英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用多普勒频谱宽度来改善UHF风廓线仪观测对流边界层高度的估计

BOK -HAENG HEO

Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Daegu, South Korea

SANDRA JACOBY-KOALY

Laboratoire drsquo;Aeacute;rologie (CNRS), Observatoire Midi-Pyreacute;neacute;es, Universiteacute; Paul Sabatier, Toulouse, France

KYUNG-EAK KIM

Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Daegu, South Korea

BERNARD CAMPISTRON AND BRUNO BENECH

Laboratoire drsquo;Aeacute;rologie (CNRS), Observatoire Midi-Pyreacute;neacute;es, Universiteacute; Paul Sabatier, Toulouse, France

EUN -SIL JUNG

Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Daegu, South Korea

25 September 2000 and 2 August 2002

摘要

空气折射率结构参数的增强通常发生在对流边界层（CBL）的顶部，在这个高度上虚位温和混合比的垂直梯度的绝对值具有峰值。廓线的这种众所周知的表现常常用于从UHF风廓线仪观测中定位混合层Zi的高度。在当前的研究中，对于一个晴空CBL和有云覆盖的CBL的情况，基于技术的测定得到了研究。在某些情况下，例如多重峰或不明确的峰，这些技术无法正确地得到CBL高度。为了改进测定，本文提出并讨论了基于和多普勒频谱宽度分布的联合使用的新方法。

1. 引言

大气边界层高度控制大气污染物的垂直混合并且已被用作空气污染监测和边界层研究的重要参数。对于边界层参数例如通量和包括风、位温和湿度的垂直梯度的方差的归一化，它也是重要的度量尺度。作为边界层数值天气和气候预测模式中的基本输入参数，这种典型的标准是必需的(Stull 1988; Beyrich and Weill 1993)。

在当下的研究中，所考虑的白天大陆对流边界层（CBL）通常被逆温层覆盖。CBL是因早晨响应于太阳加热和随后的垂直混合而产生的。它定义了混合层与自由大气之间的界面并且防止污染物向自由大气的垂直交换。这个被称为夹卷区的界面层的特征在于显著的虚位温度垂直梯度和最小热通量。根据Stull（1988），CBL高度是混合层的顶部，通常定义为上部稳定层的平均底部高度并且对大约一小时或更短时间的表面强迫做出响应。人们已经提出了基于各种物理量的不同的CBL高度定义。Sullivan等人（1998）将Zi定义为位温垂直梯度具有最大值的高度，它对应于逆温层的中部。它也被定义为浮力通量达到最小负值的高度(Deardorff et al. 1980; Wyngaard and LeMone 1980)。在那种情况下，CBL高度被定义为逆温底部的高度。白天的低层和浅层的层云可以存在于CBL中也可以存在于CBL顶部，并且经常占据了CBL的大部分。然而，对于如何在有云的情况下定义CBL高度，并没有一致意见。在这种情况下，我们可以识别出两个特征。第一个是云底与干混合层高度相关，第二个是云顶一般与逆温层相关联。确定多云边界层高度的困难是由于与辐射和凝结/蒸发过程相关联的云层中出现了新的湍流源。当云层变得分散时，这个湍流源可能在云顶和云边上变得很强。我们将考虑云顶对应于Zi的情况。

这个分界层中的夹卷可以在温度和湿度廓线中产生强烈的垂直梯度，从而导致折射率参数廓线的最大值。最大值又会导致声雷达和超高频（UHF）廓线仪返回值的增强。因为云中强烈的湍流混合和云边界附近的夹带混合导致的反射率增加(Angevine et al. 1994)，后向散射强度廓线最大值也可以在云中发现。此外，雷达后向散射强度廓线也可以在与前一天形成的CBL相关联的残余层的顶部处呈现最大值(Dye et al. 1995)。基于数值模拟和/或实验数据的大量研究已经表明折射率结构参数的垂直廓线在顶盖逆温层的底部或者湿度梯度大处附近具有明显的最大值(Burk 1980; Wyngaard and LeMone 1980; Fairall 1991;Angevine et al. 1994; Muschinski et al. 1999)。Benech et al. (1997)也通过UHF观测表明，峰值出现在逆温层的边界之间，湍流动能耗散率在逆温层底部附近显着降低。Grimsdell and Angevine (1998)研究表明较厚云层出现在CBL顶时，峰值很难被定义或者被移到了云顶高度或者云的边缘。

最近，用于确定来自UHF廓线仪的CBL高度的不同的基于的技术已经得到了研究。White（1993）使用无云边界层中观测到的距离校正信噪比数据估计CBL高度。Angevine et al. (1994) 从一定时期内出现SNR峰值的高度的中值中确定了代表性的CBL高度。然而，基于最大后向散射强度的这些方法仅适用于估计无云边界层中的CBL高度。Dye et al. (1995) 使用中值廓线算法来舍弃分散的晴天云中发生的最大值，并指出在廓线仪上方存在持续对流云的情况下使用其算法估计CBL高度是几乎没有效率的。

