大气边界层探测技术初步分析

料， 常规 的高 空探 测 资 料一 般 难 以满 足 。常 用 的
边 界层探 测方法 主要有 以下 几类 。 ２ １ 系留气球 探测 ．
（ ）位置 固定 ， 得 气 象塔 对 边 界 层 研究 的 ２ 使 目的难 以兼 顾 。气 象塔 用于研 究大气 边 界层 的基
系 留气 球作 为低空 探测Fra bibliotek 备 能 比较 直观地获
作 者 简 介 ： 超 超 （９ ６ ） 男 ， 熊 １ ８ 一 ， 大学 ， 程 师 ． 究 方 向 ： 事 大气 探 测 理 论 与 技 术 ． 工 研 军
・
７ ・ ８
气 象 水 文 海 洋 仪 器 时 的风 向 ， 用其 中的 一 套读 数 。为 了使各 个 高 选
度、 湿度 、 风速 等 ） 均量 和脉动 量测量 ； 平 湍流通 量
密 度 比较 重 要 。
大气 边界层 的探测 手 段 极 其 丰富 ， 规 的 高 常
空探测 资料一 般 都 包 括边 界 层 的 资料 。此 外 ， 应
用 Ｇ Ｓ探 测 和 飞 机 探 测 也 是 有 效 的探 测 手 段 。 Ｐ
边 界层 的研究 ， 常需 要 高 密度 高 精 度 的探 测 资 经
边 界 层 按 其 热 动 力 学 及 相 应 的湍 流 特 征 可 分 为 不 稳 定 、 定 和 近 中 性 ３类 ， 界 层 高 度 随 地 表 特 稳 边
。
近年 来 ， 内外 重 大 气 象 实 验 大 都 把大 气 边 国
界 层 研 究 作 为 核 心 的 科 学 内 容 之 一 。如 ：
界层探 测范 围和 内容还 在 不断扩展 。
测仪 器 ， 备 计 算 机 系 统 ， 配 以实 现 观 测 程 序 和 记 录、 资料储 存 和处 理 的 自动化 。 气象塔 有 以下几个 缺点 ： （ ）气象 塔 造 价 比较 昂 贵 ， 以在 边 界 层 水 １ 难
平研究 需要 的尺 度 上组 网探 测 ， 能在 平 面 上 形 不 成高 密度 的数 据 。而 在边 界 层 的研 究 中 ， 据 的 数
ａ ｍｏｓ ｅ ｉ ｕｎ ｒ ａ ｒ ｓ ｎｄ ｎｇ ｉ ｉ ｃ ｓ ｄ ｉ ｈｅ ｌ ｓ ｒ ． ｔ ｐｈ ｒｃ ｂｏ ｄａ ｙ ｌｙｅ ｏｕ ｉ ｓ ｄ ｓ ｕｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔｐａ ｔ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ａ ｍｏｓ ｅ ｉ ｕｎ ｒ ａ ｒｓ ｕｎ ｎｇ；ｅ ｈｅ ｅ ｌｏ ｎ；ａ ｅ ａ ａ ； ｎｄ ｐｒ ｉｅ ａ ａ ｄ ：ｔ ｐｈ ｒｃ ｂｏ ｄａ ｙ ｌｙｅ ｏ ｄｉ ｔ ｔ ｒ ｄ ｂａ ｌ ｏ ｌ ｓ ｒ ｒ ｄ ｒ ｗｉ ｏｆｌ ｒ ｒ ｄ ｒ
０ 引 言
大气 边 界层 是 和 人 类关 系最 为 密 切 的一 层 ， 是人 类 活动 和各项 生 态环 境构 成 的主要 层次 。大 气边 界层 的科 学进 展 是气 象学 发展 的重 要标 志之
一
是地 球表 面 与 自由大气 间 进行 物质 、 能量 、 热量 和
水 气 交 换 必 经 的 气 层 。大 气 边 界 层 内 运 动 的 主 要
得边 界层 的气象 状况 ， 它包括 温度 、 湿度 、 压 、 气 风 向、 风速 等参数 及 其短 期 变化 的测 量 仪器 以及用
本 规律 时 ， 求建 设 在 地表 特 性 均 匀 而平 坦 的地 要
区 。而用于 研究发 电厂 或试验 场所 等特定 场 区的
边 界层 大气 和环 境 污染 等情 况 时 ， 则应 建 于 特 定 的场 区 。因此 ， 以两 全 其美 。由 于气 象塔 的这 难 种 特征 ， 使得 边界层 的研 究都具 有一定 的区域性 ， 在进行边 界层 大 范 围研 究 时 ， 资料 的使 用 必须 进
２ ２ 测 风 塔 ．
声波 遥感 是利用 大气气 象要 素起 伏对声 波产 生 折射 、 散射 、 吸收 和衰减 的物 理特性 来推 断和估
计气 象要 素分 布特征 的大气 探测 方法 。声波是 机
