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摘要 将激光雷达与无线电探空的边界层高度做一分析对比，并且对城市与郊区的边界层激光雷达探測结果做一对比分析。结果表明：市区边界层有一典型的日变化特点，早晚比较低，日间有一个低到高、再从高到低的过程；激光雷达探测结果与无线电探空结果比较吻合；市区边界层高度高于郊区。
关键词 激光雷达；边界层高温；无线电探空；城市；郊区
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）17-05678-02
大气边界层（Atmospheric boundary layer，简称ABL）是指大气层最底下的一个薄层，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，也是地球—大气之间物质和能量交换的桥梁。大气边界层的主要构成：底部为位温基本不变的混合层，顶部为一逆温层，称为卷夹层。由于大气边界层状况（混合层高度、卷夹层厚度等）与天气、气象预报、气候预测、环境保护等密切相关，所以对大气边界层的研究一直是大气科学研究的热点之一[1-7]。激光雷达是探测对流层大气的一种有效手段，被广泛应用于大气气溶胶、空气污染物、大气成分以及云的研究。使用探测范围大、时空分辨率高的遥感设备（如激光雷达、声雷达）等可以较容易地实现对边界层的探测，而且激光雷达探测边界层高度的可行性已为大量试验所证实。
1 激光雷达及其探测方法
激光雷达发射的激光在大气中传输时，会因大气中空气分子和气溶胶粒子产生散射和吸收。通过接收和测量大气后向散射的光信号，便可以提取出空气分子和气溶胶粒子光学参数的有关信息。MSL激光雷达就是根据这一原理研制的，主要由3个部分组成：激光发射单元、信号接收与探测单元及数据采集与控制单元（图1），其主要技术参数见表1。
3 确定边界层高度的方法
3.1 探空仪法（位温廓线法）
高度位温在近地层逐渐减少，而在混合层中则变化不大，在边界层顶则存在一个逆温层，边界层高度大概就存在于这一层。
3.2 雷达回波斜率（-db/dz）法
该方法是基于计算后向散射回波的垂直变化率的思想，来求其最大变率所对应高度，即为边界层高度。该方法首先由Endlich等于1979年应用于实践，由于回波中包含大量噪声，在当时的技术条件下无提取出较好的示踪物回波信号，故其回波廓线无明显变化区域。
5 激光雷达测量市区与郊区边界层高度对比分析
从表4、5和图4可以看出，市区各时刻平均边界层高度明显高于郊区，同一时刻城市边界层高度高于郊区100～200 m；市区与郊区的边界层高度最大值都出现在中午或午后，但郊区相对市区滞后。
图5给出了激光雷达探测市区与郊区边界层高度的结果比较。图中点为测量值，直线为用最小二乘法拟合得到的结果。从图5可以清楚地看到，拟合直线（斜率为0.934 9）与X轴的夹角近似成45°，测量值均匀地分布在拟合直线的两旁，两种探测结果的R2为0.716 9。拟合直线所在数据区间在（x=y）下方，斜率小于1，所以城市边界层高度高于郊区。
这个结果可能是由于城市热岛效应造成城市边界层内湍流活动增加，使得边界层厚度加厚造成的。
6 结论
（1）城市边界层高度具有明显的日变化特点，早晚较低，有一个明显的日变化过程，由低到高再由高到低。
（2）无线电探空与激光雷达资料分析结果比较吻合，激光雷达分析结果高于无线电探测结果。
（3）市区与郊区的激光雷达探测结果分析表明，市区边界层高度高于郊区。
参考文献
[1]王治华，王宏波，何捷，等.Mie散射激光雷达研究大气边界层特性[J].光散射学报，2006，18（2）：147-150.
[2] 袁松，辛雨，周军.合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究[J].大气科学，2003，29（3）：387-395.
[3] 马伟强 ，戴有学，马耀明 ，等.利用无线电探空资料分析藏北高原地区边界层及其空间结构特征[J].干旱区资源与环境，2005，19（3）：40-46..
[4] 吕达仁，魏重，林海，等.低层大气消光系数分布的激光探测[J].大气科学，1997（3）：199-205.
[5] STULL R B.边界层气象学导论[M].北京：气象出版社，1991.
[6] 王珍珠，李炬， 钟志庆，等.激光雷达探测北京城区夏季大气边界层[J].应用光学，2008（1）：96-100.
