遥感方法研究与城市空气污染有关的边界层结构外文翻译资料

 2022-11-30 16:13:45

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遥感方法研究与城市空气污染有关的边界层结构

Stefan Emeis · Klaus Schauml;fer

摘要 利用光学（云高仪）和声学（声雷达）方法同时进行的基于地表的遥感，可以以高时间分辨率推演出大气边界层结构的日变化。对流边界层，夜间稳定表层和残留层主要可以从测量的气溶胶浓度和热波动的垂直廓线中确定。这两种遥感技术的能力在两个不同地点和两个季节的不同例子中显示出来，解决了对城市空气质量评估的影响。

关键词 空气污染评估 云高仪 日变化 混合层高度 遥感 声雷达

  1. 引言

大气边界层的热力结构和混合层高度（MLH）是评估空气质量和空气污染垂直分布的基本量，因为它们决定和限制了在地面附近形成或排放的挥发性物质垂直扩散的速度和范围。由于通常认为大多数造成大气光学厚度的气溶胶粒子被限制在混合层中，因此也可以利用混合层高度的知识将由卫星测量得到的光学厚度转化成近地面空气质量信息（Sarigiannis等人2002,2003,2004; Sifakis等人1998,2003）。

垂直分散和混合层高度严重依赖天气形势。在春季和夏季，在晴天陆地上，可以观察到这些现象极其明显的日变化。Stull（1988,p.11）发表了一个众所周知的体系，展示了白天对流边界层（CBL），夜间稳定的表层边界层（SBL） 以及在夜间新生成的夜间稳定层上的保留的残留层。

在欧洲中部，CBL和剩余层顶能很容易到达2000m，且大多数发生在春季和夏季，因此，测量这些层的存在和垂直范围是极其困难的。Seibert等人（2000）已经给出了确定混合层高度方法的概述；最近在COST 715行动中，进行了一项关于城市空气质量的调查(Piringer and Joffre 2005)，使用现代化地面遥感技术来跟踪这些层的日变化似乎是由希望的。Beyrich(1997)列举了使用雷达的声反向散射强度产生的可能性。Emeis and Tuuml;rk (2004)描述了一种提高的方法，这种方法同时利用了反向散射强度和垂直速度分量的方差。由于声波在大气中被相当有效地抑制了，所以声雷达的垂直范围被限制在大约1km的范围内，而光学遥感提供了至少几公里更高的高度范围。在Schauml;fer等人的文章中提出了根据云高仪测量的光学后向散射强度估算混合层高度（2004年），在Muuml;nkel和Rauml;sauml;nen（2004）的文章中讨论了这种方法的进一步的工具性发展。

声学遥感主要依赖于大气中热量不均匀性的后向散射(Tatarskii, 1961)；光学遥感则由固体和液体粒子在与光的波长大小时的后向散射(Fiocco and Smullin 1963)。热力结构和气溶胶内容这两种特征往往是相互关联的，这一结论已经被Emeis等人（2004）所证明，他们比较了由声学，电磁和光学遥感设备获得的边界层结构。主要地，气溶胶内容遵循着大气的热力结构特征，例如，CBL随着上午和中午高度逐渐增加。但在某些情况下，可以观察到一个截然不同的现象。最值得注意的是，在傍晚的晴天，在日落附近，在近地面会形成一个新的热力稳定层。但这种形成不会影响在白天CBL下演变的已经存在于空中的气溶胶浓度。因此，气溶胶含量暗示着空中剩余层的的存在和程度，并且热力结构描述了近地面新生成的地面层，这将导致声雷达和云高仪检测到的混合层高度产生巨大差异。

本文的目的在于评估在布达佩斯（匈牙利）市和慕尼黑市（德国）周围同时用云高仪核声雷达测量，以分析边界层的结构和日变化，来证明同步使用云高仪和声雷达测量的价值。

  1. 仪器和观测站点
    1. 云高仪

维萨拉单镜头云高仪LD40（Muuml;nkel等，2004）分别于2003年7月在布达佩斯市中心，于2003年5月，11月底和12月份在慕尼黑附近的弗朗肯多夫，被用来进行测量光学后向散射强度，15秒内平均为0.9mu;m。该仪器典型的垂直范围在4000m，这里使用的垂直分辨率为7.5m。除了强烈的云雾后向散射外，后向散射梯度的减弱主要取决于悬浮在空气中的气溶胶粒子的数量和尺度谱。这些后面的梯度将会在这里使用。

    1. 声雷达

METEK DSD3times;7单静态多普勒雷达（Reitebuch和Emeis 1998）有三个天线，每个天线有七个声音传感器（即一个既可以作为扬声器也可以作为传声器的设备，具体取决于测量周期的相位），工作频率大约在1500Hz。该仪器适用于在高达地面1300m的远距离探测，无需外部噪声源。在这里，反向散射强度的垂直距离为1200米，垂直分辨率为30米，时间平均超过10分钟。声学反向散射强度主要由湍流温度波动和较强的平均垂直温度梯度如反演决定。

