可以长时间连续自动工作，可对大气边界层结构进行实时，连续不断的监测，且能快速并细致地从回波信号中反映出大气边界层高度和演变信息。国际上已经有很多关于利用激光雷达对大气边界层高度（包括白天混合层和夜间稳定边界层）及其变化的探测和研究，并对激光雷达得到的大气边界层高度信息和通过其他手段（如探空）获得的边界层高度信息进行比对^[17]。近年来，国内相关学者也对边界层开展了不少的观测研究（如北京，南京，西安等）^[18-20]，并都取得了丰富的研究成果。但总体来说，对杭州地区边界层的研究还不是很多。

2.1国内研究现状

胡非等人分析了大气边界层十多年的相关研究及进展并认为：在短时期内，城市污染源的排放在一定程度上是稳定的，影响污染物浓度分布和扩散最主要的一个因素将会是大气边界层（包括大气边界层结构以及大气边界层随时空的变化情况等）^[21]。根据加密的探空资料，胡泽勇等人分析了藏北高原大气边界层中的气象要素（风、温、湿）在夏季典型天气下的变化特征。结果表明：阴天的边界层高度比晴天边界层（包括稳定边界层和对流边界层）的高度要低一些^[22]。王治华等人利用米散射激光雷达进行探测，得到大气激光雷达回波并通过Klett算法解析，得出大气气溶胶粒子的消光系数和后向散射系数，从中获得大气边界层高度信息。结果表明：在一天之中，边界层会从白天的不稳定（强对流）逐渐变为稳定（对流减弱），高度随着地面的辐射冷却逐渐降低，混合层高度和夹卷层的厚度也呈逐渐下降的变化趋势^[23]。利用便携式米散射激光雷达，王珍珠等人对夏季北京城区的大气边界层进行了系统的一个观测和研究。根据观测站获得的测站上空观测资料反演气溶胶消光特性垂直分布，从中获得了大气边界层高度及结构信息，在此基础上分析了边界层结构在人类活动和气象条件影响下的变化特征。结果表明：北京边界层高度在研究期间内的平均高度约为680 m，大多数时间内高度都低于1800 m，比较稳定，并存在早晚低于日间的一个日变化特征。^[24]。利用NWC- ALIEX（陆-气相互作用野外观测试验）的探空试验资料，韦志刚等人分析出了中国西北干旱区大气垂直结构和大气边界层结构。发现西北干旱地区（敦煌地区）在夏末存在一个特厚边界层。其中，对流边界层比较高，为4200 m ，稳定边界层相对低些，为1300 m^[25]。利用米散射激光雷达系统，刘文彬等人对广州冬季大气边界层进行了观测，并获得了观测站地域上空的大气气溶胶粒子消光系数变化情况。结果表明：大气气溶胶在边界层高度为1100 m以下的区域内分布是多层的，边界层高度维持在500~600 m之间^[26]。王琳等人利用偏振拉曼-米散射激光雷达连续观测了合肥地区的大气边界层，并从连续测量的激光雷达数据中使用梯度法（经过修正）获得大气边界层结构信息，从而得到观测期间观测站上空的边界层高度分布：观测期间，主要分布范围为1000-1500 m，平均高度为1280±200 m^[27]。孟伟等人根据Fernald方法，处理ALS300激光雷达系统测量获得的信号，得到大气气溶胶粒子消光系数，根据消光系数的最大突变（也就是最大递减率）确定大气边界层高度信息。得出研究期间北京地区为静稳天气，边界层平均高度是600 m。同时得出静稳天气条件不利于大气污染物在垂直方向的扩散，大气污染容易呈现出区域性分布的特征^[28]。彭华青等人根据1981年至2011年期间无锡地区国家基本观测站的地面观测资料以及上海、杭州、南京3个城市探空站的温度廓线资料，分析了苏南地区重度霾天气条件下的边界层气候特征。得出重度霾污染条件下，逆温层或等温层的存在会抑制污染物的扩散^[29]。杨富燕通过微波辐射计，激光雷达和探空资料，对长江三角洲地区一些典型城市的大气边界层结构进行分析。结果表明：由激光雷达估算的边界层高度要比探空资料确定的边界层高度要低，边界层在结构上表现出周日循环的特点。2013年，上海地区边界层全年平均高度约1000 m，夏秋两季的边界层高度要比春冬两季高度要高^[30]。夏俊荣等人根据河北香河地区的激光雷达数据，结合了观察法和梯度法进行处理分析，得到2006年8月至2008年7月河北香河地区的边界层高度信息。并和在北京南郊探空资料获得的边界层高度比对验证，在基础上分析并得到了河北香河地区边界层高度的季节变化特征：春季为1748±678 m，夏季为1324±379 m，秋季为1320±618 m，冬季为1219±511 m^[31]。