测 风塔是 观测大气 边界层 气象 要素 铅直 分布
的设施 。随着大 气边 界和 污染 扩散研 究 工作 的开 展 ， 国陆续建造 了装有各种气 象观测仪 器的专用 各 气 象塔 ， 初期塔高约 １０ｒ 达到后来 的 ４ ０ｍ 以 从 ０ ｌ ｆ ０ 上 。此 外 ， 有利用 电视塔 、 还 电讯 塔等安 装气 象仪 器 进 行 观 测 的 ， 高度 可 以更 高 。１ ７ 其 ９ ９年 ， 中国 在 北 京北 郊 建 造 了 第一 座 塔 高 ３ ０ｍ 的专 用 气 ２ 象塔 。近年来 ， 国为 了普 查 风力 资 源 建造 了一 我 系列 的测 风塔有 望进 行长期 的组 网探测 。 气象 塔上仪 器 的安装 高度可根 据需 要和可 行
特点 是 其 湍 流 性 ， Ｒ ｙ ｏｄ 数 相 当大 ， 体 几 其 ｅ ｎ ｌｓ 流 乎总 是处 于 湍 流 状 态 ， 湍 流 度 很 大 ， 达 ２ 且 可 Ｏ 左右 。绝 大多 数发 生在 边界 层 中的物 理过 程都 是 通过 湍流输 送 来实 现 的 。由于热 力作 用而 导致 的 强烈 日变 化是 大气 边界 层 的一个 重要 特征 。大 气
＆ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｎａ ｊｎ １ １ １ ； ． ｈ ｎ ｈ ｉ ａ ｉｅＭ ｅｅ ｒ ｌｇ ｃ ｌＣ ｎｅ Ｓｈ ｎ ａ ０ ３ ０ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｎ ｉｇ ２ １ ０ ３ Ｓ ａ ｇ ａ ｒｎ ｔｏ ｏｏ ｉａ ｅ ｔｒ， ａ ｇｈ ｉ２ １ ０ ） Ｍ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｔ ｔ ｓ ｏｆｍｕｌｉｏｒ ｓ ｕｎ ｎｇ ｍ ｅ ｈｏ ｏ ｔ ｏ ｐ ｒ ｃ ｂｏ ｄａ ｙ ｌ ｙ ｒ ｓ ｖ ｒ ｌ ｓｒ ｃ ： ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｓ ａ ｕ ｔｆ ｍ ｏ ｄｉ ｔ ｄｓ ｆ ｒ ａ ｍ ｓ ｈｅ ｉ ｕｎ ｒ ａ ｅ ， ｅ ｅ ａ
Ｓ ｕ ｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｔ ｓ ｅ ｉ ｏ ｎ ａ ｙ ｌ ｙ ｒ ｏ ｎｄ ｎｇ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆａ ｍｏ ｐｈ ｒ ｃ ｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ
Ｘｉ ｎｇ Ｃｈａ ｃ ｏ 。 ｅ Ｌｉ ｉ 。． ｕ Ｗ ｅ ｏ ｏ ｈａ Ｘｉ ｐ ｎｇ Ｗ ｉ （ ． ｉｈ ｎ ｄｎ ｎ ｅＴｅｔＣｅ ｔｒｏ Ｃ ｉａ， ｉｈ ｎ ３ ０ １； ． ｎ ｔｔ ｔ ｆ Ｍｅｅ ｒ ｌｇ ＰＬ Ｕｎ ｖ ｒｉ Ｊ Ｓ ｉｎ ｅ １ Ｂａ ｃ ｅ ｇ Ｏｒ ａ ｃ ｓ ｎ ｅ ｆ ｈ ｎ Ｂａｃ ｅ ｇ １ ７ ０ ２ Ｉ ｓｉｕｅｏ ｔｏ ｏｏ ｙ， Ａ ｉｅｓｔ ｏ ｃｅ ｃ ｙ
性 决定 ， 常上疏 下密 ， 通 采用对 数 等间距 分布 。塔
械波， 其振 动 方 向和 传播 方 向一 致 ， 频率 较 低 。 且 由于大气 气象 要 素 的起 伏 引起 的声 波 的散 射 、 吸 收 和衰减都 比电磁 波 强 得 多 ， 因此 声 波 探测 大 气 的优点是灵 敏 度 高 ， 点 是 声 波在 大 气 中传 播 时 缺
ＨＡＰ ＥＸ ＯＢ ＬＨＹ， Ｆ ＴＯＧＡ， ＯＲＥＡＳ 等 Ｍ Ｉ ＦＩ Ｅ， Ｂ
重 大 国际性 大气科 学 研究 ， 国 已完成 的 ＨＥ Ｆ 我 ＩＥ
及 １ ９ 年 执 行观 测 的 四大 气象 实 验 、Ｍ ＲＡＳ ９８ Ｉ Ｇ Ｓ
和极 地观 察 活动等 。
征 、 节 和天气 背 景不 同 ， 季 每天可 在几 十 至几千 米 变化 。大 气边 界层 底部 从地 面 向上几 十米 一般 称 近地 层或 常通 量层 。