根据返回信号中的多普勒频移确定所有三个平均风分量和垂直速度分量sigma;w的变化需要一定的信噪比，因此来自雷达测量的这些变量的垂直范围强烈依赖于气象条件。这个范围比用后向散射强度低很多，一般在几百米到大约1000米之间变化。

    1. 观测站点

在ICAROS NET项目的框架下，四项观测项目分别在布达佩斯和慕尼黑周边地区（慕尼黑附近地区基本上是平坦的）的冬季和夏季进行（Schauml;fer 等, 2004b），来发展和评估一种基于将光学厚度转化为近地面不同地点和季节的空气质量信息的卫星监测方法（Sarigiannis et al. 2003, 2004）。每个观测活动持续3—4周。云高仪在慕尼黑东北部的弗朗肯多夫运行；声雷达在慕尼黑西部菲尔斯滕费尔德布鲁克的军事机场运行，两地距离大约50km。布达佩斯坐落在多瑙河上，云高仪在安装在市中心靠近河流的的屋顶上，而声雷达位于市中心西侧的核研究中心KFKI上方，高出多瑙河200m。两个站之间的距离大约10km。无线电探空仪10868“Munich Oberschleissheim”位于慕尼黑一杯10km处，大约位于Frankendorf和Fuuml;rstenfeldbruck连线之间，高于海平面484m；12843站“布达佩斯/洛林”位于布达佩斯市中心东北约20公里处，高于海平面138m。

  1. 方法

根据声学和光学遥感数据，通过自动化程序进行以下特征分析：湍流层（H1）的高度表征为由于热力波动引起的高声学后向散射强度和高的垂直速度分量(sigma;w)方差；基于地面或上升反转的高度（H2）表征为由于温度随高度和急剧升高同时sigma;w低而产生的高声学后向散射；以及基于地面的气溶胶层的高度（H3）表征为由于高气溶胶浓度而导致的高光学后向散射。

从云高仪测量得到的H3的程序要找到光学后向散射强大垂直梯度的最大值，为此，计算经过一段时间10分钟（40个数据点）和垂直方向上180米的平均移动；对于低于90米的高度，相应的调整平均过程。然后从高度为90米以上的平均后向散射值和90米以下的后向散射值两者的差值中获得在高度h上的后向散射强度的垂直梯度。该方案在Schauml;fer 等. (2004a)中有具体细节描述。

用于确定H1的方案从下方扫描反向散射数据，并检测声学后向散射强度降低到给定阈值以下的最低水平。H2的算法则找垂直声学后向散射廓线的次级最大值，并取sigma;w小于0.7m / s的最小值。如果基于地表的后向散射强度的最大值高于给定的阈值，而sigma;w小于0.3m / s，那么则取最大值的高度。阈值取决于雷达仪器和所选的时间和垂直分辨率。极限sigma;w的值阻止了该方案在白天由于热力引起的湍流活动而检测到的强回报。详细信息在Emeis和Tuuml;rk (2004)中给出。

雷达的声学遥感在也可以获得风场，原则上也可用于确定混合层高度。在布达佩斯的夏季期间，风的信息仅能获得低于反演的高度；高于反演高度，对于多普勒移风分析，信噪比太低。在慕尼黑附近的冬季期间，也能获得高于反演高度以上的风的信息资料，并显示反演时强烈的风速和风向的剪切。由于反演高度之上的风资料并不经常可获得，所以在该方案中风并没有被包含进来决定混合层高度。在被呈现的结果显示，对于大多数日期，无线电探空仪在中午的信息是可获得的，对于有些日期，这样的信息也在午夜能够得到。无线电探空仪廓线中反演得到的温度梯度（随着高度的增加而增加的潜在温度）和/或湿度（随高度降低的相对湿度）还未在上述对H1，H2，H3的确定各种使用过，而仅仅是作为如下的比较结果。

  1. 结果

这里选择了两种不同的气象条件进行讨论。第一个案例包括在布达佩斯（几乎）无云且小风的夏季，第二个案例是慕尼黑地区阿尔卑斯山以北的冬季焚风。对于这两种情况，我们将会比较同时用两种仪器测量得到的三组不同信息：湍流层高度H1，基于地表或抬升反转的H2，以及基于地表的气溶胶层H3。从这三个高度的日变化及其相互比较中，我们将推导出整个边界层结构的日变化。从无线电探空仪数据所得到的反演将在图表中显示出来。

