反演边界层高度的方法、装置、计算机设备及存储介质

摘要

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，涉及高度反演技术领域，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。本发明技术方案为：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。本发明同时提供了用于实施上述技术方案的装置、计算机设备及存储介质。

说明书

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2.5km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。

本发明实施例中，根据激光雷达资料NRB信息找到云层，还包括：根据NRB信息，计算NRB梯度和NRB相对梯度：在激光雷达资料中找到NRB的强正负梯度对层，NRB的强正负梯度对层中正梯度处的NRB相对梯度大于或等于设定的相对梯度阈值的梯度层判定为云层。

本发明实施例中，设定的相对梯度阈值为55％。

本发明实施例中，在激光雷达资料中找到NRB的强正负梯度对层，还包括：在激光雷达资料中，由上向下找到NRB最强负梯度，在最强负梯度以下第一设定范围内寻找最大正梯度，构成NRB的强正负梯度对层。

本发明实施例中，对云层进行判定，判定云层为边界层云或非边界层云，还包括：在基于激光雷达资料提供的NRB廓线找到的云层中，取海拔最低的云层，判定海拔最低的云为边界层云或非边界层云；在海拔最低的云层之下找到最强负梯度；海拔最低的云层之下的最强负梯度的高度为z₁；海拔最低的云层的云底高度为z₂；海拔最低的云层的云的上边界高度为z₃；NRB廓线的底部至z₁之间的NRB平均值为a₁；z₁和z₂之间的信号平均值为a₂：设定阈值为β；

若β×a₁<a₂<a₁，则海拔最低的云层为边界层云；

若a₂≥a₁或a₂≤β×a₁，则海拔最低的云层为非边界层云。

本发明实施例中，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，还包括：对于边界层云，将阈值高度确定在云层上边界以上NRB的正梯度第一次出现的位置。对于非边界层云，将阈值高度定义在云底以下第二设定范围内NRB开始增大的位置。

本发明实施例中，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，还包括：针对云层，在不同的阈值高度以下，利用梯度法、哈尔haar小波变换法、墨西哥帽Mexican Hat小波变换法和曲线拟合法分别反演对流边界层高度。

本发明另一实施例还提供了一种反演边界层高度的装置，该装置包括激光雷达资料获取模块，云层查找模块、云层判定模块以及反演模块：

激光雷达资料获取模块，用于获取包含标准化的后向散射信号NRB廓线信息的激光雷达资料，并将激光雷达资料发送至云层查找模块。

云层查找模块用于根据NRB信息找到云层，并将云层查找结果送入云层判定模块。

云层判定模块用于对云层进行判定，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，并将云层判定结果送入反演模块。

反演模块用于针对云层，基于激光雷达资料，在不同的阈值高度以下，反演对流边界层高度。

本发明另一实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如以上任一实施例提供的方法。

本发明另一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如以上任一实施例提供的方法。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的反演边界层高度的方法流程示意图；

图2为本发明另外一个实施例提供的反演边界层高度的装置结构示意图；

图3为2010年9月3日20:00BJT(北京时间)的榆中探空站的位温廓线和SACOL站的标准化的NRB廓线以及所反演的对流边界层高度。图3(a)为位温廓线以及用1.5度位温增量法反演的CBLH；图3(b)为NRB廓线以及由GD方法、H-WCT方法，MH-WCT方法和CF方法不加任何限制情况下反演的CBLH；图(c)为NRB廓线以及由GD方法、H-WCT方法，MH-WCT方法和CF方法在阈值高度限制之下反演的CBLH。

图4(a)、(b)、(c)、(d)为21个有云个例20:00BJT由基于激光雷达资料分别利用GD，H-WCT，MH-WCT和CF反演的CBLH(横坐标)和基于位温廓线利用1.5度位温增量法反演的CBLH(纵坐标)的结果对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例提供了一种反演边界层高度的方法，主要针对有云情况下的边界层高度的反演，该方法流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

S101、获取包含标准化的后向散射信号NRB信息的激光雷达资料。

S102、根据激光雷达资料的NRB信息找到云层。

该步骤具体包括如下：根据NRB信息，计算NRB梯度和NRB相对梯度；在激光雷达资料中找到NRB的强正负梯度对层，即在激光雷达资料中，由上向下找到NRB最强负梯度，在最强负梯度以下设定范围内寻找最大正梯度，构成NRB的强正负梯度对层。

NRB的强正负梯度层中正梯度处的NRB相对梯度大于或等于设定的相对梯度阈值的层判定为云层。

在激光雷达资料中，由上向下找到NRB最强负梯度，在最强负梯度以下第一设定范围内寻找最大正梯度，构成正负NRB梯度对层。本发明实施例中，第一设定范围为1千米km。

本发明实施例中，设定的相对梯度阈值为55％。即对于强的成对正负梯度对层(正梯度在下，负梯度在上)，正梯度处的相对梯度达到55％的层结在本发明中被判定为云层。

S103、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。

在基于激光雷达资料提供的NRB廓线找到的云层中，取海拔最低的云层，判定海拔最低的云为边界层云或非边界层云。

在海拔最低的云层之下找到最强负梯度。

海拔最低的云层之下的最强负梯度的高度为z₁。海拔最低的云层的云底高度为z₂。海拔最低的云层的云的上边界高度为z₃。NRB廓线的底部至z₁之间的NRB平均值为a₁。z₁和z₂之间的信号平均值为a₂。设定阈值为β。本发明实施例中，设定阈值为75％。

