在粉尘影响条件下，利用单个倾斜式米氏激光雷达对主要气溶胶结构及高浓度气溶胶结构的可靠性约束识别

《Atmospheric Environment》：Reliability-constrained identification of primary and elevated aerosol structures from a single tilted Mie lidar under dust-influenced conditions

　　摘要：气溶胶激光雷达被广泛用于推断低层大气的结构，但在受尘埃影响的环境中，由于强烈的衰减、残留气溶胶以及异常高的气溶胶层可能同时存在，其解释仍存在不确定性。本研究利用2016年4月5日至11日在中国新疆南部昆玉附近，通过工作在532纳米波长的LKJ-01气溶胶激光雷达所采集的剖面数据。该激光雷达以约22°的固定仰角朝向沙漠方向观测，因此所得数据代表的是几何投影后的倾斜大气断面，而非完全垂直的柱状结构。我们构建了一个基于可靠性约束的单源多特征分析框架，该框架结合了对数距离校正后的信号、消光系数以及由消光值推导出的透射率。首先通过ln(RCS)的负梯度、多尺度Haar小波响应以及相对消光对比度来识别潜在界面，随后再通过透射率限制的有效分析高度、时间连续性约束以及包含36个参数的参数集合对候选界面进行筛选。在基准配置下，95.88%的剖面中都检测到了主要气溶胶界面，其地面以上的中位高度为1.051公里。中位有效分析高度为2.023公里，23.66%的剖面被归类为受衰减限制。在8.09%的剖面中出现了持续的高浓度气溶胶层，其地面以上的中位高度为1.686公里，与主要界面的中位距离为1.196公里。4月10日的强消光现象表明，当上层数据的支撑能力下降时，有效分析范围会随之缩小。在4月11日出现的多层结构现象中，主要气溶胶界面与当地时间11点10分至13点25分间独立检测到的风切变脊线高度吻合，平均绝对误差仅为0.081公里，且92.9%的匹配值都在±0.15公里的范围内。此后，该高浓度气溶胶层出现了明显的风向差异和局部强风切变，最终与主气溶胶层合并。由于气溶胶激光雷达和风速激光雷达并非探测同一空气体积，因此风速观测结果只能为特定案例提供动力学佐证，无法直接验证热力边界层的高度。这些研究结果表明，在干旱且受尘埃影响的环境中，对气溶胶层的解读若能综合考虑信号结构、消光对比度、受衰减影响的可靠性、时间连续性以及参数敏感性，将更有助于得到准确结果。

引言：大气边界层控制着地表与自由大气之间热量、动量、水蒸气以及颗粒物的垂直交换。它的深度和内部结构会显著影响近地面空气质量、尘埃排放、气溶胶输送、云形成以及辐射过程。在干旱和沙漠环境中，由于强烈的地表加热、植被稀少、土壤含水量低以及频繁的尘埃活动，往往会导致白天的强烈混合、夜间的分层现象、残留的气溶胶层以及孤立的高浓度气溶胶结构，这使得边界层的演变难以解读。[1]、[2]、[3]塔克拉玛干沙漠及其周边过渡带为研究这些过程提供了重要的自然场所。先前的观测和建模研究表明，塔克拉玛干地区存在深厚的对流边界层、强烈的昼夜温度变化、夜间低空急流，以及活跃的尘埃排放和输送现象[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在沙漠的南缘，绿洲、裸土、沙漠以及山前地带等多种地表类型的共存，进一步影响了低层大气。这种地表多样性可能会改变局部温度场、气溶胶负荷以及边界层结构，因此绿洲-沙漠过渡带是研究复杂陆气条件下气溶胶分层现象的理想区域。最近的研究还发展了基于偏振激光雷达的边界层高度测定算法[11]，并记录了塔里木盆地内尘埃在晴朗天气下的演变情况[12]。

