Page 227 - 《高原气象》2025年第6期
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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 1635
差）的高度层的最低高度作为候选值， 若存在多个 边界层高度。然后， 分级判断该小时内混合算法
候选值， 选最低高度， 并优选与上一时刻边界层高 确定的边界层高度是否与后向散射强度突变高
度相差 210 m 范围内的候选值作为边界层高度。 度、 云高仪内部算法结果存在显著偏离。具体判
Flamant et al（1997）指出该方法确定的边界层高度 别规则如下：
对阈值 D s 不敏感， 边界层和自由大气之间后向散 以 1 h为间隔， 若 1 h内 80% 及以上的边界层高
射强度的显著突变是成功识别边界层高度的关键。 度反演结果点位与中高云的云底高度（>2. 5 km）对
由于云高仪发射脉冲信号能量较低， 随高度衰减明 应， 则判定为对应中高云（该小时标记为 1）； 若 1 h
显， 高空信噪比低； 同时以往研究发现平凉地区边 内 80% 及以上的反演结果与低云的云底高度对应，
界 层 高 度 一 般 在 3 km 范 围 内 变 化（李 岩 瑛 等 ， 一般判定为对应低云（标记为 2）， 但当 80% 及以上
2016； 程海艳， 2018）， 故本研究将 3~4. 5 km 视为 的反演结果与云底高度>1 km 的低云对应， 且 1 km
自由对流层的范围。 以下存在后向散射强度显著突变的区域， 则判定结
2. 4 边界层高度反演结果的质量判别 果标记为 1［例如图 8（f）中 08:00 -11:00］； 此外， 结
残留层的气溶胶可能导致夜间或清晨边界层 合每 2 h天气状况记录， 当 1 h内反演结果数据量达
高度的识别错误， 而较厚夹卷层的存在也可能导 到 50% 以上， 但 30% 及以上的反演结果点位与时
致弱的后向散射信号， 使得边界层高度识别不明 间-高度图中的后向散射强度的突变高度和云高仪
确， 因此需要对混合算法反演结果进行质量判别。 内部算法提供的 1 h 平均混合层高度显著偏离， 则
本研究通过人工诊断， 分析后向散射强度时间-高 判定结果标记为 3， 即算法识别的边界层高度显著
度图， 结合云底高度、 每 2 h 天气状况记录和云高 错误； 当因算法失效导致反演结果数据量低于
仪内部算法（理想廓线拟合与最大负梯度混合算 50%， 但高于 30% 时， 若 15% 结果点位与时间-高
法）提供的 1 h 平均混合层高度， 对利用后向散射 度图中的后向散射强度的突变高度和云高仪内部
梯度法确定的逐小时边界层高度进行质量判别。 算法提供的 1 h 平均混合层高度显著偏离时， 判定
Stull（1988）指出， 当存在低云（云底高度≤2. 5 km） 为 3； 当反演结果数据量低于 30% 时， 若 10% 以上
时， 云底高度可以作为大气边界层高度， 故在判别 点位显著偏离， 也判定为 3； 其余状况标记为 0。本
规则中当边界层高度对应低云云底高度时， 本研 研究认为标记为 1 和 3 的小时内边界层高度反演结
究认为其仍能代表当前小时的边界层高度， 并将 果的均值无法正确反映该小时的边界层高度， 而标
其标记为低云边界层高度； 而当其对应中高云云 记为 2 和 0 的小时内数据通过小时平均， 其均值能
底高度时， 则认为算法结果不可靠， 无法正确反映 够有效反映该小时的边界层高度。
有效率 = 1 - 判定结果1 + 判定结果3 （4）
判定结果0 + 判定结果1 + 判定结果2 + 判定结果3
判定结果2
低云对应率 = （5）
判定结果0 + 判定结果1 + 判定结果2 + 判定结果3
上述判别规则用于评估小时均值能否有效代 n |
∑ | X i - Y i
表该小时内的边界层高度， 通过对各小时进行不同 平均绝对偏差 = 1 （7）
标记， 并对结果进行统计分析， 得到混合算法的总 n
体效果。此外， 利用本研究的质量判别规则对结果 3 结果与讨论
进行标记， 可以筛选出估算结果较为可靠的边界层
3. 1 位温廓线确定的边界层高度
高度信息。
本节基于位温廓线， 利用气块法、 位温梯度
2. 5 统计学方法
法、 Heffter法和 Liu-Liang 法， 对 2023 年 7 月 15 -24
本研究通过计算平均偏差与平均绝对偏差来
日加强观测期平凉站大气边界层高度进行识别。
分析不同方法反演的边界层高度之间的差异。其
对于白天边界层， 气块法的结果与比湿廓线显著降
中平均偏差和平均绝对偏差计算公式如下：
n 低的高度对应［图 3（a）~（c）］； Liu-Liang 法在对流
∑ ( X i - Y i ) 不稳定天气状况下的结果整体偏高， 易对应残留层
平均偏差 = 1 （6）
n 顶， 中性层结下的结果与比湿廓线显著降低高度对