图1展示了2003年7月布达佩斯夏季的四个案例，以及从无线电探空仪信息中获得的反演高度。考虑到图1所示的地面向上2800米的高度区间，声雷达和云高仪之间的高度差异（大约150米）并不重要。这两个顶部框架呈现出夜间气溶胶层（H3）的高度与至少某些时间的夜晚和早晨的夜间湍流层和地表反演（H1和H2）重合的日子。在更高的高度上的剩余回报可能是来自剩余层的顶部（这在图左侧7月6日午夜之后不久的无线电探空仪信息得到证实）。在UTC时间约06时（当地时间约为07时，当地夏令时为08时）时，基于地表的反演迅速消失，并且在雷达范围内，混合层顶部不再能被确定。两三个消失之后，气溶胶层（H3）开始上升并且在午时左右（右上框架）或在下午（左上框架）达到其最大程度。在UTC16时至18时之间，太阳辐照度已经充分衰减，形成了新的地表反转。气溶胶层的顶部依旧在其下午的最大高度上保持了几个小时，表明形成了残留层。晚上晚些时候，在SBL中近地面的气溶胶浓度再次上升，并且气溶胶层和湍流层再次重合。

夜间残留层顶部和白天CBL的高度也受到了天气尺度上的垂直运动的影响。在7月7日至7月8日夜间，7月9日上午，NCEP全球预报系统（http://profi.wetteronline.de/w700_frame.htm和w925_frame.htm）的气象分析结果显示，在700hPa和925hPa高度上的下沉运动；7月9日晚在这些高度分析出有上升运动。这些天气尺度影响从图1中H3的日变化中清晰可见。

图1 根据云高仪（H3，三角形）和声雷达数据（星号：基于地面和升沉的反演，H2;正方形：湍流层顶部，H1），2003年7月在布达佩斯的混合层高度的日变化。 左上：7月6日，右上：7月7日，左下：7月9日，右下：7月15日。有关反演的无线电探空资料已被绘制成粗棒

图1的下两个图标内显示了两个实例，其中气溶胶层的顶部保持在1500和2600米之间，而与近地层的热力结构无关。在左边的图表中（7月9日）可以观察到一个由声雷达观测到的在UTC 06时之前和UTC 17点30之后，有一个稳定的边界层。在混合层高度之间的对于声雷达是超出范围的。在右边的图表中，早上可以区分两个气溶胶层，在0600 UTC到1000 UTC和UTC1200左右，从云高仪数据中永久（从0600到0900 UTC）或间歇性（从0900到1200 UTC）分析第二个较低层。检测算法的结果取决于对后向散射强度更强的分析：在较低层的顶部或上层的顶部。较低层跟随CBL的上升而很好的上升，但延迟了大约两个小时。这种延迟也从图1上部的前两种情况可以看出。在这里，早上气溶胶层（H3）的厚度增加开始的时间晚于湍流层H1深度的相应增加。

图2显示了2—3年12月慕尼黑附近发生的一起冬季焚风的两个例子。再次将从无线电探空仪测量（似乎有两个到三个不同稳定层一个在另一个之上）的反演高度绘制表格用于比较。左边的例子显示了近地表焚风反演如此强烈（几℃）以至于白天没有消失，由于太阳辐照度较弱，此外，地表的加热被焚风反演下的雾层阻挡。焚风反演很好的描述了从雷达数据中提取的反演抬升高度（H2）以及从云高仪数据得到的气溶胶或雾层（H3）。H2和H3之间约50米的系统差异是由于两个测量点之间不同的高度。慕尼黑东北部云高仪测量的地点高度比慕尼黑西部雷达放置的点低50米左右。

这种系统性的差异从一天观测中可以看出，清楚地表明，焚风反演是真的水平且水平均一的。这一结论得到了慕尼黑以北的无线电探空仪数据也同样显示出一样的高度的事实支持。从声雷达数据获得的湍流层（H1）的高度比焚风反演高几百米，虽然无线电探空仪的温度廓线表明稳定层结可以持续到地面以上400至600米，但由于这一层的垂直风切边，这种反演可能存在湍流。图2 右边的例子显示了焚风反演由于一个弱冷锋的通过，所以这次的焚风反演被破坏了。基于地面的反演演变为一个抬升反演（H2），并且在UTC08时到UTC14时从100米抬升到大约地面以上400m。这种升高从气溶胶层（H3）的高度也是立即可见的。UTC 14时之后的下午，一个新的SBL在150m一下行程，由于这种焚风情况的下沉运动的特征，气溶胶层的高度再次下降。

图2 如图1，但是在2003年12月的慕尼黑混合层高度的日变化

  1. 讨论

所呈现的例子显示并得到可利用的无线电探空仪信息的支持，即光学和声学遥感技术的组合应用能够检测大气边界层的垂直结构的日变化可达3000m。在晴朗的天空中，夜间稳定的表层

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