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基于机器学习的大气边界层高度预测方法研究

大气科学学报 2024年

作者：白嘉怡魏伟张宏昇车慧正中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室陕西省大气探测技术保障中心中国气象局地球系统数值预报中心中国气象局地球系统数值预报中心开放实验室北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室中国气象局大气化学重点开放实验室

大气边界层高度受多种气象因素影响，正确掌握大气边界层高度连续变化和演变规律具有重要意义。为解决传统技术手段获取大气边界层高度存在的时空分辨率低、误差偏大等问题，本研究基于机器学习方法——XGBoost，利用2016年1月—2019年... 详细信息

大气边界层高度受多种气象因素影响，正确掌握大气边界层高度连续变化和演变规律具有重要意义。为解决传统技术手段获取大气边界层高度存在的时空分辨率低、误差偏大等问题，本研究基于机器学习方法——XGBoost，利用2016年1月—2019年5月北京地区长期的地面气象观测、风廓线测风雷达和探空观测数据进行训练，确定算法模型估算大气边界层高度，预测了2019年6月—2020年5月北京地区大气边界层高度。结果表明：在晴朗的白天，模型预测效果最好，与真实观测存在较高的一致性，相关系数达到0.86；夜间预测效果较差。地表温度、相对湿度、风速是对模型预测结果影响最显著的特征。预测的边界层高度呈现显著日变化，日出之后迅速发展，午后逐渐下降，夜间逐渐达到平稳；春夏季北京地区边界层高度日变化较为显著，可达1 km；秋冬季日变化幅度较小，约为700 m。总体上，XGBoost算法预测边界层高度的能力优于多元线性回归算法和支持向量机。基于机器学习的边界层高度估计和预测方法避免了传统手段设置阈值带来的误差，为边界层高度连续观测和预测提供了新思路。

关键词： XGBoost方法机器学习大气边界层高度日变化

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青藏高原东坡大气边界层高度变化观测研究

高原山地气象研究 2024年第2期44卷 32-39页

作者：柳靖唐晓凡夏君集祝凤荣西南交通大学物理科学与技术学院成都611756 西藏大学理学院拉萨850000

利用2021年2—5月和8—11月青藏高原东坡高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)多通道微波辐射计观测的高时空分辨率温度廓线数据,并结合2021年ERA5再分析资料,分析大气边界层高度(Atmospheric Bounda... 详细信息

利用2021年2—5月和8—11月青藏高原东坡高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)多通道微波辐射计观测的高时空分辨率温度廓线数据,并结合2021年ERA5再分析资料,分析大气边界层高度(Atmospheric Boundary Layer Height,ABLH)的日、月和季平均日变化规律。结果表明:(1)晴朗天气的ABLH具有明显的波峰波谷变化,日出后地表温度升高,ABLH也随之持续升高,最大值通常出现在午后,至18时左右迅速降低,日落之后降至最低。(2)一年之中,4月平均ABLH最大,约为1200 m,11月只有600 m。ABLH白天波动大,夜晚稳定,平均降至400 m左右。基于ERA5再分析资料反演的ABLH整体结果偏小,但具有与微波辐射计一致的变化趋势。(3)ABLH最大值出现在春季,夏季和秋季次之,冬季最小,且均在14:00—15:00达到峰值。

关键词：大气边界层高度微波辐射计 ERA5再分析资料日变化月变化季节变化

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大气边界层高度确定及应用研究进展

气象学报 2020年第3期78卷 522-536页

作者：张宏昇张小曳李倩惠蔡旭晖范绍佳宋宇胡非车慧正权建农康凌朱彤北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871 中国气象科学研究院中国气象局大气化学重点实验室北京100081 北京大学环境科学与工程学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室北京100871 中山大学大气科学学院广州510275 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 北京城市气象研究院北京100080

