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大气边界层高度是表征大气边界层垂直结构的关键性参量，它对于天气、气候，特别是大气环境研究具有十分重要的意义。目前国际上确定边界层高度的方法和手段有很多种，但是这些探测手段、探测要素和对边界层高度的判别方法不同，从而使得边界层高度的物理意义有模糊不清的地方，因此有必要对边界层高度从不同探测要素上加以区分，进而探讨不同要素确定的边界层高度之间的相互关系。
本文选择北京地区2017-2018年冬季重污染季节（2017年11月到2018年1月）连续三个月的观测资料，以及2016年12月北京地区首个空气污染红色预警过程的资料作为研究对象，利用了气溶胶激光雷达、风廓线雷达、无线电探空和地面铁塔观测数据，结合地面污染物浓度和气象数据，并配合有数值模式的模拟结果，详细探讨分析了由温度、污染物浓度、风速和湍流量确定的边界层高度的方法、特征及其相互关系，对由不同要素确定的边界层高度之间的差异性进行深入讨论分析。另外，本文也分析了污染时期边界层的一些垂直结构特征。
本文对依据风速、温度、污染物浓度和湍流量确定的边界层高度分别用Hu、Hθ、Hc和Ht来表示和区分，分别称为动力边界层高度，热力边界层高度、物质边界层高度和湍流边界层高度，其中热力边界层高度也就是逆温层高度。文中首先分析基于无线电探空的温度廓线得到的边界层高度Hθ的特点，由于北京地区无线电探空时间的限制，本文只分析了08:00和20:00的位温廓线特征。一般而言，早上08:00时地面逆温层发展较为深厚，冬季北京地区由地面降温导致的逆温层不超过1000m，基本都为800m左右。暖平流的出现会影响逆温层高度Hθ和逆温强度，进一步影响污染形势，污染严重时逆温层高度Hθ最低降低至500m之下。污染时期经常出现多层逆温结构，夜间稳定边界层中，残留层的存在对边界层高度Hθ确定的影响不可忽视。污染时期湍流活动强度较弱，湍流热扩散系数显著降低。另外，气溶胶颗粒物也可以通过辐射过程影响热量通量的变化，影响湍流活动的强弱，进而影响边界层高度，边界层高度的变化又会进一步改变污染物扩散的环境容量。
大气边界层内的各种污染物在湍流垂直混合的作用下能够扩散到达一定高度，污染物扩散可及高度在白天混合作用发展旺盛时也基本代表了边界层高度，现在利用以探测各种污染物浓度为目的的遥感探测仪器在确定边界层高度方面也有着广泛的应用价值。本文对利用气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc和逆温层高度Hθ之间的关系加以讨论分析发现，基于气溶胶激光雷达消光系数采用梯度法、小波法和标准差法计算的Hc变化趋势基本一致，梯度法和小波法相关系数更高，清洁天逆温层高度Hθ不超过1000m，三种方法计算结果的最大值和逆温层高度更为吻合，标准差法在清洁天的计算结果高于小波法和梯度法。污染天时，三种方法计算的边界层高度基本在600-1000m之间，标准差法计算值略低一些，逆温层高度平均降低200m左右。有层云出现的天气，三种方法计算的边界层高度基本一致，且都接近云高。一般来讲，气溶胶激光雷达确定的边界层高度和逆温层高度一致性较好，但是当有污染物传输现象时即有平流过来的气溶胶层时，会导致二者之间出现差异。另外就是稳定边界层中残留层的影响，残留层中存在白天混合到这一层的部分污染物，导致出现了气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc高于逆温层高度Hθ的现象。除了借助气溶胶浓度廓线，大气中污染气体浓度廓线也是基于大气中的保守物质来确定边界层高度的依据之一。
