一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法与流程

本发明涉及大气探测领域，尤其涉及一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法。

背景技术：

大气边界层，也常被称作行星边界层，是地球大气圈层中直接受地表活动影响并响应的区域。诸如摩擦阻力，蒸腾作用，蒸发作用和热传导等活动都会在一定的时间内影响到边界层的变化。受日出日落地表大气湍流活动变化的影响，大气边界层主要分为三类：对流边界层，稳定边界层和残留层。太阳升起后，大气边界层受日照引起的地表辐射加热影响，对流活动和垂直混合强烈，边界层高度升高，故被称为对流边界层，在该区域内气溶胶，水汽，痕量气体等各种成分充分混合，因此也被称为混合层。太阳落山后，辐射减弱，近地表大气层结稳定，活动减弱，边界层高度降低，被称为稳定边界层。而在稳定边界层顶之上，日落后对流边界层衰减形成的一层则被称为残留层。大气边界层，是大气污染控制，数值天气预报，城市和农业气象，航空气象和水文学领域中的关键区域。基于大气边界层高度的高时空分辨率探测对大气边界层的有效分类，可以有效提高大气模式的精度以及模式参数化的发展，在气象预报、气候模型和大气污染控制中有着重要的作用。

然而，本发明的发明人发现：传统上对大气边界层的分类主要是定性为主，少有基于定量的分类，不利于气象预报等实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法，旨在解决单台设备探测提供高时间分辨率的边界层分类结果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法，所述混合型激光雷达包括：连续激光器、分束器、声光调制器、光纤放大器、环形器、双筒型望远镜、光开关、耦合器、平衡探测器、模拟采集卡、计算机、滤波器、探测器、数字采集卡；双筒型望远镜包括发射望远镜和接收望远镜；

连续激光器的输出端与分束器的输入端连接，分束器的第一输出端与声光调制器的输入端连接，分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接，声光调制器的输出端与光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端与环形器的输入端连接，环形器的收发端与发射望远镜连接，环形器的输出端与光开关的输入端连接，光开关的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器连接，探测器的输出端与模拟采集卡连接，模拟采集卡与计算机连接；

接收望远镜的输出端与滤波器连接，滤波器的输出端与探测器的输出端连接，探测器的输出端与数字采集卡连接，数字采集卡与计算机连接；

所述方法包括：

步骤一：使用混合型激光雷达进行观测，获得垂直方向的气溶胶光学特性廓线和垂直风速廓线；

步骤二：根据获得的气溶胶光学特性廓线反演大气边界层高度h1；

步骤三：根据获得的垂直风速廓线反演大气边界层高度h2；

步骤四：对h1和h2进行比对；

当δh小于预设的高度阈值时，判定从近地面到max(h1,h2)处大气边界层为对流边界层；δh＝|h1-h2|；

当δh大于高度阈值时，判定距离δh大于高度阈值时刻最近的、且在该时刻之前的δh＝0的时刻开始，到δh再次等于0的时刻之间，从近地面到h2处为稳定边界层；判定h2到h1之间为残留层。

进一步的，步骤一中，使用混合型激光雷达进行观测，获得垂直方向的气溶胶光学特性廓线和垂直风速廓线，包括：

混合型激光雷达进行垂直探测或者仰角足够大的斜向探测，斜向探测包括固定探测，多方向扫描探测以及圆锥式扫描探测。

进一步的，气溶胶光学特性包括气溶胶后向散射系数、气溶胶消光系数、距离修正光子数、载噪比中的一个或多个。

进一步的，根据垂直风速探测结果反演大气边界层高度h2包括：根据垂直风速探测结果计算湍流强度，利用湍流强度在边界层附近的急速下降或者是湍流强度的阈值反演大气边界层高度h2。