2.2国外研究现状

J. M. DEARDORFF根据探测资料和数值模式对澳大利亚东南部的混合层进行分析，研究了热量通量、水汽通量和动量通量的垂直廓线，发现边界层动量与混合层基本一致，并在太阳辐射加热过程中随着混合层一起增加^[32]。M.M.GIBSON和B.E.LAVNDER发现了地面压力波动影响大气边界层，自由湍流出现在不稳定的大气边界层中^[33]。Nicholas A对赤道太平洋地区的大气边界层进行的研究中发现：在赤道太平洋地区，冷暖水两侧相比较而言，冷水一侧的边界层要更稳定，高度更低^[34]。WAYNE M等人根据边界层廓线特征获得边界层高度信息，并和无线电探空仪测量得到的边界层高度信息进行比对验证，发现当有云存在时，不仅可以增加反射率，还能抬高边界层高度^[35]。根据激光雷达测量的资料，Menut等人采用两种不同的方法（即IPM法和VCM法）反演获取边界层高度信息，并与试验期间通过探空气球探测资料获得的边界层高度信息进行了比对，发现通过两种方法（IPM法和VCM法）反演得到的大气边界层高度与探空资料获得的边界层高度之间有很好的相关性，相关系数分别为0.99（IPM法）和0.98（VCM法）^[36]。L. MAHRT对稳定边界层的稳定性定义做了许多的解释，说明了稳定边界层是由不相同的层结构成的（即边界层具有多层结构），为今后的研究提供了一个理想的框架^[37]。Cohn等人利用激光雷达和风廓线雷达两种手段分别对边界层高度进行探测并对比， 发现通过两种手段反演得到的边界层高度变化具有很好的一致性^[38]。Welton等人对印度洋上空的气溶胶（主要包括垂直廓线和光学特性两个方面）进行研究，发现在观测站上空存在海洋性边界层，且高度低于1000 m，并对气溶胶（主要针对污染性海洋大气气溶胶）垂直向的消光研究提出了一个新模式^[39]。Medeiros等人分析了全球大气边界层高度的空间分布，日变化以及季节变化特征，发现在高纬度地区，冷下垫面以及稳定条件下边界层高度比较低，北半球陆地以及南半球海冰区边界层高度比较高，很少出现层积云，而在亚洲北部、加拿大、北半球风暴轴区和南半球海冰区等层积云多发区，边界层云发生的季节变化与边界层高度的季节变化具有一致性^[40]。Challa 等人通过数值模拟的方法，对美国密西西比州海岸附近，海陆风环流背景下的大气边界层结构进行模拟。指出越靠近海岸附近边界层高度越低， 而越靠近内陆边界层逐渐过渡到高度较高的混合层结构^[41]。Dandou等人利用激光云高计和声雷达探测获取混合层高度，并与其他边界层参数化方案模拟得到的混合层高度进行对比。在此基础上分析和讨论了春季和冬季、郊区和乡村混合层高度特征。结果表明：稳定度不相同时，获得的边界层高度和涡旋黏性之间有很好的联系性。而在夏季，沿海地区比较热，沿着海风向内陆的方向边界层厚度会逐渐增厚。但当冷的海风入侵到大陆内部时，会限制边界层的垂直发展，海洋上空出现高度较低的大气边界层，这种现象和大范围中尺度补偿下沉有关系^[42]。

