【摘要】：大氣邊界層是直接受到地球下墊面影響的低層大氣,是熱量、水汽、大氣污染物等能量和物質(zhì)從地面向大氣中輸送的紐帶,天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展、氣候變化以及人類活動(dòng)對(duì)地球系統(tǒng)的影響均與邊界層內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)緊密相連。大氣邊界層高度(Boundary Layer Height,簡(jiǎn)稱BLH)是描述大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)BLH的研究有助于了解邊界層過(guò)程和結(jié)構(gòu),以及對(duì)局地大氣污染監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、天氣和氣候變化的研究具有重要的意義。本文利用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站(SACOL)的微脈沖激光雷達(dá)(MPL-4B)和微波輻射計(jì)(TP/WVP-3000)的地基遙感數(shù)據(jù)反演確定大氣邊界層高度,比較和分析了兩種數(shù)據(jù)的結(jié)果。此外,利用歐洲中心ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和懷俄明大學(xué)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算分析了中國(guó)地區(qū)的BLH氣候特征。(1)基于激光雷達(dá)確定BLH時(shí),云層引起的較強(qiáng)回波和夜間殘余層都會(huì)影響算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)云識(shí)別算法去除云層的影響,并以白天對(duì)流邊界層頂作為檢索夜間BLH的上限,再利用Haar小波協(xié)方差法確定BLH,得到了更加可靠的結(jié)果,且方法簡(jiǎn)單,適合大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理。對(duì)于微波輻射計(jì)觀測(cè)的數(shù)據(jù),當(dāng)有貼地逆溫層存在時(shí),將貼地逆溫層頂部確定為BLH,其他情況下將位溫梯度最大的高度確定為BLH。對(duì)比激光雷達(dá)和微波輻射計(jì)的BLH結(jié)果,兩種地基遙感數(shù)據(jù)均準(zhǔn)確地確定了邊界層高度。由激光雷達(dá)確定的BLH高于微波輻射計(jì)的結(jié)果,而且日變化的振幅更大,為500 m,微波輻射計(jì)的日變化振幅約為300 m。由于氣溶膠層的下降晚于大氣層結(jié)狀態(tài)的改變,微波輻射計(jì)所得的BLH在17:00(Local time,LT)開(kāi)始下降,激光雷達(dá)所得的BLH在18:00 LT后才開(kāi)始有明顯的降低。(2)為了解中國(guó)區(qū)域的BLH氣候特征,利用1979年1月至2017年12月的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和懷俄明大學(xué)無(wú)線電探空數(shù)據(jù)采用總體理查森數(shù)方法確定BLH,并分析中國(guó)區(qū)域BLH的氣候分布特征和變化趨勢(shì)。首先,對(duì)于利用懷俄明大學(xué)探空數(shù)據(jù)(主要是標(biāo)準(zhǔn)等壓面和特性層上的探空數(shù)據(jù))確定BLH的可靠性,本文利用北京站(54511)和榆中站(52983)高垂直分辨率的秒級(jí)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,兩種垂直分辨率的數(shù)據(jù)得出的BLH的相關(guān)系數(shù),在北京站08:00和20:00 BJT分別為0.96和0.94,榆中站分別為0.75和0.85,均通過(guò)顯著性檢驗(yàn),故標(biāo)準(zhǔn)等壓面和特性層上的探空數(shù)據(jù)的垂直分辨率可以滿足總體理查森數(shù)確定BLH的需要,因此利用這類由懷俄明大學(xué)氣象網(wǎng)站提供的無(wú)線電探空數(shù)據(jù)來(lái)研究1979年至2017年中國(guó)地區(qū)的BLH的氣候特征。ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)和無(wú)線電探空數(shù)據(jù)得出的BLH相關(guān)系數(shù)為0.35-0.73,并通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。因此,由ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)計(jì)算得出的BLH可以揭示中國(guó)地區(qū)BLH的特征。由ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)得出的1979年至2017年的BLH平均值分布特征可知,塔克拉瑪干沙漠等戈壁沙漠地區(qū)、青藏高原地區(qū)和內(nèi)蒙古東部地區(qū)是明顯的BLH高值區(qū),約400 m;祁連山脈、天山山脈,云貴高原東南部以及四川盆地為BLH明顯的低值區(qū),約150 m,BLH的高低值中心均對(duì)應(yīng)有地面感熱通量的高值區(qū)和低值區(qū)。同時(shí)BLH高值區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差最大,為250-300 m,BLH低值區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差最低,為100-150 m。在季節(jié)變化特征上,西北地區(qū)的BLH夏季最高,春季次之,冬季最低。青藏高原地區(qū)的BLH在春季和冬季的BLH高于夏季和秋季。東北地區(qū)的BLH春季最高,夏季次之,冬季最低。對(duì)比無(wú)線電探空的BLH月變化和季節(jié)變化,ERA-Interim所揭示的特征得到了一定的驗(yàn)證。根據(jù)1979-2017年的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)得出的BLH變化趨勢(shì),祁連山脈地區(qū)、青藏高原東南部、新疆北部、內(nèi)蒙古中部、東北平原地區(qū)、山東半島、云貴高原東南部和華南地區(qū)的BLH有顯著的下降趨勢(shì),以14:00 BJT最為明顯,降幅最大可達(dá)-2 m/year;黃土高原東部地區(qū)、塔克拉瑪干沙漠周邊的山脈地區(qū)、青藏高原東南部邊緣以及京津地區(qū)的上升趨勢(shì)顯著,以14:00 BJT最為明顯,最高可達(dá)0.9 m/year,以02:00 BJT上升區(qū)域范圍最大。利用無(wú)線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算的BLH驗(yàn)證了上述變化趨勢(shì),但也存在某些站點(diǎn)趨勢(shì)的不一致,總體來(lái)說(shuō),我國(guó)的BLH具有顯著的氣候變化趨勢(shì)和區(qū)域性差異。
【圖文】：

