利用扫描激光雷达仪器的优势测定2001年太平洋行星边界层高度外文翻译资料

 2022-11-25 15:11:54

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利用扫描激光雷达仪器的优势测定2001年太平洋行星边界层高度

K.B. Strawbridgea, B.J. Snyderb

摘要

一种用于确定边界层高度的新方法专门为扫描激光雷达数据而被开发了出来。加拿大的气象部门最近开发了一种扫描激光雷达设备（RASCAL-快速采集扫描气溶胶激光雷达），能够快速地对对流层底部进行方位角和仰角的剖面扫描。在2001年不列颠哥伦比亚省下弗雷泽谷（LFV）的太平洋地区运动期间，RASCAL的测量是从兰利洛奇尔地面站（49.031N，122.601W）进行的。2001年8月14日至30日之间每天进行大约16小时的测量，具体时长取决于天气，来测量清晨边界层的增长以及其到夜间边界层的减退。该仪器被设置为对“西”，“北”和“东”三个不同方位进行连续仰角扫描。一种全面的利用高分辨率扫描激光雷达数据优点的边界层高度算法已经被开发出来。在某些日子，在不同的扫描方向，边界层高度的实质差异是明显的。结果也显示了太平洋夏季每天大约19:00的时候几乎都可以测量出边界层有明显的的连续的“分解”。准确确定边界层是理解LFV内区域空气质量的关键参数。

1 引言

行星边界层（PBL）是对流层中最低的一部分并且在我们的日常生活中起着重要的作用，因为它代表了我们大多数人所呼吸的空气。 由于行星边界层中的空气污染浓度明显高于其余大气层，行星边界层在理解和评估空气污染物方面往往起着重要的作用。 因此，边界层的高度是空气质量建模或预测的关键参数，对于大气成分的解释至关重要。通常白天加热时的对流边界层与较浅且稳定的夜间边界层有区别。 这里讨论的大多数测量将集中在日间测量。行星边界层的顶部有很多名称; 最常见的是逆温层高度，混合高度和混合层深度。 共同点在于它们都是指大气成分混合的最大深度。

多年以来激光雷达已经被证明可以提供边界层顶部的精确测量（Boers等，1984; Sasano，1985; Bennett，1995; Menut等，1999）。除了在激光雷达图上清晰可见，根据激光雷达数据确定PBL高度不需要比取得系统的绝对校准更困难的任务。 有几种方法可以从激光雷达数据中提取PBL高度。 包括临界阈值技术（Melfi等，1985; Batchvarova等，1997），梯度技术（Hayden等，1997; Hoff等，1996），微波分析（Cohn等，1998; Davis 等人，1997）和使用理想化分布的技术（Steyn等人，1999; Hageli等人，2000）。前提是利用了边界层气溶胶与自由对流层发现的明显的气溶胶浓度梯度。 夹带区域是PBL和自由对流层之间的过渡区域，夹带区的高度取决于一天中的不同时间是可变的。 因此，在理想情况下，PBL的顶部被认为是夹带区的中点。这里讨论的技术结合了临界阈值，约束梯度方法和高空间分辨率扫描激光雷达数据的好处。

激光雷达测量已经从各种平台（包括共同的地面）到更精细的机载（斯德哥尔摩和斯奈德，2004; Browell等，1993），航天飞机（McCormick等人，1993; Strawbridge和Hoff， 1996）和“即将成为卫星”的系统（Winker，1999）。一款名为快速采集扫描气溶胶激光雷达（RASCAL）的扫描激光雷达设备，被用来沿着激光束轴对对流层低层提供3米分辨率的快速仰角扫描轮廓。人们开发了扫描激光雷达系统，这个系统的研究范围包括了从云和气溶胶研究到用于测量水蒸气的更精细的系统等多个研究课题。 激光雷达的技术提供了一个获得高度垂直分辨的气溶胶颗粒信息的独特机会，它还额外具有高时间分辨率的优点。 RASCAL数据在三维方面提供了大气的综合光学图片。这有助于解释在一个广泛的非均匀大气中的气溶胶光学性质的时间变化。 在2001年太平洋实地考察期间（Li，2004年），RASCAL被放置在兰利·洛奇尔（Langley Lochiel）现场，在每个作业日分别代表“西”，“北”和“东”进行三次仰角扫描， 。 从8月14日至8月30日，取决于天气情况，每天大约获得16小时的数据。

2 Rascal（快速采集扫描气溶胶激光雷达）设施

1999年，一个26英尺的“A级”车厢被买来转换为移动实验室，以便远程操作地面扫描激光雷达系统（图1a）。为了能够容纳具有对屋顶出口窗组件特别是光学台架和设备架，对车厢进行了若干必要的修改。此外还需要一个合适的配电系统，以便在平衡电力负载的同时在两条陆地线路和两台发电机之间切换使用。

