基于激光雷达的宁波市晴天边界层高度特征

2018-01-05许岳庭夏静雯蔡仕博

浙江农业科学 2017年12期

关键词：镇海边界层晴天

王杰，许岳庭，夏静雯，蔡仕博

(宁波市鄞州区气象局，浙江宁波 315193)

基于激光雷达的宁波市晴天边界层高度特征

王杰，许岳庭，夏静雯，蔡仕博

(宁波市鄞州区气象局，浙江宁波 315193)

利用激光雷达对宁波镇海站和奉化站2016年晴天大气边界层的日变化特征进行了分析。结果表明，宁波市全年晴天大气边界层高度变化1.4～1.9 km，早晨和夜间高度较低，午后较高，奉化站边界层高度总体上高于镇海站；春、夏、秋、冬四季晴天大气边界层高度变化分别为1.4～2.1、1.1～2.0、1.1～2.0、1.4～1.8 km，其中，夏冬两季高度日变化呈一峰一谷型，春季镇海站和奉化站高度接近，夏秋季奉化站边界层较高，而冬季镇海边界层较高。

宁波；激光雷达；晴天；大气边界层

大气边界层(atmospheric boundary layer，ABL)是指直接受地面影响的对流层部分，是地球表面与自由大气之间进行物质、能量、热量和水汽交换的必经气层，主要通过摩擦阻力、蒸发蒸腾、热量输送和污染物排放等与地面发生相互作用。由于热力作用导致的强烈日变化是大气边界层的一个重要特征，边界层高度随地表特征、季节和天气背景的不同而不同，每天可在几十米至几千米内变化[1-2]。

大气边界层状况与天气预报、气候预测、环境保护等密切相关，一直是大气科学的研究热点之一[3-4]。激光雷达作为探测对流层大气的重要仪器，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。激光雷达探测范围广、时空分辨率高，国内众多学者利用其对大气边界层进行研究[5-9]。杨辉等[10]利用MPL激光雷达，发现大气边界层气溶胶含量稳定，有明显的气溶胶多层结构。徐安伦等[11]研究发现，洱海湖滨大气边界层厚度具有显著的日变化。王珍珠等[12]利用米散射激光雷达对北京城区夏季大气边界层进行了系统观测，并分析了气象条件和人类活动对其的影响。目前，对大气边界层季节变化的研究还很有限，因此，本文对宁波大气边界层的季节变化特征进行研究。

1 材料与方法

1.1 数据来源

采用2016年1月1日至12月31日晴天宁波镇海站(站号：58561)和奉化站(站号：58565)安装的AGHJ-I-LIDAR大气颗粒物监测激光雷达(无锡中科光电技术有限公司生产)探测所得的大气边界层高度数据。镇海站位于宁波东北部，奉化站位于西南部。

1.2 晴天选取

若某日(前一天20：00到当天20：00)降水量<0.1 mm，同时日照时数≥5.0 h，则将该日定义为晴天。本文研究时段内春季(3、4、5月)、夏季(6、7、8月)、秋季(9、10、11月)、冬季(12、1、2月)的晴天天数分别为6、30、5、31 d，全年晴天共计72 d。

2 结果与分析

2.1 全年晴天大气边界层高度日变化特征

由图1可以看出，2016年宁波市晴天大气边界层高度1.4～1.9 km，一天中边界层高度有较为明显的峰、谷变化趋势，早晨和夜间高度较低，午后则较高。其中，奉化站边界层高度的日变化基本呈单峰单谷型，从0：00起高度缓慢上升，16：00达到最大值，16：00以后高度逐渐减小，23：00降至1.6 km。而镇海站边界层高度的日变化则为双峰双谷型，0：00开始逐渐下降，4：00左右降至日最小值，5：00—13：00边界层高度基本呈升高趋势，13：00左右达到日最大值1.8 km，14：00之后又开始降低。奉化站和镇海站对比可知，除1：00、12：00、13：00前后镇海站边界层高度比奉化站略高外，其余时段内奉化站边界层高度均高于镇海站。

图1 2016年晴天大气边界层高度日变化分布

2.2 不同季节晴天大气边界层高度日变化特征

由图2可知，春季宁波市晴天大气边界层高度变化为1.4～2.1 km，0：00—19：00大气边界层高度总体呈上升趋势，凌晨至上午上升幅度较大，下午上升幅度较小；20：00以后大气边界层高度明显下降，最大降幅可达0.4 km·h-1。镇海站大气边界层高度在0：00—4：00呈现起伏较大的波动，但波动高度基本维持在1.6 km左右；4：00—5：00明显升高，上升速度达0.3 km·h-1；6：00—20：00大气边界层高度变化缓慢，基本维持在1.8～2.0 km，其中13：00前后达日最高值2.0 km；20：00后大气边界层高度明显下降，下降速度达0.2～0.3 km·h-1，23：00降至日最低值。奉化站的大气边界层高度在0：00—14：00缓慢上升，15：00—17：00又有所下降，18：00—19：00又明显上升，上升幅度达0.3 km·h-1，19：00达日最大值；20：00开始逐渐下降，下降速度为0.3～0.4 km·h-1。

