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《华东师范大学》 2020年
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一种基于激光雷达的大气边界层高度反演新方法与个例分析探究

王芃  
【摘要】:大气边界层高度是衡量大气边界层发展和空气污染程度的重要因子。激光雷达探测系统的发展为研究大气边界层提供了非常有效的手段。本文总结前人基于激光雷达反演大气边界层高度的方法和经验,提出了一种基于利用激光雷达系统反演边界层高度的新方法,并利用激光云高仪和激光雷达观测资料,对不同天气过程中的边界层结构发展特点做比较分析。本文的主要结果如下:1.使用梯度法、标准偏差法、曲线拟合法和逐步曲线拟合法对激光雷达系统后向散射数据进行反演,得到大气边界层高度。通过对反演结果的分析得出,梯度法和标准偏差法受限于原始数据的噪音;曲线拟合法需要根据实际情况给定初始参数,不适用于长期观测。逐步曲线拟合法改善了曲线拟合法需要根据环境调试初始参数的缺陷。该方法通过穷举所有可能成为大气边界层的高度作为初始拟合值,拟合最佳曲线,更加适用于长期观测数据,但该方法对天空背景光噪音存在的数据反演有判定过高的情况出现。2.利用气溶胶浓度在大气边界层顶部存在显著突变的特性,采用主动遥感装置经过窗口平滑去除噪点后的数据,提出基于梯度法和标准偏差法改进的大气边界层高度反演方法——窗口标准偏差法。基于激光云高仪后向散射廓线数据,利用该方法反演边界层高度,在边界层高度下大气气溶胶混合均匀的情况下,反演结果较为理想。在此基础上,将窗口标准偏差法反演结果与逐步曲线拟合法反演结果进行比较,发现两种方法具有较好的相关性。窗口标准偏差法可以降低高空背景光噪音对反演结果的影响。在与上海市宝山区探空数据反演结果比对后,发现反演结果符合城市边界层结构特点。通过该方法反演出的边界层高度,在时间序列上具有连续性强的特点,反演结果更有利于研究大气边界层高度的时间变化趋势。在窗口标准偏差法的基础上,根据分段线性拟合寻找断点的思想,文章又提出了另一种新的大气边界层反演方法——分段线性拟合法。3.利用2018年6月上海奉贤激光云高仪资料和2018年8月上海宝山激光雷达资料,使用窗口标准偏差法反演边界层高度;通过个例分析总结了晴天过程、降水过程和低涡切变控制过程的大气边界层高度演变规律。
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