本文还分析了依据风廓线确定的动力性质的边界层高度Hu及其和Hθ、Hc之间的关系。从风廓线来看，从地面到高空风向逐渐转变为盛行风向时可以认为已经接近地转风高度，这是一种依据风向确定边界层高度的方法之一。其次是依据风剪切廓线，从地面开始风剪切值较大，一直到风剪切为零的高度基本代表着地表摩擦作用消失的高度，另外如果边界层内混合作用强烈的话，边界层内的风速会趋于一致，一直到边界层顶会出现较大的风切变。所以风剪切廓线也可以用来确定边界层高度。总体来看，依据风确定的边界层高度Hu基本高于逆温层高度Hθ和气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc。污染情况下边界层高度Hu也会出现一定程度的降低，Hu从清洁天的1100m左右，降低到了污染天的800m左右。风速大小会影响着逆温层的稳定存在，特别是在有急流时，逆温层一般都在急流带之下，污染物也都堆积在急流带之下。
边界层和自由大气最本质的区别是其湍流性，本文也利用了湍流量来判定边界层高度，探讨了其和Hθ、Hc、Hu的一致性，主要用到了湍流动能，总体理查孙数以及热量通量等湍流量。湍流量的垂直观测廓线较为难得，铁塔观测存在高度限制，利用北京325米气象塔观测到的包含湍流量的参数化公式得到的边界层高度在清洁天时计算效果较好，与Hu和Hθ也较为一致，但在污染时期计算结果明显偏低。中尺度数值模式WRF中模拟的边界层高度明显低估了夜间稳定边界层高度，白天热力湍流发展旺盛的时候，YSU方案输出的边界层高度和基于风、温以及气溶胶浓度确定的边界层高度基本一致。
另外本文分析的北京地区PM2.5浓度时间序列经常表现出“锯齿”型或者“斜坡”型的结构特征，污染物浓度持续上升期间也会受到北京及周边地区由于热力性质的不同导致的局地环流的影响。污染时期的稳定边界层结构不同于传统意义上由辐射冷却导致的以及“upside-down”类型的稳定边界层结构特征，污染时期风速较小，塔层观测的理查孙数较大，基本都超过阈值，湍流活动非常弱。从无量纲数Φu、Φw和Φθ随稳定度的变化情况来看，稳定边界层中这三个无量纲数的数值分别为3.52，1.43和4.29，不随高度变化，基本符合“z-less”的相似性理论。
本文选择北京地区2017-2018年冬季重污染季节（2017年11月到2018年1月）连续三个月的观测资料，以及2016年12月北京地区首个空气污染红色预警过程的资料作为研究对象，利用了气溶胶激光雷达、风廓线雷达、无线电探空和地面铁塔观测数据，结合地面污染物浓度和气象数据，并配合有数值模式的模拟结果，详细探讨分析了由温度、污染物浓度、风速和湍流量确定的边界层高度的方法、特征及其相互关系，对由不同要素确定的边界层高度之间的差异性进行深入讨论分析。另外，本文也分析了污染时期边界层的一些垂直结构特征。
本文对依据风速、温度、污染物浓度和湍流量确定的边界层高度分别用Hu、Hθ、Hc和Ht来表示和区分，分别称为动力边界层高度，热力边界层高度、物质边界层高度和湍流边界层高度，其中热力边界层高度也就是逆温层高度。文中首先分析基于无线电探空的温度廓线得到的边界层高度Hθ的特点，由于北京地区无线电探空时间的限制，本文只分析了08:00和20:00的位温廓线特征。一般而言，早上08:00时地面逆温层发展较为深厚，冬季北京地区由地面降温导致的逆温层不超过1000m，基本都为800m左右。暖平流的出现会影响逆温层高度Hθ和逆温强度，进一步影响污染形势，污染严重时逆温层高度Hθ最低降低至500m之下。污染时期经常出现多层逆温结构，夜间稳定边界层中，残留层的存在对边界层高度Hθ确定的影响不可忽视。污染时期湍流活动强度较弱，湍流热扩散系数显著降低。另外，气溶胶颗粒物也可以通过辐射过程影响热量通量的变化，影响湍流活动的强弱，进而影响边界层高度，边界层高度的变化又会进一步改变污染物扩散的环境容量。