图2 2016年春季晴天大气边界层高度日变化分布

从图3可以看出，夏季宁波晴天大气边界层高度1.1～2.0 km，13：00之前呈现上升趋势，13：00之后则开始降低。镇海站大气边界层高度的分布有较为明显的双峰双谷变化趋势：0：00大气边界层高度已经达到1.5 km，1：00—4：00呈现下降趋势，4：00达到夏季边界层高度的最低值1.1 km，5：00—12：00呈现逐步上升的趋势，12：00达到最大值1.8 km，13：00之后又波动下降，18：00以后缓慢上升。而奉化站大气边界层高度变化较为平稳，大气边界层高度变化总体呈现先平稳上升后平稳下降的趋势。总体上，夏季镇海站的大气边界层高度比奉化站小，但上升和下降的幅度大。

图3 2016年夏季晴天大气边界层高度日变化分布

秋季宁波晴天大气边界层的高度为1.1～2.0 km(图4)。镇海站边界层高度变化1.1～1.9 km，0：00—6：00缓慢下降，6：00—14：00呈现上升趋势，6：00—8：00上升幅度大，8：00达最大值1.9 km；15：00之后逐步下降，20：00左右达最小值1.1 km。奉化站大气边界层高度0：00—2：00，降幅达0.4 km·h-1；2：00—13：00平稳上升；13：00—23：00又逐渐下降，其中14：00—20：00变化平稳。镇海站边界层高度上升或下降幅度更大，但奉化站大气边界层高度更高。

图4 2016年秋季晴天大气边界层高度日变化分布

由图5可知，冬季宁波晴天大气边界层的高度总体1.3～1.9 km，呈现先上升后下降的趋势，最大值出现在午后，最小值出现在凌晨；镇海站的边界层高度上升和下降的变化幅度比奉化站小，但高度比奉化站高0.1～0.2 km。

图5 2016年冬季晴天大气边界层高度日变化分布

3 小结与讨论

2016年晴天宁波大气边界层的平均高度1.4～1.9 km，高度分布有较为明显的峰、谷变化趋势，早晨和夜间高度较低，午后则较高。除1：00、12：00、13：00前后镇海站边界层高度略高外，其余时段内奉化站边界层高度均高于镇海站。

春季宁波晴天大气边界层高度变化为1.4～2.1 km，0：00—19：00总体呈上升趋势，凌晨至上午上升幅度较大，下午上升幅度较小，20：00后高度明显下降，最大降幅可达0.4 km·h-1。夏季宁波晴天大气边界层的平均高度为1.1～2.0 km，0：00—13：00呈现上升趋势，14：00—23：00逐渐下降。镇海站大气边界层高度分布有较为明显的双峰双谷变化趋势，而奉化站变化较为平稳，镇海站的大气边界层高度比奉化站小，但上升和下降的幅度更大。秋季宁波晴天大气边界层的高度为1.1～2.0 km，镇海站大气边界层高度比奉化站小，但上升和下降的幅度更大。冬季宁波晴天大气边界层高度先升后降，为1.3～1.9 km。镇海站大气边界层高度比奉化站高0.1～0.2 km，但变化幅度比奉化站小。

[1] 张大伟, 张东平, 范树海, 等. 定向离子清洗对基片表面性质的影响[J]. 中国激光, 2004, 31(12): 1473-1477.

[2] WU Z, GU S T, KUO P K, et al. Laser-induced surface thermal lensing for thin film characterizations [J]. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 1996, 2714: 294-304.

[3] EMEIS S. Atmospheric boundary-layer structure from simultaneous SODAR, RASS, and ceilometer measurements [J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(2): 273-286.

[4] STRAWBRIDGE K B, SNYDER B J. Planetary boundary layer height determination during Pacific 2001 using the advantage of a scanning lidar instrument [J]. Atmospheric Environment, 2004, 38(34): 5861-5871.

[5] 贺千山, 毛节泰. 北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究[J]. 气象学报, 2005, 63(3): 374-384.

[6] 毛敏娟. 机载大气探测激光雷达的研制及大气气溶胶的探测研究[D]. 合肥：中国科学技术大学, 2007.

[7] 陈臻懿, 刘文清, 张玉钧, 等. 用云高仪测量边界层高度[J]. 激光技术, 2009, 33(5): 455-458.

[8] 胡欢陵, 吴永华, 谢晨波, 等. 北京地区夏冬季颗粒物污染边界层的激光雷达观测[J]. 环境科学研究, 2004, 17(1): 59-66.

[9] 张仪, 李季, 荀毓龙, 等. 机载激光雷达测量实验报告[R].合肥: 安徽光机所, 2002.

[10] 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): 221-226.

[11] 徐安伦, 董保举, 刘劲松, 等. 洱海湖滨大气边界层结构及特征分析[J]. 高原气象, 2010, 29(3): 637-644.

[12] 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, 29(1): 96-100.

2017-10-13

鄞州区科技局农业与社会发展项目(鄞科[2013]90号)

王杰(1988—)，男，浙江奉化人，工程师，学士，从事综合气象业务工作，E-mail：373208137@qq.com。

文献著录格式：王杰，许岳庭，夏静雯，等. 基于激光雷达的宁波市晴天边界层高度特征[J].浙江农业科学，2017，58(12)：2105-2107.