大气边界层低空急流是一种重要的边界层物理过程，与污染传输、航空安全、风能开发利用等存在密切联系。相干多普勒测风激光雷达自2020年9月21日至2021年5月8日布设于辽宁葫芦岛市开展风场观测实验，使用激光雷达垂直风场观测资料对该区域大气边界层低空急流展开观测研究，并结合ERA5再分析资料与环境监测站PM_2.5质量浓度数据分析。研究时段内，低空急流出现频率为0.11，平均急流风速为13.2 m?s^-1，急流风向主要集中在东北向与西南向，急流高度主要在500 m以下，在200~300 m频率最高；低空急流风向在冬季与春季存在明显差异，冬季主要集中在东北向，春季主要集中在西南向。分析表明，该区域边界层低空急流的风向主要受到大尺度天气环流背景以及海岸线走势的影响；在沿海区域，海陆热力性质差异引起的温度梯度会根据不同背景风场为急流形成提供有利或不利条件，进而影响不同风向情况下的急流发生频率。夜间边界层低空急流通过增强近地层大气垂直扩散能力，加速PM_2.5质量浓度的降低或削弱其增长速度。

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。

在海洋地区利用相干多普勒激光风廓线雷达反演可以得到边界层内全天候大气光学湍流廓线。采用机器学习方法-后向传播神经网络进行训练得到边界层光学湍流估算模型,以探空实测常规气象参数作为模型输入参数估算不同日期不同时刻的边界层内大气光学湍流廓线,并与实测值进行比较。通过误差分析可知,白天和夜晚的估算光学湍流廓线均方根误差分别为0.4332和0.5626,相关系数分别为0.8899和0.7673。该研究表明,相干多普勒激光风廓线雷达反演的光学湍流廓线可以通过神经网络模型实现全天候对海洋大气边界层光学湍流廓线估算的功能,且效果较好,在光电工程及天文选址方面具有重要工程参考意义。

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。

拉曼激光雷达已经广泛应用于大气气溶胶、大气温度和水汽的空间分布及时间演变特征测量。为了获取北京污染期间大气气溶胶边界层的特征, 2014年11月~2015年1月期间在中国科学院大学雁栖湖校区利用拉曼激光雷达进行连续观测。使用梯度法处理激光雷达观测数据得到边界层高度,同时与国家环保部提供的当地颗粒物浓度数据进行对比。观测期间灰霾天共出现15天, 污染天出现27天, 干净天出现24天。灰霾天、污染天和干净天三种情况下的平均大气边界层高度范围分别为0.6~0.9、0.9~1.3、1~1.9 km; PM2.5的质量浓度范围分别为143~203、77~90、17~34 μg/m3; PM10的质量浓度范围分别为170~271、103~153、33~78 μg/m3。研究结果表明: 北京地区大气边界层高度对近地面颗粒物浓度具有明显的负相关影响。干净天、污染天和灰霾天下的PM2.5和PM10的质量浓度变化率随大气边界层高度降低而依次增大。灰霾天大气边界层高度引起的PM2.5质量浓度平均变化率为-242.4 μg·m-3/km, 约为污染天(-114.8 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-77.4 μg·m-3/km)的三倍; 灰霾天大气边界层高度引起的PM10质量浓度平均变化率为-224.2 μg·m-3/km, 约为污染天(-117.6 μg·m-3/km)的两倍, 干净天(-90.4 μg·m-3/km)的两倍。

大气边界层高度对大气颗粒物污染具有重要的影响。为研究京津冀区域的大气边界层高度变化特征, 利用该地区多个站点的激光雷达数据, 进行了统计研究, 并将激光雷达观测值与美国国家气象局国家环境预报中心全球资料同化系统模式模拟结果进行了对比。观测数据表明, 京津冀地区的大气边界层具有明显的日变化特征和季节变化特征: 白天的大气边界层高度高于夜晚, 且边界层高值出现在14:00左右; 夏、冬季的大气边界层高度高于春、冬季; 冬季大气边界层高度有降低趋势。此外, 2014年11月多个站点由激光雷达测得的边界层高度的统计分析表明, 京津冀地区大气边界层高度在300~900 m之间, 且东南方向较高。

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9.4 m和11.4 m。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。

2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下, 分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度, 将云顶高度判定为边界层高度时, 那曲地区对流边界层高度最高可达3800 m, 在夜间稳定边界层情况下, 最低只有40 m.采用无线电探空仪数据, 利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据, 对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析, 相关系数达0.78, 标准偏差为738.84 m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知, 那曲地区大气边界层高度日变化大, 是由于该地区地处内陆海拔较高, 夏季日照辐射相对平原地区较强, 对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.

卫星遥感柱状气溶胶光学厚度已经被广泛应用于与地面空气污染数据的对比研究,但由于缺乏关于气溶胶垂直结构的资料,对研究二者的相关性产生 了一定的影响。为了弥补这一不足,通过利用CALIPSO星载激光雷达后向散射系数垂直剖面数据,对青岛市的大气边界层进行了分析,发现其边界 层通常在3 km以下。因此,将2010年1月至2012年12月的CALIPSO气溶胶分层产品中3 km以下分层的气溶胶光学厚度与青岛市气象局发布的空气 污染指数进行了相关性分析,得到了比柱状气溶胶光学厚度更高的相关系数,验证了CALIPSO卫星遥感气溶胶分层数据产品在大气污染监测方面的有效性。

2014年4月27日至2014年5月19日在“国家自然科学基金委2014年渤黄海共享航次春季航次”中，中国海洋大学利用自行研制的相干多普勒激光雷达在渤黄海32oN～40oN，118.5oE～125.3oE区域内观测海上大气边界层结构。相干多普勒激光雷达垂直指向发射激光和接收回波时，利用不同高度距离库内快速傅里叶变换谱的峰值计算了信号的信噪比，基于梯度法从信噪比廓线数据反演和提取大气边界层高度。该结果与同步的探空仪数据、Vaisala商业化的CL31型云高仪边界层高度进行对比，相干多普勒激光雷达结果与探空仪位温数据提取结果的相关性为79%，标准差为610 m；相干多普勒激光雷达与探空仪相对湿度数据提取结果的相关性为90%，标准差为370 m；相干多普勒激光雷达与云高仪获取结果的相关性为94%，标准差为320 m。