3试验概况与数据处理分析

3.1试验站点介绍

试验地点位于杭州市气象局的杭州国家基准气候站（120°10′ E，30°14′ N，海拔41.7 m），如图1。本文利用该地区2013年底到2014年初(即2013年12月~2014年2月）三个月的雷达观测资料，地面观测资料和探空观测资料进行分析。该站位于浙江省杭州市凤山门馒头山顶，中河高架的西边，其东北两面都是城市街区建筑群，南面紧邻钱塘江且一江之隔也是城市街区建筑群，西面环绕山丘并紧邻西湖风景区。该站地处杭州市区和西湖风景区的结合处，四周没有建筑物遮挡，视野开阔。该站也没有明显的工业和农业污染情况，人为活动主要包括交通和居民生活，既不属于纯粹的自然环境也不属于密集的办公区和居住区。

图1 试验站点介绍

3.2激光雷达及观测原理

激光雷达是一种通过激光来遥感目标物位置的装置。它把激光作为光源，当目标物接收到激光束时会产生一个回波信号，根据回波信号就可以判断出目标物的位置。作为一种新型的大气主动式现代光学遥感探测工具，激光雷达结合了多种技术：包括传统雷达技术、现代激光技术和信息处理技术。经过几十年不断的发展，激光雷达已经成为多种功能集中于一体的系统，具有能量集中，精度高，抗干扰能力强，体积小以及探测范围大等优点，且能够探测到大气中的气溶胶等一些微小目标。激光雷达还可以长时间连续自动工作，实现实时，连续监测。目前已被大范围应用到一些高新技术领域，如航空航天、通信导航和环境监测等，并成为高精度遥感探测陆地、海洋、大气的有效手段^[43]。激光雷达根据工作原理的不同可以分为以下几类：米散射激光雷达（主要探测大气气溶胶的辐射特性）；瑞利散射激光雷达（主要探测高空大气的密度，温度分布）；拉曼散射激光雷达（主要探测气体，温度，湿度）；差分吸收激光雷达（主要用来探测气体）。

本次试验采用的是测量气溶胶的米散射激光雷达。米散射激光雷达方程有三种求解方法：分别是Collis斜率法、Klett法和Fernald法。其中，Collis斜率法的优点是比较简单，但只适用于大气均匀分布时候的情况，而实际大气中的云雾粒子和气溶胶粒子等都是经常变化的。Klett法的优点在于气溶胶污染较重时，可相对准确的获得气溶胶消光系数，Klett法克服了Collis斜率法只能适用于均匀大气的局限，在后来的相关研究领域中得到广泛的应用。Fernald法也是国内外相关学者们研究时普遍采用的一种算法，Fernald法把大气分成了空气分子和气溶胶两大部分，并认为大气消光系数和后向散射系数分别是两个部分的消光系数之和后向散射系数之和。尽管这种方法计算量比较大，却在精准度上提高了很多^[44]。本文正是使用Fernald法，根据激光雷达回波信号反演得到气溶胶粒子的消光系数廓线，再结合观察法观察消光系数的最大突变（也就是最大递减率），获得大气边界层高度信息^[45]。

3.3激光雷达反演大气边界层高度

通过激光雷达进行观测，不仅仅可以得到气溶胶的垂直分布特征，还可以得到大气边界层高度的变化特征。大气边界层和上层自由大气相比，含有更丰富的气溶胶粒子，当气溶胶含量丰富时，激光雷达后向散射信号会非常的强，气溶胶的信息也可以在激光雷达回波中体现出来。而在边界层和自由大气两者的过渡区域内，气溶胶粒子的浓度分布会逐渐发生改变，这样就可以根据激光雷达的回波信息获取边界层结构和高度信息。因此，往往在探测大气边界层的时空变化时，将气溶胶粒子作为示踪物^[36]。根据激光雷达信号获取边界层高度信息的方法有很多，主要有以下几种：梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和观察法等。本文利用Fernald法反演激光雷达数据得到气溶胶粒子的消光系数廓线，再通过观察法进行处理，进而进行统计分析。观察法，即通过直接观察得到所需要的信息，文中采用的是通过观察气溶胶粒子的消光系数廓线，根据消光系数的最大突变（即最大递减率）来确定边界层高度信息，观察法不易判断出错，相对来说比较准确，但工作量大，费时费力。

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