[发明专利]一种基于粒子特性差异的边界层高度反演方法

说明书

本发明公开了一种基于粒子特性差异的边界层高度反演方法，基于大气粒子的特征差异来获得边界层顶部，包括利用激光雷达数据建立特征值，基于边界层上下的气溶胶粒子和分子粒子特征的差异性，用后向散射信号构建特征值A序列，用色比信号构建特征值B序列，进行归一化处理，建立差异度序列Z，通过查找差异度序列里最大值的点，初步确定出边界层高度所在的位置，过滤误差点直到输出正确结果。该方法不依赖于气溶胶的垂直浓度廓线来查找边界层高度，而是求粒子特性差异，最后通过最大差异值查找来确定边界层高度，绕开了复杂气溶胶层次对查找边界层高度带来的影响。本发明方法具有执行简单，准确度高和适用性广泛的特点。

技术领域

本发明属于大气探测技术领域，具体涉及一种基于粒子特性差异反演边界层高度的方法。

背景技术

大气边界层，又称为行星边界层，由近地层，混合层及其上部的夹卷层构成。是直接受到人类活动影响的最底层大气。大气边界层是大气和地面进行物质和能量交换的重要桥梁。在边界层研究中，大气边界层高度是空气污染模型中的一个非常重要的参数，同时也是大气湍流结构的重要构成参数。因此，准确的查找到大气边界层高度将在污染物传输和环境变化中发挥重要的作用。

目前世界上，主要有主动和被动两种探测方式。被动方式是基于地面被动仪器观测资料，根据风速，位温等气象要素确定边界层高度。但由于边界层大气是不断变化的，容易导致被动查找结果出现误差。主动方式是基于主动仪器观察资料，如激光雷达，根据气溶胶的浓度变化，在气溶胶浓度急剧衰减的地方即为边界层高度。由于激光雷达具有很高的空间分辨率和连续稳定的工作能力，已成为探测边界层高度的主要手段。目前激光雷达计算边界层高度的主要算法有：梯度方法，小波协方差变换(wavelet covariancetransform，WCT)方法，最大方差技术和理想轮廓拟合方法。梯度方法受到大气层复杂反向散射共同的噪声的影响极大。虽然滤波或平均信号可以减少这个问题，但它也可能使信号失真或降低激光雷达数据的时间分辨率。WCT方法适用于处理复杂的特殊情况，因为运算符可以选择适当的基函数并设置适当的阈值。由Steyn等人(Steyn DG,Baldi M,Hoff RM.Thedetection of mixed layer depth and entrainment zone thickness from Lidarbackscatter profiles.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 1999；16:953-9.)开发的理想剖面拟合方法是描述混合边界层的有效方法，但是对于复杂的气溶胶层来说却不尽人意。上述传统算法都是根据气溶胶垂直浓度变化来确定边界层高度，这就意味着，当垂直气溶胶浓度较为稀薄或是气溶胶层次复杂时，会导致激光雷达反演的边界层结果失真。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于粒子特性差异反演边界层高度的方法，用以解决在弱对流条件下，激光雷达数据反演边界层高度不准确的问题。

本发明提供一种基于粒子特性差异的边界层高度反演方法，基于大气粒子的特征差异来获得边界层顶部，实现方式包括以下步骤，

步骤1，利用激光雷达数据建立特征值，包括基于边界层上下的气溶胶粒子和分子粒子特征的差异性，用后向散射信号构建特征值A序列，用色比信号构建特征值B序列，特征值A序列表示相邻粒子之间的消光能力的差异，特征值B序列表示相邻粒子之间粒子尺度大小的差异；

步骤2，对特征值A序列和特征值B序列进行归一化处理；

步骤3，建立差异度序列Z，包括利用步骤2所得归一化处理后的特征序列建立差异度序列Z，通过差异度序列表示相邻粒子之间的特性差异；

步骤4，查找边界层高度，包括根据差异度序列Z，通过查找差异度序列里最大值的点，初步确定出边界层高度所在的位置；