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直... 详细信息

大气边界层高度是表征边界层特征的重要参量,影响边界层内水热、物质、能量的垂直分布,也是数值模拟、环境评估中的重要参数。从湍流运动、热力作用、动力作用以及物质分布等多视角总结了大气边界层高度的定义及确定方法,回顾了采用直接观测手段和遥感手段确定大气边界层高度的不同方法,对比了大气边界层高度不同获取手段的优缺点,梳理了大气边界层高度参数化方案,探讨了大气边界层高度确定中存在的问题,并提出未来相关研究和应用可能突破方向。

关键词：大气边界层高度湍流边界层物质聚集层遥感反演参数化

融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法

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光学学报 2023年第12期43卷 236-246页

作者：刘振兴常建华李红旭孟园园周妹戴腾飞南京信息工程大学电子与信息工程学院江苏南京210044 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心江苏南京210044 泰州职业技术学院信息技术学院江苏泰州225300 无锡学院电子信息工程学院江苏无锡214105

针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题,提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据,将K-means... 详细信息

针对常用激光雷达边界层高度估计方法在云层或悬浮气溶胶层等复杂大气结构下会产生误判的问题,提出一种融合K-means和熵权法的高鲁棒性大气边界层高度估计方法。选取美国大气辐射测量项目南部大平原站点的微脉冲激光雷达数据,将K-means算法和熵权法应用于多种条件下的边界层高度估计,从初始参数选取和距离计算两个方面提升基于聚类分析的边界层高度的估计性能。实验结果表明:与常用激光雷达边界层高度估计方法相比,所提方法具有较强的抗干扰能力,能更好地追踪复杂大气结构下的边界层高度日变化过程;在晴朗无云天气和复杂大气结构下,其边界层高度的估计值与无线电探空仪边界层高度的测量值基本一致,相关系数分别为0.9718和0.9175。所提方法具有较高的鲁棒性,可以可靠地估计多种条件下的大气边界层高度。

关键词：遥感激光雷达大气边界层高度复杂大气结构聚类

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激光雷达反演大气边界层高度的优化方法

光学学报 2021年第7期41卷 151-159页

作者：于思琪刘东徐继伟王珍珠吴德成钱立勇毛敏娟王英俭中国科学技术大学环境科学与光电技术学院安徽合肥230026 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 浙江省气象科学研究所浙江杭州310008

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度... 详细信息

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。

关键词：遥感激光雷达大气边界层高度小波协方差变换法二维矩阵方法

利用FY-3C折射率对大气边界层高度的反演与分析

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武汉大学学报（信息科学版） 2021年第3期46卷 395-401页

作者：朱洲宗徐晓华罗佳武汉大学测绘学院湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室湖北武汉430079

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。... 详细信息

2013年中国发射了首颗进行全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)掩星观测的气象卫星风云3号C星(Fengyun-3C,FY-3C),且已发布自2014年6月以来的FY-3C掩星大气产品,但目前还未见将其应用于大气边界层的相关研究。首次尝试利用FY-3C折射率产品确定边界层高度并进一步进行空间分布分析。结果表明,在小波协方差变换法基础上,进行尖锐度约束,能够确定FY-3C掩星低层大气折射率廓线中可能存在的突变,反演边界层高度。所得到的2015―2018年各年边界层高度全球分布在不同纬度及海洋和陆地上的差异基本体现了边界层与地表气候及地形的关系,但FY-3C折射率产品在低层大气的精度和垂直分辨率相对较低。因此,反演成功率总体上较低,反演结果对边界层高度空间分布细节特征的呈现仍有待提升。

关键词：掩星 FY-3C 折射率大气边界层高度小波协方差变换法

青藏高原中部地区不稳定大气边界层高度的确定与分析

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北京大学学报（自然科学版） 2006年第3期42卷 328-333页

作者：宋星灼张宏升刘新建范邵华刘辉志胡非李诗明周明煜卞林根徐祥德北京大学物理学院大气科学系中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室北京100029 国家海洋环境预报中心中国气象科学研究院

