Page 223 - 《高原气象》2025年第6期

6 期 张 翔等：黄土高原典型塬区边界层高度反演方法对比研究 1631
ert， 2000； 韦志刚等， 2005a； Dai et al， 2014）， 因 边界层探测手段， 地基遥感仪器结构紧凑、 坚固耐
此， 大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量 用、 成本低、 探测时空分辨率高， 可实现对边界层
（Zhang et al， 2011； 刘树华等， 2013）。黄土高原位 垂直结构的近实时监测（Clifford et al， 1994； Seib‐
于我国中部偏北， 由黄土塬、 川、 沟壑等地貌组 ert， 2000； Emeis et al， 2008； Laj et al， 2009）。上
成， 下垫面十分复杂， 是我国干旱气候与湿润气候 述研究多基于后向散射信号通过各种算法确定边
的过渡区， 同时受高大的青藏高原影响， 该地区边 界层高度， 包括阈值法（Melfi et al， 1985）、 梯度法
界层内能量传输和水分等物质转换极其复杂， 是我 （Flamant et al， 1997）、 理想廓线拟合法（Steyn et
国气候变化的敏感地带， 也是冰雹以及局地暴雨等 al， 1999）、 小波协方差法（Haij et al， 2006）、 方差法
强对流天气的多发区（韦志刚等， 2005b； 晋伟等， （Menut et al， 1999）等。也有诸多研究尝试设计新
2023）。深入研究该地区大气边界层特征， 对于增 算法（Di Giuseppe et al， 2012； Poltera et al， 2017），
进边界层演变特征及其对天气、 气候和物质与能量 或改进已有算法（Eresmaa et al， 2006； Caicedo et
传输过程的理解有重要意义（刘辉志等， 2018； 张 al， 2020）， 或结合不同算法优势（Pal et al， 2013）来
宏昇等， 2020）。但是， 目前缺乏长期连续的大气 提高边界层高度反演的准确性。其中， 梯度法是一
边界层高度原位观测资料， 阻碍了对黄土高原大气 种相对简单的边界层反演算法， 其将后向散射的一
边界层演变特征的认识。 阶或二阶导数局部最小值出现的高度确定为边界
传统的大气边界层探测主要依赖于系留汽艇
层高度， 该算法简单易操作， 被广泛应用于大气边
和飞机等移动平台（如无线电探空仪）或气象梯度
界层高度的反演中（Eresmaa et al， 2006； Tang et
塔 等 固 定 平 台 上 的 原 位 传 感 器（Clifford et al，
al， 2016）。
1994）。如王冠添等（2023）利用小球探空资料分析
本研究基于 2023 年夏季加强观测期云高仪后
了那曲地区干湿季节的大气边界层演变特征； 李岩
向散射廓线资料， 利用几种常用梯度算法确定边界
瑛等（2016）利用位温等常规探空资料分析了民勤、
层高度， 并与探空廓线确定的结果进行对比， 验证
榆中和平凉等地的边界层厚度及其影响因素； 马英
利用云高仪后向散射廓线结合梯度算法反演研究
赛等（2019）利用加强期的探空、 近地面湍流通量和
区边界层高度的有效性， 并指出采用混合算法可提
土壤湿度等观测资料， 分析了平凉地区土壤湿度对
升边界层高度识别的准确性。将最佳混合算法应
大气边界层的影响。也有研究人员利用卫星遥感
用于后向散射廓线长期资料， 结合观测站天气状况
的温度廓线资料研究大气边界层高度， 如程海艳等
记录、 云高仪提供的云底高度等资料， 进一步评估
（2018）利用每天 6~8 次的探空观测资料， 验证了利
了混合算法的性能。研究结果有望为我国黄土塬
用卫星大气红外探测器（AIRS）的温度廓线确定大
区天气、 气候和大气物质与能量传输过程的研究提
气边界层高度的可行性。虽然上述手段能够得到
供基础数据。
高垂直分辨率的大气廓线数据（如系留汽艇、 无线
电探空）， 但数据资料的时间分辨率较低， 还受探 2 数据来源与方法介绍
测高度（如气象梯度塔）、 不利天气（如系留汽艇）和
扫描模式（如卫星）的影响， 限制了对边界层高度长 2. 1 数据与研究区概况
期变化特征的认识（Seibert， 2000； 张艺馨和彭新 本研究使用数据包括中国科学院平凉陆面过
东， 2024）。 程与灾害天气观测研究站（以下简称平凉站， 106°
近年来， 随着遥感探测技术的快速发展， 声雷 41′E， 35°34′N）2020年 8月 27日至 2023年 8月 1日
达、 气溶胶激光雷达、 风廓线雷达、 微波辐射计和 CL51 型云高仪（Vissala）后向散射数据、 10 min 累
云高仪等地基遥感探测仪器已被应用于大气边界 计降水量（Young 52202型雨量传感器）、 每 2 h天气
层研究中。如云高仪等接收气溶胶后向散射信号 状况记录， 以及 2023年 7月 15 -24日加强观测期无
的激光雷达， 已被广泛应用于边界层结构（Emeis et 线电探空（iMet-4， InterMet， USA）资料（观测要素
al， 2004； Emeis and Schäfer， 2006； Münkel et al， 包括气压、 温度、 湿度、 风向和风速）。
2007）、 边界层高度（Eresmaa et al， 2006； Haeffelin 平凉站位于甘肃省平凉市北的白庙乡贾洼村，
et al， 2012； Tang et al， 2016）和气溶胶时空变化 距平凉市区 8 km， 海拔 1630 m， 是典型的黄土塬。
（Flentje et al， 2010； Sun et al， 2013； Wiegner et al， 观测场下垫面为农田， 地势相对平坦， 周围无高大
2014； Tang et al， 2015）等研究。相对于传统的大气 建筑物（图 1）。观测场周边农业生产依赖自然降