2.1 SACOL 觀測(cè)數(shù)據(jù)蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測(cè)站（Semi-Arid Climate and EnvironmObservatory of Lanzhou University，簡(jiǎn)稱 SACOL）建立于 2005 年，位于蘭州學(xué)榆中校區(qū)（35.946oN，104.137oE），海拔 1965m，距離蘭州市區(qū) 50km。測(cè)位于萃英山頂，為典型的黃土高原殘塬地貌，地勢(shì)較平坦，地表為長(zhǎng)芒草、冷蒿賴草等原生植被；年平均氣溫 6.7 ℃，年降水量 381.8mm，屬溫帶半干旱氣候盛行風(fēng)為西北和東南風(fēng)，年平均風(fēng)速約為 1.6m/s（Huang 等，2008；梁捷寧，2014；苑廣輝 等，2018）。SACOL 是國(guó)內(nèi)第一個(gè)在高校建立的研究型氣候觀平臺(tái)，承擔(dān)國(guó)家 973 項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目，是研究我國(guó)半旱區(qū)氣候特征、大氣環(huán)境、區(qū)域生態(tài)等方面重要長(zhǎng)期觀測(cè)站點(diǎn)。本文使用SACOL 微脈沖激光雷達(dá)（Micor Pulse Lidar，，簡(jiǎn)稱 MPL）和微波輻射計(jì)（MicrowRadiometer，簡(jiǎn)稱 MR）的觀測(cè)資料。(a) (b)

關(guān)于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演邊界層的原理，從上述看出激光雷達(dá)接收到的后向散射信號(hào)只受大氣總后向散射系數(shù)以及消光系數(shù)的影響，信號(hào)強(qiáng)度大小與大氣中氣溶膠粒子的濃度成正比。氣溶膠粒子來(lái)自于地表，一般來(lái)說(shuō)隨高度增加氣溶膠粒子的濃度下降，在邊界層內(nèi)大氣的湍流輸送擴(kuò)散較強(qiáng)，污染物濃度較高且混合比較均勻，而邊界層之上的自由對(duì)流層相對(duì)來(lái)說(shuō)氣溶膠粒子濃度較小，在邊界層頂氣溶膠濃度分布不連續(xù)。因此反映在激光雷達(dá)的探測(cè)中，邊界層內(nèi)后向散射信號(hào)較強(qiáng)，在自由對(duì)流層后向散射信號(hào)迅速減小，在邊界層頂處后向散射信號(hào)梯度變化最大。在利用激光雷達(dá)反演 BLH 的各種方法中，方法的關(guān)鍵都在于如何確定后向散射信號(hào)梯度變化最大的地方，并將該處定義為 BLH。但是，在激光雷達(dá)觀測(cè)中，云層具有較強(qiáng)的后向散射信號(hào)，與氣溶膠層的后向散射信號(hào)有顯著的差別，信號(hào)在遇到云層時(shí)數(shù)值會(huì)有明顯的增大，對(duì)確定后向散射信號(hào)梯度變化最大的地方帶來(lái)困難，如圖 3-1 所示。此外，激光雷達(dá)的信噪比會(huì)隨高度增加而增加，為在云識(shí)別中有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，本文首先對(duì)后向散射信號(hào)采用高斯濾波，在保持原有信號(hào)中云層和氣溶膠層的特征下，去除了一定的噪聲，濾除的效果如圖 3-1 所示。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P421.3;P407

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本文編號(hào)：2697863