熊 超 超 ， 丽 萍 。 吴 维 谢 ，
（． 国 白城 兵 器 试 验 中 心 ， １中 白城 １７ ０ ；． 放 军 理 工 大 学 气象 学 院 ， 京 ２ １０ ；． 海 海 洋 气象 台 ， 海 ３０１２解 南 ｌ１１３上 上
２０ ０ １３ ０）
摘 要 ： 气 边 界 层 的探 测 方 法 呈 现 多 样 化 趋 势 ， 文 重 点 介 绍 了几 种 常 用 的 边 界 层 探 测 方 大 本
以及相 关特征 量 的测 量 ； 表 状况 及 其 过程 的测 地 量； 稀有 气体成 分 和 大气 污 染 物浓 度 和通 量 的测
度上 的仪 器具 有较 高 的 可 比较 性 ， 器 性 能必 需 仪
相同， 且还需 经 常进 行平 行 对 比。塔 上 可使 用 遥
量 。随着科技 水 平 的提 高 和科 研 的 深入 ， 气 边 大
第 ３期 ２１ ０ ０年 ９月
气 象 水 文 海 洋 仪 器
Ｍ ｅ ｅ ｒ ｌ ｇ ｃ １ Ｈ ｙ ｒ ｌｇ ｃ ｌａ ｄ Ｍ ａ ｉｅ Ｉ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｔ ｏ ｏ ｏ ｉａ 。 ｄ ｏ ｏ ｉａ ｎ ｒｎ ｎ ｔ ｕ ｎ ｓ
ＮＯ ３ ． Ｓｐ ２ ０ ｅ ． Ｏ１
大气 边 界 层 探 测 技 术 初 步分 析
１ 大 气 边 界 层 及 其 特 点
大 气 边 界 层 （ Ｉ 通 常 是 指 大 气 的 最 低 部 ＡＢ ）
２ 大气 边 界层 探 测 技 术
大气边 界层 探测 主 要包 括 ： 本气 象要 素 （ 基 温
分 受地 面直 接影 响 、 与地 面有直 接作 用 的气层 ， 并
收 稿 日期 ：０ ０ ０ —５ ２ １ —３ ２ ．
（ ）利用单 点声 雷达 探测 温度 层 结 。对 于 单 １ 点雷 达 而言 ， 线 是垂 直 安 置 的 ， 射 、 收共 用 天 发 接
一
上仪 器有 两类 ： 一类是 铅直梯 度观测 仪器 ， 测量 温
能 量耗散 大 ， 探测 高度 受到 限制 ， 主要用 于边界 层
探测 。
因为声波在 大气 中传播 速 度仅是 温 度和 风场
特性 的函数 ， 以所 谓声 波遥 感 ， 所 就是 根据 声 波在
大气 中传播 的散射 特性 和多 普勒 效应 探测 大气 中 的温度和风 场特性 。它具体有 以下 ３方面的应用 ：
ｏｆｃ ｍ ｏｎ ｅ ｈ ｓ ａ ｅ ｎ ｒ ｄｕｃ ｄ ｎｄ ｎ ｌ ｚ ｄ ｏ ｌ ｉ ｔ ｄ ｆｃ ｅ ｉｓ ｏｆ ｔ ｍ ．Ｔ ｈ ｐｒ ｓ ｅ ｔ ｆ ｏｍ ｍ ｔ ｏｄ ｒ ｉ ｔ ｏ ｅ ａ ａ ａ ｙ ｅ ｔ ｅｕｃｄａ ｅ ｅ ｉｉｎｃｅ ｈｅ ｅ ｏ ｐ ｃ ｏ
法 ， 进行 了初 步 的分析 ， 出 了探 测 方法 的 一些 缺 点和 不 足 。最 后 ， 文 就 大 气边 界 层探 测 并 指 本
发 展 方 向做 了 一 些 探 讨 。
关键 词 ： 气边 界层 探测 ； 留气球 ； 光 雷达 ； 廓 线雷达 大 系 激 风 中图分 类号 ： ４ ２ Ｐ １ 文献 标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ６０ ９ ２ １ ）３０ ７ —３ １ ０ —０ Ｘ（ ０ ０ ０ —０ ７０
（ ）气 象塔 上传感 器 的数据 获得 会 受塔 身对 ３
气 流和 温度 的影响 ， 从而造 成偏 差 。
２ ３ 遥 感 探 测 ．
２ ３ １ 声 波 遥 感 ． ．
据， 操作 比较 简单 、 动 方便 、 移 可重 复使 用 、 可野外 作业 。现代系 留气球也 可携带空基雷达进行探测 。
行 筛选 。
于长 期观测 和研 究 固定 高度上 的气象 状况 的智能
化探 测系统 。
以长 春 气象 仪 器 研究 所 Ｇ ＴＸⅡ系 留气球 低
空探 测系统 为例 ， 系 统 是 由地 面 和 高空 两部 分 该 组成 。地 面部分包 括绞 车 、 收机 、 据处 理系统 接 数 等 。高空部 分包括 探空包 和气 艇等 。该 系统 的最 大特点是可 以实时 采集并 存储 各个 参数 的测 量数