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　　摘要

　　大氣邊界層高度是表征近地面大氣擴(kuò)散能力的關(guān)鍵參數(shù)，在空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、氣象應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。手持激光測(cè)云儀具備輕便易攜、快速布設(shè)的特點(diǎn)，除云底高度觀測(cè)外，還可利用大氣后向散射廓線開(kāi)展大氣邊界層高度探測(cè)。本文闡述手持激光測(cè)云儀探測(cè)大氣邊界層的技術(shù)原理，介紹現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)實(shí)踐流程，分析探測(cè)過(guò)程中的難點(diǎn)與優(yōu)化手段，為野外機(jī)動(dòng)式邊界層觀測(cè)工作提供實(shí)踐參考。

　　1 引言

　　大氣邊界層是貼近地表、受下墊面影響顯著的大氣層區(qū)域，邊界層高度直接決定污染物垂直擴(kuò)散空間。傳統(tǒng)邊界層觀測(cè)多依靠固定站點(diǎn)激光雷達(dá)、探空氣球，設(shè)備笨重，轉(zhuǎn)場(chǎng)部署成本高，難以滿足多點(diǎn)機(jī)動(dòng)觀測(cè)需求。手持激光測(cè)云儀體積小巧，單人即可完成架設(shè)與操作，適合野外流動(dòng)監(jiān)測(cè)。利用其后向散射信號(hào)反演邊界層高度，可快速獲取近地層大氣結(jié)構(gòu)信息，彌補(bǔ)大型觀測(cè)設(shè)備機(jī)動(dòng)能力不足的短板。

　　2 探測(cè)基本原理

　　手持激光測(cè)云儀發(fā)射脈沖激光，激光垂直向上傳播，大氣中氣溶膠粒子產(chǎn)生后向散射信號(hào)。接收系統(tǒng)捕獲回波，得到后向散射強(qiáng)度隨高度變化的廓線。大氣邊界層內(nèi)部氣溶膠濃度較高，回波信號(hào)較強(qiáng);邊界層上方自由大氣氣溶膠含量低，回波強(qiáng)度明顯下降。邊界層高度就是廓線信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生快速衰減的位置。

　　設(shè)備原有算法主要用于識(shí)別云底，探測(cè)邊界層時(shí)，需要對(duì)原始回波數(shù)據(jù)做二次反演。常用識(shí)別方法包括梯度法、小波協(xié)方差法，通過(guò)定位回波強(qiáng)度突變位置，確定邊界層頂高度。手持設(shè)備內(nèi)置姿態(tài)傳感單元，對(duì)人工手持架設(shè)帶來(lái)的微小傾斜進(jìn)行校正，降低光路偏移帶來(lái)的高度誤差。

　　3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)實(shí)踐流程

　　探測(cè)前期準(zhǔn)備，檢查設(shè)備電量、光學(xué)窗口狀態(tài)，清理鏡頭表面灰塵、水汽。觀測(cè)點(diǎn)位盡量遠(yuǎn)離高大建筑、樹(shù)木，避免遮擋光路。設(shè)備垂直架設(shè)，靜置一段時(shí)間待信號(hào)穩(wěn)定后啟動(dòng)連續(xù)采集，同步記錄現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、風(fēng)速等輔助氣象數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)采集階段，單次觀測(cè)持續(xù)一段時(shí)間，獲取多組廓線數(shù)據(jù)。野外環(huán)境變化較快，需要持續(xù)記錄環(huán)境變化情況，沙塵、局地對(duì)流都會(huì)改變氣溶膠分布。采集完成后導(dǎo)出原始回波數(shù)據(jù)，開(kāi)展離線反演。

　　數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，先對(duì)原始信號(hào)做基線扣除、平滑降噪，剔除手持抖動(dòng)、飛鳥(niǎo)等瞬時(shí)干擾信號(hào)。選用合適的邊界層識(shí)別算法提取高度值，對(duì)多組結(jié)果做平均，剔除異常值。同時(shí)對(duì)比同期氣象資料，對(duì)反演結(jié)果做合理性檢驗(yàn)。

　　4 實(shí)踐中的主要問(wèn)題

　　設(shè)備手持架設(shè)易產(chǎn)生晃動(dòng)與傾斜，造成廓線畸變，引入隨機(jī)誤差。日出日落時(shí)段，邊界層快速演變，氣溶膠廓線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，算法識(shí)別難度提升。強(qiáng)沙塵、濃霧天氣，氣溶膠分布均勻，回波強(qiáng)度梯度不明顯，邊界層頂難以分辨。白天強(qiáng)光背景會(huì)抬高噪聲水平，降低低層廓線數(shù)據(jù)質(zhì)量。另外手持激光測(cè)云儀最大探測(cè)高度有限，當(dāng)邊界層發(fā)展較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)探測(cè)量程不足的情況。

　　5 優(yōu)化措施

　　現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)盡量使用簡(jiǎn)易支架固定設(shè)備，減少手持晃動(dòng)。優(yōu)先選擇梯度法結(jié)合時(shí)序連續(xù)性判斷算法，提升復(fù)雜廓線識(shí)別穩(wěn)定性。多點(diǎn)同步觀測(cè)，結(jié)合溫濕度數(shù)據(jù)輔助判斷邊界層結(jié)構(gòu)。避開(kāi)正午強(qiáng)光時(shí)段開(kāi)展觀測(cè)，定期清潔光學(xué)窗口，減少光路損耗。開(kāi)展比對(duì)試驗(yàn)，將手持設(shè)備反演結(jié)果與探空數(shù)據(jù)對(duì)照，修正算法參數(shù)。

　　6 結(jié)論

　　手持激光測(cè)云儀可以實(shí)現(xiàn)大氣邊界層高度機(jī)動(dòng)探測(cè)，適合野外應(yīng)急、多點(diǎn)流動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)景。但受設(shè)備量程、手持姿態(tài)、復(fù)雜氣溶膠結(jié)構(gòu)限制，在邊界層較高或者氣溶膠垂直分布均勻時(shí)探測(cè)效果受限。采用支架固定、優(yōu)化反演算法并配合輔助氣象觀測(cè)，能夠有效提升探測(cè)結(jié)果可靠性。該設(shè)備可作為大型雷達(dá)、探空觀測(cè)的補(bǔ)充手段，在大氣環(huán)境野外監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮實(shí)用價(jià)值。