发电机（每个5.5 kW）在电源故障或在偏远地区运行时提供后备。为了有助于RASCAL的安全运行，船用雷达被放置在车辆的屋顶上。为了减少地面杂波，雷达采用柔性波导进行修改，以提高其检测飞机的能力。 对屋顶区域还需要进行额外的修改以支持大镜子的重量并为其提供刚性安装系统。 车厢还携带具有动力绞车的便携式起重机组件，用于将重型扫描镜组件提升到车身屋顶上。该车厢具有电子调平系统，为扫描激光雷达操作提供稳定的水平环境。在达到一定的平衡时，数字量角器（精确到0.11）测量输入数据采集、分析软件的最终角度校正。

扫描激光雷达系统的基本部件包括激光、光束定向、收集光学元件和具有检测包的望远镜，这些部件将信号转换成可被实时处理、显示和保存的适当信息。RASCAL基于双镜设计（61厘米镜），第一个镜子固定，第二个镜子通过方位角和仰角旋转阶段自由旋转。61厘米的镜子在可用的扫描范围内提供了一个完整的35.6厘米（望远镜直径）光路。图1b所示的示意图说明了激光雷达系统主要部件的光学布局。光轴能够完成完整的180°方位运算和高达100°的仰角扫描.这个例外是围绕第一个镜子的小盲区。 可获得高达24°每秒的激光雷达扫描速度，但是操作扫描速度通常在0.2°和2°每秒之间。直流伺服的分辨率为0.001°，由Newport Instruments型号ESP6000运动控制器单元以18位数模转换分辨率进行计算机控制。高功率光学器件被放置在两个反射镜的光学中心，以支持同轴设计。采用的检测器是35.6厘米的Celestron Schmidt-Cassegrain望远镜，它具有8mrad视场，将捕获的光聚焦在3mm RCA 30956E雪崩光电二极管（APD）上。该检波器采用Optech Inc.制造的对数放大器（72 V输出，25 mV均方根噪声，30 MHz带宽），以增加动态范围。这对在气溶胶浓度在扫描范围内有着显著变化时操作激光雷达十分重要。放大器在实验之前通过传递函数进行校准，除了由Optech Inc.提供的二阶校正之外，将信号转换成线性刻度。然后将该信号发送到量具12位、100MHz、信息被数字化的PCI卡。Gage卡通常采用诱导通道50 MHz模式，沿光束轴产生3 m分辨率。每个仰角扫描的平面区域最好是由上部和下部扫描极限界定的饼状形状描述。

因此，空间分辨率是激光器距离的一个函数。散射体积将由沿着光束轴的3米分辨率和扫描速度来定义。激光器是在1064nm的基波长下工作的Continuum NY-61，Nd：YAG。激光器的输出能量约为650mJ，重复频率为10Hz，光束发散度为0.45mrad。在2002年夏天，在RASCAL上添加了一台新的连续真空8050激光器，它在50Hz下产生550mJ的激光。另外，一个1064/532nm的双棱镜双层涂层，位于望远镜副镜的正上方，用于引导和对准激光束到收集光学器件。激光雷达的典型范围限于12公里，但高度依赖于气溶胶负荷，这直接转化为双向传播因子。实时显示和虚拟反向散射比图可以在数据采集过程中实时放大和缩小。当与其他依赖实时信息的人员在飞机和系带气球等平台进行工作进行数据收集时，是非常有价值的。

3 使用RASCAL数据的PBL算法

在许多情况下，PBL在激光雷达图谱中很容易看到，并且可以用比较简单的算法来确定。对于不太明确的情况，大多数算法会失效或者需要大量的用户输入。扫描激光雷达具有比向上或向下的激光雷达所没有一些优点，因为您可以考虑空间分辨率（由数字化间隔（在这种情况下为3 m和扫描速度）确定）而不是时间分析数据。例如，当尝试用向上指向的激光雷达来确定PBL高度时为每次采集计算单个高度。由于扫描激光雷达数据事以角度和与源的距离进行索引，因此能更有效地观察与激光雷达源等距的一组点（参见图2a）。因为是从源切割PBL的顶部等距离的点的单个“线”的角度接近垂直，所以产生了具有增加的分辨率的PBL输出并且提高了算法的鲁棒性。由于RASCAL数据不是平均的（为每个激光拍摄获取数据），因此开发了一个简单的平滑程序来消除噪声（见图2b），并进一步提高了算法的鲁棒性。平滑算法（三点运行平均）在每个后向散射曲线上连续运行20次。