大气边界层内的各种污染物在湍流垂直混合的作用下能够扩散到达一定高度，污染物扩散可及高度在白天混合作用发展旺盛时也基本代表了边界层高度，现在利用以探测各种污染物浓度为目的的遥感探测仪器在确定边界层高度方面也有着广泛的应用价值。本文对利用气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc和逆温层高度Hθ之间的关系加以讨论分析发现，基于气溶胶激光雷达消光系数采用梯度法、小波法和标准差法计算的Hc变化趋势基本一致，梯度法和小波法相关系数更高，清洁天逆温层高度Hθ不超过1000m，三种方法计算结果的最大值和逆温层高度更为吻合，标准差法在清洁天的计算结果高于小波法和梯度法。污染天时，三种方法计算的边界层高度基本在600-1000m之间，标准差法计算值略低一些，逆温层高度平均降低200m左右。有层云出现的天气，三种方法计算的边界层高度基本一致，且都接近云高。一般来讲，气溶胶激光雷达确定的边界层高度和逆温层高度一致性较好，但是当有污染物传输现象时即有平流过来的气溶胶层时，会导致二者之间出现差异。另外就是稳定边界层中残留层的影响，残留层中存在白天混合到这一层的部分污染物，导致出现了气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc高于逆温层高度Hθ的现象。除了借助气溶胶浓度廓线，大气中污染气体浓度廓线也是基于大气中的保守物质来确定边界层高度的依据之一。
本文还分析了依据风廓线确定的动力性质的边界层高度Hu及其和Hθ、Hc之间的关系。从风廓线来看，从地面到高空风向逐渐转变为盛行风向时可以认为已经接近地转风高度，这是一种依据风向确定边界层高度的方法之一。其次是依据风剪切廓线，从地面开始风剪切值较大，一直到风剪切为零的高度基本代表着地表摩擦作用消失的高度，另外如果边界层内混合作用强烈的话，边界层内的风速会趋于一致，一直到边界层顶会出现较大的风切变。所以风剪切廓线也可以用来确定边界层高度。总体来看，依据风确定的边界层高度Hu基本高于逆温层高度Hθ和气溶胶激光雷达确定的边界层高度Hc。污染情况下边界层高度Hu也会出现一定程度的降低，Hu从清洁天的1100m左右，降低到了污染天的800m左右。风速大小会影响着逆温层的稳定存在，特别是在有急流时，逆温层一般都在急流带之下，污染物也都堆积在急流带之下。
边界层和自由大气最本质的区别是其湍流性，本文也利用了湍流量来判定边界层高度，探讨了其和Hθ、Hc、Hu的一致性，主要用到了湍流动能，总体理查孙数以及热量通量等湍流量。湍流量的垂直观测廓线较为难得，铁塔观测存在高度限制，利用北京325米气象塔观测到的包含湍流量的参数化公式得到的边界层高度在清洁天时计算效果较好，与Hu和Hθ也较为一致，但在污染时期计算结果明显偏低。中尺度数值模式WRF中模拟的边界层高度明显低估了夜间稳定边界层高度，白天热力湍流发展旺盛的时候，YSU方案输出的边界层高度和基于风、温以及气溶胶浓度确定的边界层高度基本一致。
另外本文分析的北京地区PM2.5浓度时间序列经常表现出“锯齿”型或者“斜坡”型的结构特征，污染物浓度持续上升期间也会受到北京及周边地区由于热力性质的不同导致的局地环流的影响。污染时期的稳定边界层结构不同于传统意义上由辐射冷却导致的以及“upside-down”类型的稳定边界层结构特征，污染时期风速较小，塔层观测的理查孙数较大，基本都超过阈值，湍流活动非常弱。从无量纲数Φu、Φw和Φθ随稳定度的变化情况来看，稳定边界层中这三个无量纲数的数值分别为3.52，1.43和4.29，不随高度变化，基本符合“z-less”的相似性理论。