北京城区大气边界层的激光雷达观测

激光雷达是边界层大气气溶胶和云的一个高效探测工具。利用MPL激光雷达测量出的数据反演出了测站地域上空大气边界层气溶胶消光系数的垂直分布,利用气溶胶消光系数的垂直分布可决定测站上空的大气边界层高度。测量数据表明:大气边界层内气溶胶的含量较为稳定,有明显的气溶胶多层结构。     

AEDAL在青岛、渤海及黄海探测的定标反演

在不进行大气参数假设和加载其他辅助设备的情况下,通过对AEDAL机载大气环境探测激光雷达探测数据的分析,证明了用Slope法对空基激光雷达进行定标反演的可行性。AEDAL的定标反演结果,生动地展现了青岛地区及渤海、黄海海域气溶胶垂直分布、边界层结构及边界层光学厚度的重要特征。首先,冷锋过境,边界层高度明显下降的同时,气溶胶出现多层分布的现象,海区气溶胶垂直分布较陆地有明显的沉降现象。其次,青岛地区整个边界层光学厚度表现为城区最大、丘陵地区最小、渤海海区介于两者之间的分布特点,海区边界层光学厚度变化相对平缓,迎风坡附近的边界层光学厚度较周围有所增大。青岛至渤海这一区域,晴朗天气下边界层光学厚度的大小介于0.15～0.35之间,雾天则在0.3～0.45之间,而黄海海域则可达到0.55左右。这说明,青岛地区边界层气溶胶主要来自于城市和海洋,在冬季季风对气溶胶分布起作用的同时,山脉及地面风场对边界层气溶胶的输送有重要影响。     

激光雷达探测北京城区夏季大气边界层

为了研究北京城区夏季大气边界层结构变化特征及大气边界层内气溶胶消光特性,2004年8月利用便携式米散射激光雷达对北京城区夏季大气边界层进行了系统观测。反演了观测站上空大气气溶胶的消光特性垂直分布以及大气边界层的高度。分析了气象条件和人类活动对大气边界层结构的影响。观测数据表明： 北京城区夏季大气边界层有明显的日变化特征,早晚比较低,日间有一个从低变高再变低的过程,中午前后达到最高。结合气象参数对测量数据进行的统计分析表明：北京城区夏季大气边界层高度相对稳定,多分布在1.8km以下,平均值为0.68km;大气边界层内存在浓度较高的气溶胶粒子,平均光学厚度（3km以内）在0.30左右。     

激光雷达反演大气边界层高度的优化方法

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。     

融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法

针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题，提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据，将K-means算法和熵权法应用于多种条件下的边界层高度估计，从初始参数选取和距离计算两个方面提升基于聚类分析的边界层高度的估计性能。实验结果表明：与常用激光雷达边界层高度估计方法相比，所提方法具有较强的抗干扰能力，能更好地追踪复杂大气结构下的边界层高度日变化过程；在晴朗无云天气和复杂大气结构下，其边界层高度的估计值与无线电探空仪边界层高度的测量值基本一致，相关系数分别为0.9718和0.9175。所提方法具有较高的鲁棒性，可以可靠地估计多种条件下的大气边界层高度。     

边界层低空急流激光雷达观测及其对PM2.5的影响

大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程,与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验,使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究,并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM2.5质量浓度数据分析。研究时段内,低空急流出现频率为0.11,平均急流风速为13.2 m·s^-1,急流风向主要集中在东北向与西南向,急流高度主要在500 m以下,在200～300 m频率最高;低空急流风向在冬季与春季存在明显差异,冬季主要集中在东北向,春季主要集中在西南向。分析表明,该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响;在沿海区域,海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件,进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力,加速PM_2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。     

南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量

利用拉曼-瑞利-米激光雷达对南京北郊雾霾气溶胶进行观测和分析,并和气象预报相比对。2009年12月2日进行了长时间连续的观测实验,分析比较2009年12月2日观测的雾霾激光雷达距离矫正信号和2011年1月10日南京北郊晴空大气边界层气溶胶激光雷达距离矫正信号的区别和特征。实验结果表明:2009年12月2日10:00至19:00观测出现雾霾,激光雷达观测到雾霾出现的时间段和当天南京气象预报相吻合;南京北郊雾霾出现在低空300 m左右,厚度大约为700 m,大气边界层气溶胶出现的高度为1 000 m左右,厚度大约为1 500 m。     

基于激光雷达观测的大气边界层自动识别局部最优点算法

大气边界层高度是影响近地面大气物理运动的主要因素,同时也是影响地面污染物浓度的一个重要因素。地基激光雷达可以对大气气溶胶的垂直分布进行连续稳定的监测,应用激光雷达技术对大气边界层进行连续观测可以为环境监测与预报提供指导性的动态信息。针对存在残留层以及外来污染物输入情况时边界层高度变化检测的可靠性及计算效率问题,结合梯度法的物理意义与激光雷达时序图的图形图像学特征,提出了一种基于时空邻近度的边界层局部最优点识别算法。以江苏省无锡市新区偏振米散射激光雷达太湖观测站点的气溶胶垂直观测数据为例,通过对2012年底两次污染事件进行观测分析,分别使用梯度法和局部最优点法进行大气边界层高度的自动识别。实验结果表明,在静稳状态和污染混入后的情况下,梯度法与局部最优点识别法的结果较为接近,但梯度法在处理污染混入状态以及存在残留层的情况下误判率较高。基于时空邻近度的局部最优点算法通过对垂直特征值以及水平相关性的控制,有效地消除了在弱信号、噪声信号、低云以及存在残留层和外来污染等情况下导致的计算机误判现象,在减小算法时间复杂度的同时在计算机自动识别结果具有更高的稳定性,弥补了梯度法在自动化运行中的识别精度与计算效率的不足。     

北京城区限车期间气溶胶特征激光雷达观测研究

用微脉冲激光雷达(MPL)研究了机动车限行措施对城市大气污染影响.2007年8月北京市车辆限行期间, 对近地面层气溶胶的光学特性进行连续立体监测, 在对激光雷达系统及其数据处理方法讨论的基础上, 反演了近地面层气溶胶消光系数、大气边界层高度以及颗粒物质量浓度的时空变化, 通过和未限车期间近似气象条件下观测数据的分析比较, 发现限车期间颗粒物质量浓度呈现下降趋势, 监测区域上空大气污染层厚度减小, 证明车辆限行减排是一项减轻城市大气污染的有效措施, 为我国城市空气污染治理提供了科学依据和参考.     

青藏高原对流层气溶胶的激光雷达监测与研究

运用激光雷达方程和Fernald方法,对西藏那曲地区和北京地区对流层气溶胶的微脉冲激光雷达(MPL)探测数据进行时空反演和比较,结果表明:气溶胶散射比廓线有着较为相似的结构分布,分层锯齿结构非常明显,主要包括贴地层、气溶胶混合层和气溶胶对流层。那曲测站上空气溶胶散射比在无云条件下最大值基本上保持在2.0左右;在测站上空均存在密度较大且较厚的积云;夏季的混合层或残留层(浅蓝色部分)高度抬高;夏季对流层低层积云的云量和积云出现的概率较冬季要少。