任 雍，陳 賽，余安安，范夢奇

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)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(duì)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(duì)流交換的水平，是描述邊界層結(jié)構(gòu)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(duì)濕度、風(fēng)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(duì)它的認(rèn)識(shí)離不開觀測手段的突破[6]。

風(fēng)場體現(xiàn)大氣運(yùn)動(dòng)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(fēng)手段有無線電探空儀和風(fēng)廓線雷達(dá)。無線電探空儀時(shí)間分辨率低，施放成本高昂，難以滿足持續(xù)性業(yè)務(wù)需求。風(fēng)廓線雷達(dá)已經(jīng)全面進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用，并且在業(yè)務(wù)中已有許多成功的應(yīng)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(fēng)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(fēng)激光雷達(dá)(簡稱“測風(fēng)激光雷達(dá)”)作為一種新型的遙感監(jiān)測設(shè)備，是利用大氣中氣溶膠粒子對(duì)激光的多普勒頻移效應(yīng)來測量大氣風(fēng)場。對(duì)于城市復(fù)雜下墊面條件下邊界層不同高度的風(fēng)場觀測，測風(fēng)激光雷達(dá)相較于風(fēng)廓線雷達(dá)，與GPS探空儀測風(fēng)結(jié)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(shí)空分辨率和更便于移動(dòng)的優(yōu)勢特點(diǎn)。另外，基于觀測原理，測風(fēng)激光雷達(dá)還可以同時(shí)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(duì)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(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)場觀測結(jié)果，以此先確定測風(fēng)激光雷達(dá)在廈門地區(qū)風(fēng)場觀測的適用性和可靠性，再利用雷達(dá)回波強(qiáng)度信號(hào)和梯度法進(jìn)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(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確定測風(fēng)激光雷達(dá)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(yàn)觀測地點(diǎn)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(shí)，下同)和20:00各施放一次，數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括每層風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和氣球漂移時(shí)間等。

觀測使用的測風(fēng)激光雷達(dá)是青島鐳測Wind3D 6000三維掃描型測風(fēng)激光雷達(dá)(表1)，設(shè)備安裝在距離廈門市氣象局觀測場西南方20 m的平臺(tái)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(fēng)速、水平風(fēng)向、垂直速度和消光系數(shù)等。

表1 相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)Wind3D 6000性能技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Performance specifications of coherent Doppler wind lidar Wind3D 6000

測風(fēng)激光雷達(dá)與無線電探空儀數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)間為2019年11月5日至12月13日，排除雷達(dá)改換掃描模式和降雨測試等情況，測風(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)對(duì)比廓線數(shù)共43條。時(shí)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(shí)間約6 min；雷達(dá)數(shù)據(jù)采用與探空儀施放時(shí)刻最接近的1 min平均值進(jìn)行對(duì)比。空間選取原則上，探空數(shù)據(jù)高度分辨率為50 m，雷達(dá)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(jìn)行對(duì)比。

基于邊界層頂存在逆溫層這一特征，可先將溫度廓線進(jìn)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(duì)于測風(fēng)激光雷達(dá)，先通過雷達(dá)回波強(qiáng)度信號(hào)的距離平方校正結(jié)果獲取廓線信息，其一階導(dǎo)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(duì)于雷達(dá)的垂直高度；P(z)(dB)為激光雷達(dá)接收到z高度處反射回來的回波信號(hào)功率；P(z)z2為激光雷達(dá)距離平方校正信號(hào)，反映氣溶膠濃度隨高度的變化情況；D(z)為激光雷達(dá)距離平方校正信號(hào)的梯度，表征z高度處雷達(dá)回波強(qiáng)度校正后的信號(hào)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(huì)出現(xiàn)驟變，因此D(z)最小值所對(duì)應(yīng)的高度即為氣溶膠濃度迅速減小的邊界層高度。