实际上，虽然UHF雷达是边界层研究和监测中使用的最新工具，但边界层遥感探测，特别是Zi的确定具有悠久的历史。Kaimal et al. (1982) 报道的工作是一个代表性示例，这个例子展示了在PHOENIX实验期间用K波段、X波段和S波段雷达、激光雷达和声波雷达对CBL厚度的估计。基于反射率廓线，遥感确定的Zi水平在大约10％内符合从不同直接测量的传感器推断的CBL厚度。在较早的研究中，Campistron (1975) 展示了一种用于探测位于自由大气中的其他稳定层和CBL顶部的毫米波雷达的能力。
本文检查了常用于估计CBL高度的峰值表现，并提出了一种新方法。这种方法通过联合使用峰值与垂直风速方差来改善由UHF风廓线仪观测值得到的CBL高度估计值。在两种情况下即晴天和阴天，通过和其他方法获得的结果比较，我们分析了本方法评估CBL高度的能力。

1. TRAC实验概述：数据收集和处理
2. TRAC实验

本研究中使用的数据在湍流、雷达、飞机、网格（TRAC）实验期间收集，Campistron et al. (1999)详细描述了起细节。该实验旨在研究边界层中的相干结构，并量化湍流和相干运输，表面热通量和夹带以及边界层和云层之间的相互作用。实验的一个重要目标是为边界层的数值模拟提供一个相关数据库。实验于1988年6月15日至7月5日期间，在位于法国中部约六十公里乘六十公里并且距离高的山脉和海域影响有几百公里的农村平原地区进行。它部署了重要的工具设以达到科学目的。为了测量湍流热通量和其他常规大气参数包括辐射通量，这次试验使用了C波段多普勒雷达、两台超高频风廓线仪，两台大功率声雷达、两台携带仪器的飞机以及五个地面气象站。在实验的主要地点 (48.218 n,1.688 e)，每天放五次(0200、0500、0800、0200和 1400 LST) 无线电探空仪以一个典型的约30米的垂直分辨率。

1. UHF廓线仪

所用的UHF风廓线仪是由Etablissement Degreane设计和制造的DEGREWIND PCL1300廓线仪。它被放在了无线电探空的地点并且在整个实验期间连续运行以观察低层大气层中的平均和湍流明显的大气条件。该多普勒雷达的主要特征是1238MHz的发射频率，具有4-kW峰值脉冲功率，25kHz脉冲重复频率和150-m脉冲宽度。为了获得风的三个分量，分廓线雷达交替使用单向半功率孔径为8.58的五个光束位置—一个垂直和四个倾斜。倾斜光束天顶角为17°，每90°方位角设置一个。实验从65m AGL开始，以75m间隔沿径向均匀隔开测距选通脉冲来采集时间序列信号。在时间序列中超过125点以上运行的相干积分得到了执行。此外，从应用于由汉宁窗加权得到的抽取序列的128点离散傅里叶变换（使用125点中的1点）获得的20个成功多普勒频谱被不均匀地平均。结果，每个光束的停留时间是13秒，光谱分辨率0.1 m s，奈奎斯特速度66.1 m s。

通常被噪声和非气象回波污染的光谱要被仔细地编辑以便提取大气后向散射峰值的前三个时刻。在第一步中，使用Hildebrand和Sekhon（1974）提出的目标技术来确定平均噪声水平。通常被地面杂波所污染的零速度和两个相邻的频谱线被舍弃并被内插值代替。此外，Merritt（1995）发展的统计平均技术被应用于去除强烈的相干回波（鸟，飞机等）。通常，明显的多普勒峰值出现在噪声水平之上。因此，在数据处理的第二步中，通过基于垂直，时间和频谱连续性以及阈值的一致来完成气象峰值的选择。事实上，一致性给阈值后剩下的每个谱线赋予高斯权重，其值取决于连续性测试。前三个时刻是用最后30分钟内选择的加权连续谱线计算出来的。测试表明，当去除或平滑杂散回波时，这一共识技术在气象峰值的三个时刻的考虑周期内进行了时间平均。使用5分钟或更短的一致周期会导致更多波动的值并且有时不能去除掉不需要的谱线。然而，当在这些高时间分辨率定义的时刻上平均时，用30分钟共识获得的值能够恢复。这特别表明，由于基于长期的一致技术的使用，本文中讨论的光谱宽度不会受到可察觉的扩展因素的影响。由于记录了所有的原始多普勒频谱，所以在离线处理过程中可以优化一致的参数化以获得最佳结果。对于这里提供的数据，我们仅使用每5分钟获取的五光束周期。另外，我们只使用垂直光束提供的反射率。测试已经表明，在垂直或倾斜光束上获得的反射率值一致非常好（差别小于2dB）。

UHF风廓线雷达数据的质量控制是通过使用无线电探测、声雷达和声波风速计的一年的验证活动中进行的 (Dessens et al. 1997)。另一方面，与地面上的雨滴测量器测量相比，实验使用UHF雷达检测甚至弱强度雨的能力用于校准仪器的反射率并评估垂直速度和光谱宽度检索(Campistron et al. 1997)。

1. 关系

在具有局部均匀和各向同性惯性副区的湍流场中，由折射率不均匀性的后向散射引起的雷达反射率与折射率结构常数成正比（Tatarskii 1961; Ottersten 1969b）。根据Tatarskii（1971），与湍流场特征和平均场热力学量的垂直变化有关，即Doviak和Zrnic给出的以下关系(1993, p. 466):
， （1）
其中是从3.2到4.0的无量纲常数，是湍流动能耗散率，是位折射率指数的涡旋扩散系数，是广义位折射率指数的平均垂直梯度。（1）中的所有数量均为国际(SI)单位。

根据Ottersten（1969a），可用公式表示为：

， （2）

其中、、、和分别是大气压（hPa）、温度（K）、混合比（kg kg）、位温（K）和高度

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[26436]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word