大气边界层是直接受地表影响并在短时间内对地表强迫做出响应的对流层底层,与人类活动及整个生态系统密切相关。边界层高度作为表征边界层结构的长度尺度以及中小尺度大气或空气污染模式、气候模式的重要输入参数,对其准确评估至关重要。目前没有直接探测工具,主要依赖于大气变量(位温、比湿、风速等)和气溶胶浓度垂直廓线的探测进行估计。气溶胶激光雷达作为主动遥感仪器被广泛应用于边界层高度的反演中,近年来尽管诸多算法被提出并发展但是激光雷达反演边界层高度依然存在挑战,尤其是在云层和残留层存在的复杂层结情况下。此外,激光雷达在全球很多国家和地区广泛布网,提供了大量高时空分辨率观测资料,将其同化进数值模式无疑会进一步提高其应用价值。激光雷达资料属于非常规观测,直接同化存在较大的困难,先基于其反演边界层高度,再将反演结果同化进模式是一条有效途径,但极具挑战性。本文将探索提高雷达反演边界层高度准确性的方法,并基于边界层高度与大气变量的相关性分析,初步开展边界层高度同化试验研究。首先基于兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的微脉冲激光雷达资料,结合实例分析对目前广泛应用于边界层高度反演的算法进行比较。分别针对晴空和复杂层结(云层、残留层)情况,利用理想廓线方法和小波协方差变换方法反演边界层高度,对不同条件下白天边界层发展过程和强迫机制进行分析。在晴空条件下直接利用两种算法进行反演,通过考虑时间连续性剔除局地噪音信号对反演结果的干扰。对比结果表明,雷达反演结果与基于探空资料通过位温梯度方法确定的热力边界层高度接近,根据41个晴空实例计算的相关系数高于0.9;雷达反演的边界层高度能够很清晰地体现白天边界层的发展过程,白天边界层的发展主要受地表热力强迫的湍流强度决定,边界层高度的日变化主要响应于地表湍流动能的浮力产生(或感热通量)的日变化。同时,逆温结构会严重限制边界层的发展。在有云以及残留层存在的复杂层结下,本文提出了一种根据云层和残留层的位置动态确定上限高度的方法以减弱复杂层结的影响。云层和残留层的识别主要基于在这些层结的上下边界处散射信号的强正负梯度会成对出现的特征,同时,云层(或残留层)对激光的散射强度通常远高于(或接近于)边界层内气溶胶的散射。此外,对于云层,根据云底以下是否存在能反映边界层顶的强的信号负梯度(阈值-2)以判定其是否与边界层耦合。当云层位于边界层以上(或边界层顶时)时,云底高度(或云层以上散射信号正梯度首次出现的位置)判定为反演边界层高度的上限位置;而对于残留层,层顶以下信号最强正梯度的位置确定为上限高度。在上限高度以下,利用小波变换方法和理想廓线方法反演边界层高度,并和晴空情况类似,考虑时间连续性剔除局地噪音信号的干扰。与探空反演结果对比发现,上限高度有效减弱了云层对雷达反演边界层高度的干扰,20个有云实例两种探测手段反演结果的相关系数超过0.7。日变化过程进一步反映了上限高度对残留层和云层干扰的减弱,给予高度限制后反演的边界层高度能够清晰反映边界层发展的日变化过程,能够被等效位温的时空分布和地表湍流动能(切变产生和浮力产生)的日变化合理解释。此外,在多云天气,边界层的发展可能会受云层辐射强迫的影响,相比于晴空,多云天气边界层的发展机制可能更为复杂。边界层高度同化最主要的困难在于非线性观测算子比较复杂,集合卡尔曼滤波(EnKF)同化方法解决了变分方法中伴随矩阵实现困难的问题。相比于3D-VAR方法中使用的定常的背景误差协方差,EnKF基于集合预报样本统计获得流依赖的背景误差协方差矩阵。本文选取一种简化的不考虑观测扰动的集合同化方法,集合均方根滤波(EnSRF),开展边界层高度同化试验。在同化之前先对边界层高度与大气变量的相关性以及相关性的空间分布进行统计分析。结果表明,边界层高度和位温(或扰动位温)、比湿(或水汽混合比)、扰动位势高度有着显著的相关性,和三维风场的相关性弱。在垂直方向上,相关系数在边界层内接近于常数且相关性强于自由大气,在边界层顶附近存在明显的过渡区。在水平方向上,边界层高度和模式变量相关性的强度及性质跟下垫面类型有关,在垫面类型一致的区域相关性较强。最后,基于相关性统计结果,借助WRF中尺度数值模式和EnSRF同化方法,通过观测系统模拟试验(OSSEs)对边界层高度同化时模式分析变量的选取、垂直局地化和水平局地化等问题进行探讨。研究结果表明,白天边界层高度的同化对边界层高度以下的模式变量包括扰动位温、水汽混合比和扰动位势高度的模拟和预报产生显著改进,对边界层高度以上的3个变量几乎无改进作用;对垂直任意层的垂直速度的影响不明显、但会导致所有层的水平风场偏离其“真实场”。当直接被更新的分析变量只包括扰动位温、水汽混合比和扰动位势高度,垂直影响半径设置为边界层高度时,边界层高度的同化有利于增强边界层内的垂直湍流混合强度,产生更暖更干的边界层,诱导更强的夹卷过程使得向下的动量通量输送增强,边界层内的风场会相应增强并在大部分地区更加接近“真实场”(除过研究区域的边界处)。因此,在白天边界层高度同化过程中,直接被更新的模式分析变量可以只包括扰动位温、水汽混合比和扰动位势高度,垂直影响半径应该确定为边界层高度或略高于边界层高度。夜晚边界层高度一般远远低于白天,同化试验结果表明边界层高度同化对模式变量的影响远低于白天。夜晚边界层高度同化时,仅会对水平风场产生微弱的改进,且垂直影响半径为边界层高度或略高于边界层高度,其他状态变量会因为模式的动力协调而产生微小改进。在水平局地化方面,陆面边界层高度的同化对水体区域扰动位温和水汽混合比产生负面影响,因此在边界层高度同化时应该考虑下垫面类型的影响,陆面(或水体)观测只应影响陆面(或水体)模式格点的状态变量。采用不同水平影响半径的研究发现,边界层高度同化会对水平一定范围内模式格点的扰动位温、水汽混合比和扰动位势高度的模拟和预报产生明显改善。单点试验显示,边界层高度同化的水平影响半径大约为20dx(约60 km);当存在多个观测点时,水平影响半径跟观测站点的稀疏程度有关。局地化主要作用是降低远距离虚假相关的影响,理论上应该有一个最优取值,但是由于本研究中试验模拟区域较小且下垫面比较均匀等原因,敏感性试验中并未出现优化的最优解。本研究试验结果表明,在下垫面类型比较均匀的区域进行边界层高度同化时,综合考虑同化效果和计算成本,最佳水平影响半径应该是观测点间距的1-2倍。