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基于激光雷达探测混合层高度方法的评估

MICHEAL HICKS（National Weather Service, Sterling, Virginia）

RICARDO SAKAI AND EVERETTE JOSEPH（Howard University, Washington, D.C.）

摘要

一种利用激光雷达气溶胶后向散射系数廓线来探测混合层高度的新方法被提出了，并对其稳健性进行评估。新的探测方法结合了Steyn等人误差函数（ERF）方法和Davis等人的小波协方差变换（WCT）方法的优势。这两种方法是组成新方法的关键，评估这两种方法的稳健性，并与新方法做对比。运用新方法探测气溶胶后向散射有两种方法：1）在整个廓线中寻找最逼真的混合层高度；2）探测在明显高度遮蔽物下（例如：云或气溶胶层）的混合层高度。第一种方法被称为混合法，第二种被称为混合最低法。激光雷达探测混合层高度是以无线电探测的混合层高度作为参考基础的。

在探测混合层高度的5年时间里，已经有4030个实验案例被检验。激光雷达探测的有效性由昼夜、季节性、稳定性以及天空遮蔽条件来确定。在这些条件下，混合法更适用于不稳定和多云的情况，由这种方法确定混合层高度的可靠度（低于plusmn;0.30千米偏差）达到了这些案例的70%。而混合最低法更适用于稳定和晴朗的条件下，它确定的混合层高度的可靠度超过了这些案例的70%。总体来说，WCT方法表现最好。

1 引言

混合层（ML）是地球和大气之间热量、水分、动量、气溶胶和温室气体等交换的桥梁。这些物质能量交换对天气和气候的预测至关重要。在大气预报模型中，混合层高度通常用于衡量能影响物质能量的交换的边界层湍流的强度。这项研究将混合层高度定义为近地面大气最低层的高度，可以在大约1-2小时这个相对短的时间内，通过机械湍流运动将污染物或任何大气成分带到混合层中。此定义被用来评估基于激光雷达的混合层高度的探测方法。

激光雷达可以通过连续监测大气示踪物的分布来探测混合层高度，通常使用自动探测方法及时地获得这些高度。一般来说，没有探测混合层高度的标准做法，所选取的方法都取决于所测量内容的需要（例如：热力学变量或气溶胶含量）。激光雷达通常探测气溶胶含量来获取混合层高度，因此，基于激光雷达探测混合层高度的方法（H_L）通常利用混合层的气溶胶含量相对于相邻大气层气溶胶的差异来判定混合层的高度。一些最常用的方法包括渐变法、时间方差法、后向散射阈值法、误差函数方法和小波协方差变换法。通常这些方法可以可靠地识别后向散射曲线内的梯度层（气溶胶，云等），但（由于残留层，信号噪声等因素的影响）并不总是认为最适合的高度层就是混合层高度。Hageli等建议使用H_L方法来提高层归因效率，因此，提出了一种基于此概念的新的探测方法。

新方法结合了WCT和ERF方法，通过在各气象条件下长期收集的数据对新方法的稳健性进行评估，并与WCT和ERF方法的稳健性进行对比。同时将基于无线电探空仪探测的混合层高度（H_RS）作为一个独立的参考与H_L方法进行比较。本研究的特点是探讨新方法的有效性并确定其优选的气象条件。

在随后的章节中，介绍了以下内容：第2节介绍测试地点和仪器使用；第3节介绍新的H_L方法和H_RS方法；第四节得出结论以及第5节的摘要和讨论结果。

2 测试的地点和仪器

激光雷达测量值是从位于俄克拉荷马州拉蒙特的南大平原（SGP）中央设置的大气辐射测量程序（ARM）得到的。这个农村地势平坦，草地平坦，海拔0.32公里。在这个站点上，ARM已经储存了一套全面的高质量的大气测量数据，值得关注的是这个站点有从2006年到2010年的拉曼激光雷达和无线电探测的测量数据。在这个期间内，拉曼激光雷达的运行时间高达90%，且距拉曼激光雷达约0.1公里处释放的无线电探测的数值也是一直可以获得的。