进一步的，所述湍流强度包含湍流动能耗散率，湍流强度以及湍流强度某个方向的分量等可以反应湍流强度随高度变化的物理量。

进一步的，湍流计算需要在一定的时间窗进行计算，该时间窗可以根据探测的最高时间分辨率以及用户需求决定，1分钟到1小时内可灵活选取。

湍流计算需要在预定的时间窗进行计算，该时间窗为1分钟到1小时内。

进一步的，阈值可以根据各地地理环境和大气状况，根据不同季节选取。

综上所述，本发明提出了一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法。该混合型激光雷达将直接探测雷达和相干探测激光雷达集成于一体，仅使用同一套光源和接收系统就能同时对气溶胶和径向风速进行探测。使用该种混合型激光雷达，在不增加运行维护复杂度的基础上，通过对静力学边界层(气溶胶)和动力学边界层(湍流)的同时探测，定量识别出对流边界层，稳定边界层和残留层，从而对大气边界层分类，对于大气模式的参数化发展有着重要的意义。

本发明提供的一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法具有如下有益效果：

(1)仅使用一台混合型激光雷达即可同时进行高时空分辨率的静力学和动力学大气边界层高度反演，免去了多种设备的使用，降低了成本，更便于运行与维护。

(2)本发明使得大气边界层分类可以定量化，相应的圈层顶部底部均可定量参数化描述，有助于气象模型精度的提高和大气模式参数化的发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明进行附图说明。

图1为本发明使用的混合型激光雷达的示意图。

图2为本发明提出的基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的根据混合型激光雷达的实测数据及大气边界层分类结果的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

本发明公开了一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法。

如图1所示，所述混合型激光雷达包括：连续激光器1、分束器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、双筒型望远镜6、光开关7、耦合器8、平衡探测器9、模拟采集卡10、计算机11、滤波器12、探测器13、数字采集卡14；双筒型望远镜6包括发射望远镜和接收望远镜；

连续激光器1的输出端与分束器2的输入端连接，分束器2的第一输出端与声光调制器3的输入端连接，分束器2的第二输出端与耦合器8的第一输入端连接，声光调制器3的输出端与光纤放大器4的输入端连接，光纤放大器4的输出端与环形器5的输入端连接，环形器5的收发端与发射望远镜连接，环形器5的输出端与光开关7的输入端连接，光开关7的输出端与耦合器8的第二输入端连接，耦合器8的输出端与探测器9连接，探测器9的输出端与模拟采集卡10连接，模拟采集卡10与计算机11连接；

接收望远镜的输出端与滤波器12连接，滤波器12的输出端与探测器13的输出端连接，探测器13的输出端与数字采集卡14连接，数字采集卡14与计算机11连接。

直接探测气溶胶激光雷达系统和相干测风激光雷达系统共用连续激光器1、分束器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、双筒型望远镜6、和计算机14，一套系统能够同时探测气溶胶光学特性和垂直速度。

本发明的基本原理为：直接探测气溶胶激光雷达系统(简称直接探测系统)可有效探测静力学大气边界层，相干测风激光雷达系统(相干探测系统)可以有效探测大气湍流，混合型激光雷达将两个系统合成到一个系统，进而同时探测大气边界层高度，利用两者的差异判定大气边界层的种类，实现对大气边界层的定量识别和探测。与现有方法相比，减少了额外观测仪器的使用，降低了成本，提高了运行和维护的效率。

如图2所示，本发明基于混合型激光雷达对大气边界层分类的方法，包括：

步骤一：使用混合型激光雷达进行观测，获得垂直方向的气溶胶光学特性廓线和垂直风速廓线。

特别的，上述方法中，混合型激光雷达指集成了直接探测气溶胶激光雷达系统和相干测风激光雷达系统的激光雷达，可同时用于气溶胶光学特性和大气风场探测。

可选的，观测时间分辨率根据用户需求决定，直接探测为1秒～1小时均可。为了满足湍流探测能力，风场探测以1秒-30秒为优。

可选的，在上述方法中，垂直探测包含仰角足够大(大于45度)的激光束固定的斜向观测、多个方向的扫描探测以及激光束进行圆周扫描的vad探测。将距离换算为高度后，即可将其按照垂直观测等同处理。

特别的，在上述方法中，所述气溶胶光学特性包含后向散射光子距离修正计数，气溶胶后向散射系数，气溶胶消光系数等所有可以通过气溶胶直接激光雷达系统观测得到的气溶胶光学参量以及相干测风激光雷达系统得到的载噪比。

