科创中国

技术领域

本发明涉及高度反演技术领域，特别涉及基于高度阈值反演边界层高度的方

法。

背景技术

行星边界层(PBL)是对流最底层直接受地表影响的大气层，是地球与大气之间

进行物质与能量交换的桥梁，PBL 决定了水汽，热量以及污染物垂直湍流混合的

厚度。因此，边界层高度在空气质量分析，天气预报及气候预测等方面是一个非

常重要的变量。尤其干旱区和半干旱区作为气候变化的敏感区，边界层过程对于

气候变化等起着不可替代的作用。诸多研究表明深对流边界层(CBL)中的对流输送

和扩散与局地陆面相互作用、天气过程、气候变化以及当地可持续发展战略的选

择密切相关。因而，准确反演边界层高度，特别是干旱半干旱区的白天对流边界

层高度(CBLH)至关重要。然而，目前边界层高度无法直接探测获得，只能通过使

用无线电探空、风廓线雷达、声雷达以及激光雷达等提供的诸如温度廓线、气溶

胶廓线等进行反演。

微脉冲激光雷达(MPL)凭借其发射对眼睛无伤害的波束的优点而被广泛地运

用于遥感探测中。一般情况下，气溶胶的排放源在近地层，并且受边界层顶的顶

盖逆温层限制，边界层内的气溶胶浓度远远高于上层的自由大气。气溶胶的垂直

分布被视为反演边界层高度的一个良好示踪物，而激光雷达能够以高的时空分辨

率提供对流层底层大气气溶胶的后向散射信号廓线(标准化后为 NRB 廓线)。近年

来，利用激光雷达资料反演边界层高度受到了诸多学者的广泛关注。具体算法包

括梯度法(GD)、曲线拟合法(CF)，以及小波协方差变换法包括哈尔小波变化法

(H-WCT)和墨西哥帽小波变换法(MH-WCT)等方法。然而，上述方法基于激光雷达

资料利用反演边界层高度未必在所有天气条件下都适用。特别地，云的存在会严

重干扰边界层高度的反演，导致有云情况下边界层高度的误判，因为云层造成的

后向散射信号的递减和边界层顶处气溶胶浓度衰减造成的后向散射信号的递减

极为相似。当云覆盖在边界层顶处时，边界层高度和云的上边界一致，能够通过

探测云的上边界获得边界层的厚度。然而，如果云层位于边界层以上的自由大气，

则边界层高度和云高完全不同，应该在云底以下进行边界层高度的反演。因而，

对于有云情况下白天对流边界层高度(CBLH)的反演，必须考虑云的影响。

针对云层影响利用激光资料反演边界层高度的问题，目前已有一些研究。其

中，有研究在某一特定的阈值高度下反演边界层高度。Cheng 等人在 *** 以下

利用梯度法基于 MPL 资料反演边界层高度，然而这一特定的阈值对于其他的下垫

面对应的不同的边界结构未必适合。一般情况下，白天 CBLH 大概在 1～2km。但

是，在中国的西北地区如敦煌，研究表明该地区白天 CBLH 可以达到 4km。因此，

针对不同的边界层结构，特定的阈值高度不易确定。Haeffelin 等人提出了

STRAT-2D 方法来估算有云情况下的边界层高度。该方法通过结合垂直方向和时间

域的 NRB 梯度来确定混合层高度。对于每一个时间间隔，STRAT-2D 方法提供 3

个不同的气溶胶层造成的强梯度高度：最强梯度高度，次强梯度高度，高度最低

的强梯度高度，混合层高度是 3 个梯度高度之一。Pal 等人结合方差分析，从

STRAT-2D 方法确定的特定梯度高度和云底高度中得到平均 CBLH。Cimini 等人利

用 STRAT-2D 方法，结合微波辐射计提供的亮温资料反演得到混合层高度。尽管

STRAT-2D 被广泛地应用于确定有云情况下的边界层高度，边界层高度终究对应于

该方法确定的 3 个梯度高度中的哪一个高度目前依然不是很明朗。此外，需要结

合一些额外的辅助方法或其他资料来最终确定 CBLH。

Li 等人通过使用一个客观的

高度阈值作为上限高度来反演有云情况下的边界层高度。不同于 Cheng 等人的研

究，Li 等人研究使用由微波辐射计提供的温度资料计算的抬升凝结高度 CCL 作为

反演 CBLH 的阈值高度，即只有 CCL 以下的 NRB 资料被用来反演边界层高度。该

方法在一定程度上减弱了位于自由大气的云层对于边界层高度反演的干扰。然

而，该方法最大的缺点是阈值高度的计算不仅依赖于其他资料，而且依赖于 CCL

计算的准确性。

那么如何在不借助其他方法或资料的情况下，仅依靠激光雷达 NRB 资料，准

确判定云层并有效剔除云对反演 CBLH 的影响，从而准确反演有云情况下的 CBLH

是目前应当考虑的问题。

发明内容

本发明提供了反演边界层高度的方法、装置、计算机设备及存储介质，用以

在不借助其他方法或资料的情况下，仅依靠激光雷达 NRB 资料，准确判定云层并

有效剔除云对反演边界层高度的影响，从而准确反演有云情况下的边界层高度。

本发明所提供的一种反演边界层高度的方法，其具体流程包括：

获取包含标准化的后向散射信号 NRB 信息的激光雷达资料。

根据激光雷达资料的 NRB 信息找到云层。

对云层进行判定，判定云层为边界层云或非边界层云；并针对边界层云和非

边界层云分别确定反演边界层高度的上限阈值高度。

针对云层，在不同的阈值高度以下，基于激光雷达资料反演对流边界层高度。