拉曼激光雷达系统使用一个强大的三重Nd：在三次谐波波长（355nm）下传输的YAG激光器（输出为12W）。它具有双重视场（FOV），并且可以利用一个接收器从0.8公里的大气成分中探测后向散射信号，后向散射信息可以导出多个数据产品。自动增值程序（VAPs）用于纠正除合并来自系统双FOV检测器探测的后向散射外的数据产品问题，如系统的不完全重叠和太阳日间噪音。

拉曼激光雷达数据产品使用气溶胶散射比（ASR）来探测混合层高度并评估H_L方法。ASR定义为总分子与气溶胶后向散射返回的分子的比值。它对气溶胶的依赖类似于来自信噪比较弱但更具弹性激光雷达系统的数据产品（维萨拉测光仪、微脉冲激光雷达等），因此获得的结果也应适用于他们。ASR测量的重叠校正具有5%的不确定度，可以有效地维持实际气溶胶含量的垂直分布。ASR数据产品的时空分辨率分别为10分钟，0.075km低于3公里和0.1km高于3公里。

无线电探空每天进行4次，大约每6小时一次。这些声波提供的大气原始数据的时间分辨率为2秒，上升速率为5m/s。所使用的无线电探空仪是维萨拉RS92-SGP型号，由维萨拉DigiCORA III地面站进行跟踪。

3 混合层高度的测定和比较

将新的WCT和ERF的H_L方法来确定的混合层高度和符合H_RS测量的独立观察值进行比较并评估，比较结果根据气象条件进行分类，以此来确定H_L方法的最佳条件。以下小节描述了新的H_L方法，H_RS方法以及用于比较H_L、H_RS和错误处理的方法。

1. 激光雷达探测方法

之所以选择WCT和ERF方法作为新方法的组成部分，是因为它们适用于单后向散射曲线和互补关系，而且WCT方法对小尺度结构和后向散射曲线的波动更为敏感。将WCT方法检测到梯度层与ERF方法确定的对应于混合层高度的层结相结合，这种方式被称为混合法。

混合法分四个步骤进行，图1是这些步骤的示例。图1a展示了在SGP上观察到的典型ASR曲线，图1b描述了该方法的前两个步骤：第一步，应用WCT方法和相当于曲线空间分辨率的小波基集扩张来产生协方差变换曲线（）；第二步，的最大值被认为是混合层高度的第一个猜测，随后从地表开始并沿着g-z^rsquo;上方1km的整个廓线以0.1km继续递增；第三步，1kmg-z^rsquo;层被代入改正过的ERF算法中。Steyn等定义ERF算法如下： （1）

式中是理想的混合层后向散射曲线，是混合层的平均后向散射，是自由对流层的后向散射，是高度，是混合层高度，与过渡区的厚度成正比。本研究中改正后的ERF算法用g-z^rsquo;作为混合层的1km层。图1c是使用改正后的ERF算法拟合曲线的最佳示例。最后，对于g-z^rsquo;的猜测，混合层高度的选择是基于1）理想测量的后向散射曲线的均方根误差；2）对应于各个g-z^rsquo;的协方差变换曲线的大小；3）理想曲线的下半部分（混合层）和上半部分（对流层）的区别。它等于 （2）

式中是混合层决定因子，是高度指数。对应于最小的的g-z^rsquo;被认为是混合层高度。对于本节的剩余部分，将用HH_L表示混合方法的H_L。

混合最低法是混合法的延伸，在这个分析中也对其进行了评估。这种方法用于寻找在后向散射曲线中低于HH_L最小的（谷值梯度）。为了识别谷值梯度，不仅是用于的曲线空间分辨率的小波基集扩张，而且是其空间分辨率3倍的扩张（用表示）。在HH_L下面的由或决定的谷值梯度被认为是高空遮蔽物（气溶胶，云层等）的基础。如果发现一个谷值梯度，则混合最低法假设的HH_L就被高估，就要选择低于谷值梯度的最大值（峰值梯度）的高度作为混合层高度；否则，认为HH_L就是混合层高度。本研究也评估了此方法的有效性。在改正后的ERF算法中，混合层高度由对应于g-z^rsquo;的方程式的最小RMSE分量决定。

