手持激光测云仪大气边界层高度探测技术实践

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　　摘要

　　大气边界层高度是表征近地面大气扩散能力的关键参数，在空气质量预报、气象应急监测领域应用广泛。手持激光测云仪具备轻便易携、快速布设的特点，除云底高度观测外，还可利用大气后向散射廓线开展大气边界层高度探测。本文阐述手持激光测云仪探测大气边界层的技术原理，介绍现场探测实践流程，分析探测过程中的难点与优化手段，为野外机动式边界层观测工作提供实践参考。

　　1 引言

　　大气边界层是贴近地表、受下垫面影响显著的大气层区域，边界层高度直接决定污染物垂直扩散空间。传统边界层观测多依靠固定站点激光雷达、探空气球，设备笨重，转场部署成本高，难以满足多点机动观测需求。手持激光测云仪体积小巧，单人即可完成架设与操作，适合野外流动监测。利用其后向散射信号反演边界层高度，可快速获取近地层大气结构信息，弥补大型观测设备机动能力不足的短板。

　　2 探测基本原理

　　手持激光测云仪发射脉冲激光，激光垂直向上传播，大气中气溶胶粒子产生后向散射信号。接收系统捕获回波，得到后向散射强度随高度变化的廓线。大气边界层内部气溶胶浓度较高，回波信号较强;边界层上方自由大气气溶胶含量低，回波强度明显下降。边界层高度就是廓线信号强度发生快速衰减的位置。

　　设备原有算法主要用于识别云底，探测边界层时，需要对原始回波数据做二次反演。常用识别方法包括梯度法、小波协方差法，通过定位回波强度突变位置，确定边界层顶高度。手持设备内置姿态传感单元，对人工手持架设带来的微小倾斜进行校正，降低光路偏移带来的高度误差。

　　3 现场探测实践流程

　　探测前期准备，检查设备电量、光学窗口状态，清理镜头表面灰尘、水汽。观测点位尽量远离高大建筑、树木，避免遮挡光路。设备垂直架设，静置一段时间待信号稳定后启动连续采集，同步记录现场温湿度、风速等辅助气象数据。

　　数据采集阶段，单次观测持续一段时间，获取多组廓线数据。野外环境变化较快，需要持续记录环境变化情况，沙尘、局地对流都会改变气溶胶分布。采集完成后导出原始回波数据，开展离线反演。

　　数据处理环节，先对原始信号做基线扣除、平滑降噪，剔除手持抖动、飞鸟等瞬时干扰信号。选用合适的边界层识别算法提取高度值，对多组结果做平均，剔除异常值。同时对比同期气象资料，对反演结果做合理性检验。

　　4 实践中的主要问题

　　设备手持架设易产生晃动与倾斜，造成廓线畸变，引入随机误差。日出日落时段，边界层快速演变，气溶胶廓线结构复杂，容易出现多层结构，算法识别难度提升。强沙尘、浓雾天气，气溶胶分布均匀，回波强度梯度不明显，边界层顶难以分辨。白天强光背景会抬高噪声水平，降低低层廓线数据质量。另外手持激光测云仪最大探测高度有限，当边界层发展较高时，会出现探测量程不足的情况。

　　5 优化措施

　　现场观测尽量使用简易支架固定设备，减少手持晃动。优先选择梯度法结合时序连续性判断算法，提升复杂廓线识别稳定性。多点同步观测，结合温湿度数据辅助判断边界层结构。避开正午强光时段开展观测，定期清洁光学窗口，减少光路损耗。开展比对试验，将手持设备反演结果与探空数据对照，修正算法参数。

　　6 结论

　　手持激光测云仪可以实现大气边界层高度机动探测，适合野外应急、多点流动观测场景。但受设备量程、手持姿态、复杂气溶胶结构限制，在边界层较高或者气溶胶垂直分布均匀时探测效果受限。采用支架固定、优化反演算法并配合辅助气象观测，能够有效提升探测结果可靠性。该设备可作为大型雷达、探空观测的补充手段，在大气环境野外监测工作中发挥实用价值。