[7] 杨辉，刘文清，陆亦怀，等.北京城区大气边界层的激光雷达观测[J].光学技术，2005，31（2）：221-223.
关键词 激光雷达；边界层高温；无线电探空；城市；郊区
中图分类号 S126 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）17-05678-02
大气边界层（Atmospheric boundary layer，简称ABL）是指大气层最底下的一个薄层，是大气与下垫面直接发生相互作用的层次，也是地球—大气之间物质和能量交换的桥梁。大气边界层的主要构成：底部为位温基本不变的混合层，顶部为一逆温层，称为卷夹层。由于大气边界层状况（混合层高度、卷夹层厚度等）与天气、气象预报、气候预测、环境保护等密切相关，所以对大气边界层的研究一直是大气科学研究的热点之一[1-7]。激光雷达是探测对流层大气的一种有效手段，被广泛应用于大气气溶胶、空气污染物、大气成分以及云的研究。使用探测范围大、时空分辨率高的遥感设备（如激光雷达、声雷达）等可以较容易地实现对边界层的探测，而且激光雷达探测边界层高度的可行性已为大量试验所证实。
1 激光雷达及其探测方法
激光雷达发射的激光在大气中传输时，会因大气中空气分子和气溶胶粒子产生散射和吸收。通过接收和测量大气后向散射的光信号，便可以提取出空气分子和气溶胶粒子光学参数的有关信息。MSL激光雷达就是根据这一原理研制的，主要由3个部分组成：激光发射单元、信号接收与探测单元及数据采集与控制单元（图1），其主要技术参数见表1。
3 确定边界层高度的方法
3.1 探空仪法（位温廓线法）
高度位温在近地层逐渐减少，而在混合层中则变化不大，在边界层顶则存在一个逆温层，边界层高度大概就存在于这一层。
3.2 雷达回波斜率（-db/dz）法
该方法是基于计算后向散射回波的垂直变化率的思想，来求其最大变率所对应高度，即为边界层高度。该方法首先由Endlich等于1979年应用于实践，由于回波中包含大量噪声，在当时的技术条件下无提取出较好的示踪物回波信号，故其回波廓线无明显变化区域。
5 激光雷达测量市区与郊区边界层高度对比分析
从表4、5和图4可以看出，市区各时刻平均边界层高度明显高于郊区，同一时刻城市边界层高度高于郊区100～200 m；市区与郊区的边界层高度最大值都出现在中午或午后，但郊区相对市区滞后。
图5给出了激光雷达探测市区与郊区边界层高度的结果比较。图中点为测量值，直线为用最小二乘法拟合得到的结果。从图5可以清楚地看到，拟合直线（斜率为0.934 9）与X轴的夹角近似成45°，测量值均匀地分布在拟合直线的两旁，两种探测结果的R2为0.716 9。拟合直线所在数据区间在（x=y）下方，斜率小于1，所以城市边界层高度高于郊区。
这个结果可能是由于城市热岛效应造成城市边界层内湍流活动增加，使得边界层厚度加厚造成的。
6 结论
（1）城市边界层高度具有明显的日变化特点，早晚较低，有一个明显的日变化过程，由低到高再由高到低。
（2）无线电探空与激光雷达资料分析结果比较吻合，激光雷达分析结果高于无线电探测结果。
（3）市区与郊区的激光雷达探测结果分析表明，市区边界层高度高于郊区。
参考文献
[1]王治华，王宏波，何捷，等.Mie散射激光雷达研究大气边界层特性[J].光散射学报，2006，18（2）：147-150.
[2] 袁松，辛雨，周军.合肥市郊低层大气的激光雷达探测研究[J].大气科学，2003，29（3）：387-395.
[3] 马伟强 ，戴有学，马耀明 ，等.利用无线电探空资料分析藏北高原地区边界层及其空间结构特征[J].干旱区资源与环境，2005，19（3）：40-46..
[4] 吕达仁，魏重，林海，等.低层大气消光系数分布的激光探测[J].大气科学，1997（3）：199-205.
[5] STULL R B.边界层气象学导论[M].北京：气象出版社，1991.
[6] 王珍珠，李炬， 钟志庆，等.激光雷达探测北京城区夏季大气边界层[J].应用光学，2008（1）：96-100.
[7] 杨辉，刘文清，陆亦怀，等.北京城区大气边界层的激光雷达观测[J].光学技术，2005，31（2）：221-223.