若β×a₁<a₂<a₁，则海拔最低的云层为边界层云；

若a₂≥a₁或a₂≤β×a₁，则海拔最低的云层为非边界层云。

对于边界层云，将阈值高度确定在云层上边界以上NRB的正梯度第一次出现的位置。

对于非边界层云，将阈值高度定义在云底以下第二设定范围内NRB开始增大的位置。本发明实施例中，第二设定范围设定的尽量小，即使得阈值高度定义在靠近云底的NRB开始增大的位置。

S104、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。

本实施例中，针对云层，在不同的阈值高度以下，利用梯度法、哈尔haar小波变换法、墨西哥帽Mexican Hat小波变换法和曲线拟合法分别反演对流边界层高度。

实施例2

本发明的另外一个实施例提供了一种反演边界层高度的装置，用于实施上述任一实施例提供的反演边界层高度的方法，该装置包括激光雷达资料获取模块，云层查找模块、云层判定模块以及反演模块，具体结构如图2所示。

激光雷达资料获取模块201，用于获取包含标准化的后向散射信号NRB廓线信息的激光雷达资料，并将激光雷达资料发送至云层查找模块202；

云层查找模块202，用于根据NRB信息找到云层，并将云层查找结果送入云层判定模块203；

云层判定模块203，用于对云层进行判定，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，并将云层判定结果送入反演模块204；

反演模块204，用于针对云层，基于激光雷达资料，在不同的阈值高度以下，反演对流边界层高度。

实施例3

一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现以下步骤：

获取包含标准化的后向散射信号NRB廓线信息的激光雷达资料；

根据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。

实施例4

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取包含标准化的后向散射信号NRB廓线信息的激光雷达资料；

根据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。

实施例5

本发明实施例提出一种新的更简单有效并不受下垫面影响的高度阈值法来剔除云对边界层高度反演的干扰，并基于兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL；35.95°N，104.14°E；海拔高度1965.8m)的激光雷达资料利用GD、CF，H-WCT和MH-WCT反演有云情况下的CBLH。云层的判定，阈值高度的确定以及最终CBLH的确定仅依赖于激光雷达后向散射信号。同时，在确定云层的基础上，通过分析云层以下NRB的连续性区分云是边界层云或位于边界层以上的云即非边界层云。针对不同的云层位置情形分别提出反演边界层高度的阈值高度。此外，利用由榆中站(35.87°N，104.15°E；海拔高度1875m；与SACOL站的水平距离为8.3km，海拔高度比SACOL低90.8m)的探空位温廓线基于1.5度位温增量法计算的CBLH诊断上述反演的CBLH，评估该方法的合理性。

图3为2010年9月3日20:00BJT的榆中探空站的位温廓线和SACOL站的标准化的NRB廓线以及所反演的对流边界层高度。图(a)为位温廓线以及用1.5度位温增量法反演的CBLH(黑色实线)。可以看出，由1.5度位温增量法反演的CBLH为1.46km。NRB廓线以及由GD方法、H-WCT方法，MH-WCT方法和CF方法反演的CBLH如图(b)(反演不加任何限制)和图(c)(在阈值高度限制之下反演)所示。由NRB廓线结合NRB相对梯度得知，在2.8km至3.2km之间有一层云存在。同时，由各种方法反演的边界层高度均位于云的上边界附近，平均为3.15km，远远高于由1.5度位温增量法反演的边界层高度。在给予限制高度之后，由各种方法反演的边界层高度平均为1.55km，相比于不加限制显然更加合理。

图4为21个有云个例20:00BJT由基于激光雷达资料分别利用GD，H-WCT，MH-WCT和CF反演的CBLH(横坐标)和基于位温廓线利用1.5度位温增量法反演的CBLH(纵坐标)的结果对比。三角形点代表不加任何限制反演的CBLH结果比较，米字点代表给予限制之后的反演的CBLH结果对比。可以看出，不加任何限制时，除少数个例外，大多数三角形点远离1:1线零散分布于1:1线的右下方，即有云存在时基于激光雷达资料的不同方法反演的边界层高度大多数远远高于由1.5度位温增量法反演的边界层高度。相比之下，在阈值高度限制之下反演的边界层高度(米字点)集中分布在1:1线附近，即基于两种探测工具，不同探测方法反演的边界层高度都比较接近。由此说明，由激光雷达资料反演CBLH时，云会对其产生严重干扰，而该发明提出的阈值高度能够有效提出云的干扰，在有云情况下反演得到较为准确合理的边界层高度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。