2 風(fēng)場數(shù)據(jù)對(duì)比

測風(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)的時(shí)間和高度分辨率差異影響對(duì)比結(jié)果，另外，由于探空風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)均為整數(shù)，而雷達(dá)數(shù)據(jù)保留了兩位小數(shù)，所以在對(duì)比時(shí)，風(fēng)速偏差會(huì)非常明顯。圖1為2019年11月5日至12月13日廈門測風(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ??？梢钥闯觯^測試驗(yàn)期間，廈門市風(fēng)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(fēng)速散點(diǎn)圖呈明顯的階梯狀，決定系數(shù)R2達(dá)0.91；風(fēng)向主要為東北風(fēng)，R2達(dá)0.98，風(fēng)向更大的數(shù)據(jù)范圍使得階梯狀特征不再明顯，對(duì)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(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風(fēng)速(a)和風(fēng)向(b)對(duì)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(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)2000 m以下不同高度層風(fēng)速和風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差反映各高度處測風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)速、風(fēng)向相較于無線電探空儀數(shù)據(jù)的平均偏離程度。標(biāo)準(zhǔn)差越小說明二者觀測結(jié)果越接近?？梢钥闯?，450～1300 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差基本在1 m·s-1以下，風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差基本在10°左右。低空風(fēng)場情況復(fù)雜，300 m以下風(fēng)速和風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差較大；高空風(fēng)場穩(wěn)定，但探空儀隨風(fēng)飄遠(yuǎn)，和雷達(dá)相距較遠(yuǎn)，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差也較大。對(duì)于邊界層高度范圍內(nèi)的風(fēng)場，測風(fēng)激光雷達(dá)與無線電探空儀對(duì)比精度良好，且可針對(duì)其上方的大氣進(jìn)行高時(shí)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(fēng)激光雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)2000 m以下風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果對(duì)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(shí)刻及剔除偏差較大時(shí)刻的探空和測風(fēng)激光雷達(dá)反演的邊界層高度。圖4為同期所有有效時(shí)刻及剔除偏差較大時(shí)刻的探空和測風(fēng)激光雷達(dá)反演的邊界層高度散點(diǎn)圖。可以看出，08:00和20:00邊界層高度變化劇烈，最低為250 m，最高可達(dá)2850 m。在某些時(shí)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(gè)對(duì)比結(jié)果偏差很大的時(shí)刻后，兩組邊界層高度的決定系數(shù)R2達(dá)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(duì)比效果良好。說明測風(fēng)激光雷達(dá)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(shí)刻(a)及剔除偏差較大時(shí)刻后(b)的測風(fēng)激光雷達(dá)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(shí)刻(a)及剔除偏差較大時(shí)刻后(b)的測風(fēng)激光雷達(dá)和探空反演邊界層高度的散點(diǎn)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(jié)果

為明確影響無線電探空儀與測風(fēng)激光雷達(dá)反演邊界層高度一致性的因素，挑選對(duì)比偏差較大的時(shí)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(jié)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(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)羽、垂直速度和消光系數(shù)。可以看出，11月7日，消光系數(shù)(每米消光系數(shù)取對(duì)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(qiáng)，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(fēng)速突增，最大風(fēng)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(fēng)激光雷達(dá)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(fēng)激光雷達(dá)梯度法中距離平方校正信號(hào)梯度次小值對(duì)應(yīng)的高度相符。因此，當(dāng)邊界層出現(xiàn)急流、明顯的污染等復(fù)雜情況時(shí)，需要綜合考慮無線電探空儀和測風(fēng)激光雷達(dá)反演的邊界層高度結(jié)果。

圖5 2019年11月7日15:00—23:50廈門測風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)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(duì)應(yīng)20:00，紅色圓圈和紅色三角分別為測風(fēng)激光雷達(dá)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(duì)流邊界層高度之間的關(guān)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(guān)系數(shù)達(dá)到0.97，邊界層云底高度隨對(duì)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(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)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(fēng)風(fēng)場均勻，13:00—15:00，垂直上升氣流較強(qiáng)，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(qiáng)，云體高度出現(xiàn)先降低后升高的波動(dòng)，18:00左右開始持續(xù)降低，此段時(shí)間垂直氣流速度極小，大氣層結(jié)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(fēng)激光雷達(dá)求得的邊界層高度則為701 m。因?yàn)橐归g地表輻射冷卻，云的存在會(huì)使得一部分熱量被云吸收，被云層吸收的這部分熱量，又會(huì)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(shí)，會(huì)將更為明顯的逆溫層高度定義為邊界層高度，所以當(dāng)有云存在時(shí)，可將無線電探空儀和測風(fēng)激光雷達(dá)反演的邊界層高度結(jié)合討論。

圖6 2019年11月22日13:00—21:30廈門測風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)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(shí)考慮到降水這一特殊天氣對(duì)測風(fēng)激光雷達(dá)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(fēng)激光雷達(dá)有效觀測期間并無降水，且2019年夏季雷達(dá)在廈門進(jìn)行過短暫觀測，所以選取2019年7月20日09:00—20:00的觀測結(jié)果代表降水情況加以說明。