利用H_L法和高度约束方法来最小化高空遮蔽物（如高云）的干扰。所使用的高度约束方法是基于抬升凝结高度（LCL）的近似值，其近似于地面气温和露点温度以及干绝热递减率的假设。由于有时计算得到的LCL高度近似值比混合层高度低，且由H_RS确定，经验常数也被添加到这些LCL高度近似值中来确保混合层高度。经验常数根据季节和周期变化，表1提供了它们各自的值，分布从夜间情况的0km到夏季午时的1.5km，这些常数适用于基于H_RS对比的SGP。另外，混合最低法使用这种高度约束方法来限制用于定位后向散射谱最小梯度范围。

表1：经验常数（km）

图1：不稳定下午的混合方法过程的示例

1. 典型ASR曲线 (b)ASR配置文件的协方差变换 (c)重叠的最佳拟合曲线
2. 无线电探空仪探测方法

无线电探空仪的热力学和动力学变量可以作为确定混合层高度的湍流代替参量。常用的方法包括检查这些大气被测变量的显著梯度，例如虚温、比湿和风速的曲线，或者使用参数化方法，例如通量理查德森数方法（Ri_B）。本次分析使用里查德森数方法来估测H_RS以及曲线梯度法来质量控制H_RS。

Ri_B方法假定连续的湍流（稳态），同时该湍流降低至临界值的高度（Ri_Bc）被认为是混合层高度。研究发现，由于表面粗糙度和形貌特征使Ri_Bc具有稳定性。在文献中，Ri_Bc值在相对平滑的均质表面上为0.03，在粗糙的非均质表面上为7.2。该研究发生在相对平滑的均质表面上，且与虚温、比湿和风速的值对比，发现经验常数Ri_Bc对于不稳定条件为0.01，对于近中性条件为0.05，对于稳定条件为0.25。此外，在运用Ri_B方法之前，无线电探空观测将辐射观测值平均化为0.03km层，以此来消除非平滑数据点。最后，H_RS通过要求它在至少一个曲线梯度法的plusmn;0.25km范围内测量来进行质量控制。如果不符合这个标准，那么相应的情况将不被分析。

1. 比较方法

用H_RS的测量值来评估混合层高度是一种常见的做法，而且这项研究不同于对覆盖大范围气象条件的长期数据集的评估。本研究的混合法应用于平均时间超过20分钟的ASR曲线，释放无线电的时间就是周期的开始。使用平均时间为20分钟来确保充足的时间使无线电在与混合层高度相比之前到达H_RS的高度。将H_RS和混合层高度比较时要考虑的主要误差如下：1）横向位置差异，因为H_RS和混合层高度通常由于探空气球漂移而产生水平位移；2）采样量的差异，因为无线电接收提供了一个平均的瞬时视场和激光雷达。气球漂移引起的误差应该是可以忽略的，因为与SGP大多数均质表面条件相比，在达到H_RS之前的平均水平位移相对较小（92%的漂移小于2km）。相反，由于采样体积的差异，这种比较将受到随机误差的影响。幸运的是，每个方法受到随机误差的平均影响不会偏离结果。

H_RS和混合层高度的比较结果根据季节、昼夜、大气稳定度和天空遮蔽条件进行分类，这是确定混合法的首选气象条件。季节由气象定义（即冬季为12月至2月，DJF；春季为3月至5月，MAM；夏季为6月至8月，JJA；秋季为9月至11月，SON）。昼夜时间是根据太阳高度角定义的，早晨和晚上分别对应于混合层高度的生长和衰变过渡期。大气稳定条件由平均低于0.2km的Ri_B值确定，如下所示：第一，不稳定情况下的值小于-0.01；第二，接近中性的条件下值在-0.01和0.01之间；第三，稳定情况下的值大于0.01。为了确保夜间情况具有足够的摩擦速度来支持机械混合条件，只有平均地面风速大于2m/s的情况才能用于表面风的分析，包括0.2km以下的表面风。最后，天空遮蔽条件分为多云，气溶胶层（EAL）和晴空。激光雷达的信号对天空遮蔽情况比较敏感，因此后向散射曲线可能会非常复杂。所以说，研究混合法对天空遮蔽的依

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