优选的，观测时激光雷达进行垂直探测。

步骤二：根据获得的气溶胶光学特性廓线反演大气边界层高度h1。

可选的，在上述方法中，反演大气边界层高度的方法，包括：梯度法，小波变换法，拟合法等基于气溶胶光学特性垂直廓线在边界层顶突然变弱的所有方法。

如图3上图所示。其中，该反演基于气溶胶垂直分布在大气边界层内较为均匀，而在边界层顶附近则急剧下降，通过对下降区域的识别反演边界层高度。如最广泛使用的梯度法就是基于气溶胶分布在边界层顶急剧下降，使得气溶胶垂直方向的梯度在边界层顶为最小值，从而得出边界层高度。

优选的，气溶胶光学特性垂直廓线使用距离修正光子计数。

优选的，在本实施例中使用haar小波协方差变换法，反演得到的大气边界层高度更可信。haar小波法是利用haar小波函数：

对归一化的气溶胶光学特性垂直廓线f(z)计算协方差变换：

式中，zt和zb分别为边界层反演中计算范围的上边界和下边界，a为haar小波缩放系数，在本实施例中，取为150米，b为haar函数中心位置。wf(a，b)最大值对应的高度，即为大气边界层的高度。

步骤三：根据获得的垂直风速廓线反演大气边界层高度h2。

可选的，在上述方法中，反演大气边界层高度的方法，包括：方差法，湍流耗散率法等可以由垂直速度反演的基于湍流强度在边界层顶突然变弱的所有方法。

如图3中图所示。其中，该反演基于大气湍流在大气边界层内，尤其是对流边界层内较强，而在边界层顶附近迅速衰弱，利用湍流强度在边界层附近的急速下降或者是湍流强度的阈值反演出大气边界层高度。

优选的，使用方差法反演大气边界层高度。方差法是在给定的时间窗口内，计算垂直风速在每一层高度内的方差，对于得到的方差垂直廓线，使用给定的方差阈值判定大气边界层高度，在边界层内方差大于方差阈值，在边界层外，方差小于方差阈值。在本实施例中，方差阈值取为0.06m²/s²。

优选的，方差法所用时间窗长度可为5分钟～1小时，可以同时满足高时间分辨率和高数据采样率的要求。本实施例中对于20秒分辨率的垂直风速，时间窗长度取为5分钟。

优选的，由于湍流及噪音较为紊乱，使得边界层内方差可能小于方差阈值，边界层外方差也可能大于方差阈值，因此仅使用阈值判定容易带来较大误差。在此基础上引入中值判定法可以有效提高反演精度。首先选取所有低于方差阈值的高度，然后找出这些高度的中值，在此中值高度以下小于方差阈值的最大高度即是大气边界层顶高度。

步骤四：对h1和h2进行比对；

当δh小于预设的高度阈值时，判定从近地面到max(h1,h2)处大气边界层为对流边界层；δh＝|h1-h2|；

需要说明的是，近地面也叫大气近地面层，近地层。近地面层为大气边界层的最下层。其上界离地面约几十米至一百米，该层直接和地面接触，受地面影响十分强烈。

当δh大于高度阈值时，判定距离δh大于高度阈值时刻最近的、且在该时刻之前的δh＝0的时刻开始，到δh再次等于0的时刻之间，从近地面到h2处为稳定边界层；判定h2到h1之间为残留层。

具体的，将δh＝|h1-h2|与高度阈值比较，判定大气边界层类型。当δh小于高度阈值时，max(h1,h2)以下判定为对流边界层，当δh大于高度阈值时，从之前h1与h2分离的时间开始，到h1和h2重新吻合时，h2以下判定为稳定边界层，h2以上，h1以下判定为残留层，如图3下图所示。

优选的，高度阈值可以取为随h2变化的函数，本实施例中取0.3*h2。

为了验证本发明的方法，给出了实例验证结果。

图3为利用混合型激光雷达对大气边界层探测的结果示意图。可以看到，基于直接探测系统的气溶胶探测结果与基于相干探测系统的风场探测结果能很好的反映出不同类型大气边界层的特征。对相应的大气边界层高度进行对比，可以有效对不同类型大气边界层进行分类，并定量解析出各类型大气边界层顶和底，实现对大气边界层的参数化描述，对大气数值模式参数化的发展具有重要价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。