測風(fēng)激光雷達(dá)激光波長采用1.5 μm近紅外波段，波長較微波雷達(dá)小數(shù)個(gè)量級(jí)，可以通過對(duì)大氣中氣溶膠微小粒子發(fā)生作用實(shí)現(xiàn)晴空探測，實(shí)時(shí)提供高精度、高分辨率的大氣風(fēng)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(xué)厚度介質(zhì)后功率會(huì)衰減。自然環(huán)境中的云、雨和霧等，都會(huì)對(duì)激光傳輸造成衰減，影響測風(fēng)激光雷達(dá)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(jì)降水量達(dá)10.5 mm。圖7為2019年7月20日09:00—19:50廈門測風(fēng)激光雷達(dá)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(zhǔn)備，13:30降水開始，雷達(dá)探測高度驟降，16:50降雨基本結(jié)束，雷達(dá)探測高度迅速恢復(fù)至1 km以上。在降雨時(shí)段雷達(dá)探測高度不足300 m的情況下，利用觀測數(shù)據(jù)無法進(jìn)行邊界層高度的反演，即測風(fēng)激光雷達(dá)觀測效果對(duì)降水非常敏感，降水時(shí)雷達(dá)探測高度迅速下降，觀測高度不足以進(jìn)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(fēng)激光雷達(dá)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(fēng)激光雷達(dá)反演邊界層日變化

圖8為2019年11月13—18日測風(fēng)激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)、邊界層高度和風(fēng)羽?？梢钥闯觯吔鐚痈叨染?000 m以下，11月14—15日，偏東風(fēng)風(fēng)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(dá)到1300 m以上，14:00達(dá)到1500 m的極大值，隨后迅速降低，17:00，500～900 m層?xùn)|北風(fēng)風(fēng)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(fēng)向由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，20:00再次轉(zhuǎn)回偏東風(fēng)。15—17日每日08:00—20:00，消光系數(shù)較大，空氣污染增強(qiáng)，日變化規(guī)律明顯。

圖8 2019年11月13—18日廈門測風(fēng)激光雷達(dá)反演的消光系數(shù)(陰影，單位：m-1)、邊界層高度(玫紅實(shí)心點(diǎn)，單位：m)(a)及風(fēng)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(dá)和測風(fēng)激光雷達(dá)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(dá)通過遙感測量大氣氣溶膠和微小顆粒物的后向散射信號(hào)，可用于連續(xù)監(jiān)測大氣氣溶膠的時(shí)空分布，反演氣溶膠的成分結(jié)構(gòu)、粒子屬性和時(shí)空演變，其波長通常為355 nm或532 nm。測風(fēng)激光雷達(dá)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(guān)系可知，該波段光纖損耗最小，可實(shí)現(xiàn)全光纖鏈路，系統(tǒng)集成度高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。天空背景噪聲在這個(gè)波段影響較小，可實(shí)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(dá)，其探測高度偏低。

4 結(jié) 論

(1)在時(shí)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(fēng)激光雷達(dá)探測風(fēng)速和風(fēng)向的決定系數(shù)R2分別為0.91、0.98。300 m以下的低空風(fēng)場情況復(fù)雜，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差和風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差均偏大；1400 m以上探空儀與測風(fēng)激光雷達(dá)相距越來越遠(yuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)差也偏大；450～1300 m高度范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差較小，二者觀測的風(fēng)速、風(fēng)向一致性最好。每個(gè)高度層風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差基本在1 m·s-1以下，風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差在10°左右，由此可以反映測風(fēng)激光雷達(dá)所測風(fēng)場信息真實(shí)可靠。

(2)所有有效時(shí)刻的43組探空和測風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演的邊界層高度對(duì)比結(jié)果顯示：對(duì)于對(duì)比結(jié)果較差的點(diǎn)，探空反演的邊界層高度明顯高于測風(fēng)激光雷達(dá)；剔除邊界層內(nèi)出現(xiàn)云、急流和污染的情況，對(duì)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(duì)測風(fēng)激光雷達(dá)的反演結(jié)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(shí)，測風(fēng)激光雷達(dá)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(duì)流邊界層高度之間有正相關(guān)關(guān)系，云底高度可表征邊界層高度，云的存在會(huì)使得逆溫減弱，溫度梯度法會(huì)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(dá)探測高度迅速下降，受其影響測風(fēng)激光雷達(dá)不適于邊界層高度的反演。