PBL高度算法需要两次迭代。第一步是基于反向散射比阈值计算PBL高度。之后是最终步骤，其中通过以阈值技术确定的值搜索反向散射比中的最大梯度来计算PBL高度。因此，该算法要求用户输入PBL高度的粗略估计值和阈值以区分PBL与自由对流层。根据气溶胶负荷，数据距离激光雷达距离很远的信号噪声可以选择算法决定PBL高度的水平范围。在Langley Lochiel站点获得的RASCAL数据在每个方位扫描的前6公里处理。该算法还要求用户选择上限和下限以限制搜索阈值。当边界层的顶部是高度湍流时，或者当高空或早晨有气溶胶层时，都是特别有益的情况。然后将以阈值确定的合成高度用作下一个范围仓的起始高度。然后使用阈值获得的PBL高度信息与用户指定的上下高度范围结合使用，以确定梯度PBL值。即使在复杂的地形上，也能产生出非常稳定的产品，如图3a所示。其中PBL高度可以提取出山坡面。在边界层云的存在下，算法将使用云底作为PBL高度。例如在天气晴好的情况下，所得的PBL高度将是云底和气溶胶梯度测定的组合。此外，还能为各种水平范围输入多个阈值。即使存在本地点源，也能准确地确定PBL高度。即使在伪色RASCAL图像（见图3b）中也可以清楚地看到来自工业源的羽流和高层的几个气溶胶层，PBL高度算法工作得也还是非常好。对于该数据，APD检测器不是对数放大的，这在自由对流层中降低的信噪比是显而易见的。

在算法完成两次迭代之后，PBL高度可以输出到文件或在RASCAL伪色图上作为覆盖图绘制（见图3a）。 伪色图上的对数色条允许显示检测器的完整动态范围。 本文所示图幅范围为100-102或100 -103。虽然该算法具有自主运行的潜力，但是通过小的输入调整可以获得非常可靠的结果。这允许操作者在视觉上确认结果，并且如果有必要，可以将输入更改为算法以进行另一次迭代。

4 结果和讨论

在用于研究Langley Lochiel地面的混合高度的时间演变方面，RASCAL设施的PBL高度提供了宝贵的数据。 在数据收集期间，使用修改后的算法计算出选定角度的PBL高度，并实时创建每日绘图，作为在现场采集的其他原位测量的辅助。图4所示的RASCAL数据代表了8月29日获得的仰角扫描。 每个仰角扫描开始于树线（2°）的上方，上扫描角度为70°，大约需要3分钟。扫描速度设置得足够低，以提供良好的垂直分辨率，以支持Langley Poppy高中北部进行系绳探测测量（Maletto等，2003）。图 4a-d显示了在相当短的时间段（17：59-20：07 ）中PBL的高度的显着变化。这在稍后的图6-8中将详细讨论。

图5a显示了相当于在RASCAL设施以西800米处有一个指向天顶的激光雷达，每10分钟获得垂直轮廓。该图像是通过将激光雷达的固定范围的数据垂直剖面拼接在一起，从8月26日获得的RASCAL数据中提取的。 RASCAL数据可以被认为是一系列指向的天顶激光雷达，间隔3米，依次采集数据。在12:30至13:30、最大高度为1100-1200米处，PBL的演变是清晰可见的。早晨（08:00至12:00 ）显示，高处的几个气溶胶层最终夹带在边界层。布鲁克等人（2004年）详细介绍了这些夹带事件及其与化学和气象学的关系。在20:00左右开始形成的大约200米的夜间边界层也是非常明显的。LFV是一个非常复杂的地区，山区在水循环和污染物积聚中起着独特的作用。

将激光雷达与Langley无线电探空仪数据进行了一个比较（见图5b），虽然无线电探空仪数据每天以6小时（世界时00点,06点,12点和18点）收集四次，但RASCAL数据为一般限于白天。 因此，该图仅表示符合数据可用的时间。 结果表明，尽管高收视率物体的PBL高度趋于高估，两种资料来源之间存在很好的相关性。 Snyder等人描述了用于从无线电探空仪数据计算PBL高度的稍微改进的Heffter方法。 （2004）。 他们报告了Heffter方法高估PBL高度的倾向，以及在从对流PBL到稳定的PBL的过渡中确定PBL高度的难度。

使用上述算法从RASCAL数据得到的PBL高度绘制在图6到图8中。2001年太平洋研究期间，这些地块被分成三组：三个气象期：干旱期，潮湿期和不稳定期（Snyder和Strawbridge，2004）。 PBL高度绘制为海拔米（masl），对于Langley Lochiel场地，需要从RASCAL数据确定的高度加上80米。 PBL高度算法为每个仰角扫描（6 kmrange / 3 m分辨率）生成了两千个值。对于每个方位扫描，绘制PBL的平均值及其相关标准偏差（误差条）。因此，较大的误差条是PBL高度的更多变异性的指示，其通常与更湍流边界层有关。很多时候，根据方位角取向，PBL高度有显着差异。大部分的变化都是用东方扫描发现的，可能表明海风的影响较小，对流的湍流更多。在允许的情况下，PBL高度计算

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