利用1998年第2次青藏高原大气科学实验(TibetPlateauExperiment,TIPEX)当雄大气边界层加强观测站的湍流观测资料,计算了青藏高原中部地区不稳定大气边界层的高度;结合低空探空获取的温度随高度的探测资料,对比分析了高原边界层演变规律... 详细信息

利用1998年第2次青藏高原大气科学实验(TibetPlateauExperiment,TIPEX)当雄大气边界层加强观测站的湍流观测资料,计算了青藏高原中部地区不稳定大气边界层的高度;结合低空探空获取的温度随高度的探测资料,对比分析了高原边界层演变规律,以及实验站干季、雨季不同时期的高原边界层发展规律异同;讨论了高原边界层厚度受高原地形的影响。得到高原边界层演变规律及高原边界层发展迅速,持续时间长等特点。

关键词：青藏高原大气边界层高度峰值频率湍流谱

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基于图像边缘检测法反演大气边界层高度

中国激光 2016年第7期43卷 185-191页

作者：项衍叶擎昊刘建国张天舒范广强周培松吕立慧刘洋中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230027 上海卫星工程研究所上海200240

梯度法、标准偏差法只能反演单一时刻的大气边界层高度,为此,提出了一种可以反演一段时间内大气边界层高度的图像边缘检测法。通过对常规方法的介绍和分析,说明研究图像边缘检测法的必要性。利用自主研发的激光雷达实测数据进行反演分... 详细信息

梯度法、标准偏差法只能反演单一时刻的大气边界层高度,为此,提出了一种可以反演一段时间内大气边界层高度的图像边缘检测法。通过对常规方法的介绍和分析,说明研究图像边缘检测法的必要性。利用自主研发的激光雷达实测数据进行反演分析了一个昼夜和4种不同天气背景下的大气边界层高度,图像边缘检测方法与梯度法和标准偏差法反演大气边界层高度的均方根误差最小值为9.4m和11.4m。实验结果表明,该方法简单可靠、准确性高、不需要选取初始值,与传统常规方法相比具有更低的敏感性和更强的自适应性。

关键词：大气光学大气边界层高度边缘检测激光雷达数学形态学

基于激光雷达的天津海-岸-陆地区大气边界层高度研究

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中国环境科学 2023年第10期43卷 5170-5177页

作者：刘敬乐史静李培彦姜明蔡子颖韩素芹崔晔姚青天津气象雷达研究试验中心天津300061 天津市气象科学研究所天津300074 天津市海洋气象重点实验室天津300074 天津市环境气象中心天津300074

利用2018年8月~2019年7月的气溶胶激光雷达观测数据对天津城市、渤海沿岸和渤海地区的大气边界层高度进行了反演,并利用无人机探空观测对激光雷达反演结果进行验证,同时结合天津大气边界层观测站、塘沽站和渤海A平台站的不同气象特征分... 详细信息

利用2018年8月~2019年7月的气溶胶激光雷达观测数据对天津城市、渤海沿岸和渤海地区的大气边界层高度进行了反演,并利用无人机探空观测对激光雷达反演结果进行验证,同时结合天津大气边界层观测站、塘沽站和渤海A平台站的不同气象特征分析了大气边界层高度的分布特征及其差异产生的原因.结果表明:激光雷达和无人机观测获得的大气边界层高度具有较高一致性,在稳定、中性和不稳定层结条件下两者的相关系数分别为0.508,0.565和0.687.天津城区和塘沽地区各季节的大气边界层高度日变化规律较为一致,与各季节湍流动能和感热通量日变化规律接近,均呈单峰型分布,A平台大气边界层高度具有明显的海洋大气特征,表现为冬季高于城区和塘沽,夏季则与之相反.夏季由于海陆环流造成的热力内边界层的形成,是市区与塘沽大气边界层高度差异产生的原因之一,2019年夏季塘沽出现热力内边界层的情况下,其午后边界层高度下降约30~160m,与城区的大气边界层高度差升高约150~300m.

关键词：大气边界层高度气溶胶激光雷达海-岸-陆无人机天津