基于地面的激光雷达和测高仪系统被广泛用于通过气溶胶后向散射剖面来推断大气边界层高度或混合层高度。常见的反演方法包括梯度法、阈值法、基于方差的技术以及小波协方差变换法。当边界层顶部的气溶胶对比度明显，且主导的后向散射梯度对应于混合层顶部时，这些方法较为有效。然而，基于气溶胶的反演方法并不能直接测量热力稳定性。实际上，所检测到的界面反映的是气溶胶后向散射或消光的垂直变化，未必与热力学定义的混合层高度一致。[1]、[2]、[3]、[13]、[14]、[15]、[16]在多层结构及受尘埃影响的情况下，这种区别尤为重要。高浓度气溶胶层、残留层以及输送来的尘埃羽流可能在主低层大气界面之上产生强烈的梯度，而高气溶胶消光则可能在激光雷达的探测极限附近形成看似明显的信号边界。在这种条件下，若直接将最强的信号不连续处视为边界层顶部，可能会导致反演结果模糊或与物理事实不符。当实际采样间隔、数据缺失情况以及对经验参数的敏感度未被明确考虑时，时间上的规则处理还可能引入额外的不确定性。[3]、[16]、[17]、[18]一种更具物理依据的解释需要结合从激光雷达回波中获得的多种特征。对数距离校正后的信号有助于定位结构上的不连续点，但它本身无法确定某个界面是主低层气溶胶结构、残留层还是孤立的高浓度气溶胶层。消光系数可以提供有关气溶胶负荷和层间对比度的额外信息，而由消光值推导出的透射率则有助于判断上层数据是否仍具有足够的可靠性以便进行解读。这些数值均来自相同的532纳米波长的回波数据，因此在本次研究中被视为同一观测来源的互补特征，而非独立的观测约束条件。[15]、[16]、[17]、[18]本分析框架在多个方面不同于传统的最大梯度法或最大小波法。它保留多个候选界面，而非自动选择最强不连续点；定义了有效的剖面支撑范围；通过透射率限制来确定有效分析高度；利用剖面之间的实际时间差来确保时间连续性；并通过参数集合来评估不确定性。这些措施分别旨在解决高浓度气溶胶结构带来的干扰、探测极限附近的虚假边界问题、不现实的时间跳跃现象，以及对关键经验参数的敏感性问题。

本研究分析了2026年4月5日至11日在中国新疆南部昆玉附近收集的连续气溶胶激光雷达观测数据。该观测地点位于塔克拉玛干沙漠南缘的绿洲-沙漠-山前地带过渡区内，同时受到昆仑山北坡的影响（见图1）。该地区气候干旱，绿洲以外的植被稀少，而且由于绿洲、裸土和沙漠地表类型的共存，存在明显的地表多样性。因此，低层大气的状况较为复杂。

为了在沙漠及受尘埃影响的环境中识别主气溶胶层和高浓度气溶胶层，我们构建了一个基于可靠性约束的分析框架，该框架整合了对数(RCS)值、消光对比度、基于透射率的剖面支撑信息以及时间连续性因素。在每个时间步长上，该框架都会回答三个相关问题：潜在的气溶胶界面可能出现在何处？哪个候选界面最能准确描述主低层大气结构？是否存在额外的高浓度气溶胶增强层？

整体反演覆盖范围、有效分析高度以及置信度：本次分析共使用了2016年4月5日至11日收集的2016个气溶胶激光雷达剖面数据。在默认的配置下，即激光雷达灵敏度为某特定值，主气溶胶层与高浓度气溶胶层之间的最小间距为某特定公里数时，95.88%的剖面中都检测到了主要气溶胶界面，其地面以上的中位高度为1.051公里。中位有效分析高度为2.023公里，23.66%的剖面被归类为受衰减限制。有效分析高度会随着不同条件的变化而有所差异。

主气溶胶界面的解读：本研究中所识别的主气溶胶界面应被视为现有激光雷达数据所支持的主要低层大气气溶胶不连续面。在层结相对简单的情况下，该界面能够较好地反映主气溶胶富集层的上界。但在多层结构或存在衰减效应的情况下，由于残留气溶胶、输送来的颗粒物以及较弱的光学作用，该界面与热力边界层之间的关系可能会发生改变。

结论：本研究利用2026年4月5日至11日通过532纳米波长气溶胶激光雷达在新疆南部昆玉地区收集的2016个剖面数据，研究了该区域的主气溶胶层和高浓度气溶胶层结构。激光雷达沿着固定的22°角度朝向沙漠方向观测，因此所得数据代表的是倾斜的大气断面。我们通过结合ln(RCS)值的负梯度、多尺度Haar小波协方差值、相对消光对比度等特征，构建了一个基于可靠性约束的单源多特征分析框架，以此来识别气溶胶层结构。

CRediT作者贡献说明：陈建峰：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、数据收集。周良平：论文撰写——初稿撰写、软件应用、数据整理。王英健：数据可视化、结果验证、研究指导。邵世勇：项目管理、资金申请。

数据可用性声明：本文的原始数据将在有需求时由作者提供。

利益冲突声明：作者声明不存在任何利益冲突。

资金支持：本项目得到了中国博士后科学基金会-安徽联合资助计划编号2025T017AH、安徽省博士后科研资助计划编号2026A1253以及国家自然科学基金编号42027804的支持。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢：感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所提供的数据支持。

周良平|张志辰|陈建峰|邵世勇|王英健
中国科学技术大学研究生院科学岛校区，合肥230026，中国