从中国的DQ-1/ACDL观测数据中获取近全球范围的行星边界层高度

《Atmospheric Research》：Retrieving near-global planetary boundary layer height from the China's DQ-1/ACDL measurements

　　

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  开发了一种IMSD算法，用于从DQ-1/ACDL观测数据中反演行星边界层高度（PBLH）。
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  基于ACDL数据的PBLH与ARM和MPLNET激光雷达的测量结果吻合良好。
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  首批近全球范围的PBLH产品之一是基于ACDL数据生成的。
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  全球PBLH分布显示出明显的陆海对比和季节性变化。
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  极地地区薄弱的气溶胶分布导致PBLH反演存在系统性偏差。

引言

行星边界层（PBL）是大气中最靠近地球表面的层次，是地表与自由大气之间进行热量、水分、动量和污染物湍流交换的主要区域（Hu等人，2014年；Stull，1988年）。作为描述湍流混合垂直范围的关键参数，行星边界层高度（PBLH）控制着气溶胶和污染物的分布与积聚，从而影响空气质量、天气演变和气候过程（Emeis等人，2008年；Liu等人，2022年；Pielke等人，2011年）。PBLH的变化与严重的污染事件和大气环境变化密切相关（Seibert，2000年）。工业排放和沙尘暴引起的气溶胶污染也会对环境造成影响，并对人类健康产生不利影响（Li等人，2021年；Wang等人，2021年；Yin等人，2020年）。此外，PBLH的空间和时间变化反映了地表加热、大气稳定性和天气系统的综合影响，使其成为边界层动力学的重要指标（Li等人，2025年）。因此，对PBLH进行连续和准确的监测对于理解陆气相互作用、改进数值天气预报以及支持气候和环境研究至关重要。

由于湍流混合将地表的热量、水分和气溶胶限制在边界层内，这些变量在边界层顶部附近通常表现出明显的垂直梯度（Baars等人，2008年；Brooks，2003年；Davis等人，2000年），为PBLH的反演提供了重要依据。PBLH的观测通常通过地面、机载和卫星平台进行。地面仪器，包括无线电探空仪、激光雷达和微波辐射计，可以利用热力学结构或气溶胶后向散射梯度来反演PBLH，并提供高时间分辨率的可靠观测数据（Hennemuth和Lammert，2006年；Li等人，2021年；Liu等人，2020年；Seidel等人，2010年）。然而，这些仪器的空间分布稀疏，限制了其在大规模应用中的使用（McGrath-Spangler和Denning，2012年；Sawyer和Li，2013年；Su等人，2017年）。机载观测可以提供高分辨率的大气剖面，但受到高昂运营成本和有限时间连续性的限制。因此，卫星遥感已成为全球PBLH监测的重要手段（Von Engeln和Teixeira，2013年）。在卫星传感器中，星载激光雷达因其高垂直分辨率和近全球覆盖范围而特别有价值。自2006年CALIPSO卫星发射以来，其云-气溶胶激光雷达（CALIOP）被广泛用于全球PBLH反演和气候学研究（Jordan等人，2010年；Liu等人，2017年；Winker等人，2010年）。后续的任务，如CATS和Aeolus，进一步扩展了星载主动大气观测的能力。2022年4月，中国发射了大气环境监测卫星（DQ-1），搭载了气溶胶和二氧化碳探测激光雷达（ACDL），这是世界上首个星载集成气溶胶-二氧化碳激光雷达，为高精度大气剖面测量提供了新机会（Chen等人，2023年）。最近，2024年发射的地球云、气溶胶和辐射探测器（EarthCARE）搭载了大气激光雷达（ATLID），进一步推动了星载气溶胶和云层垂直结构的观测。随着2023年CALIPSO的终止，ACDL成为少数能够持续观测全球气溶胶垂直结构的在轨激光雷达系统之一，凸显了其在CALIPSO时代之后PBLH研究中的重要性。

尽管星载激光雷达观测技术发展迅速，但从卫星激光雷达信号中准确反演PBLH仍然具有挑战性。现有的反演方法主要包括梯度法、最大标准差（MSD）方法和小波基方法。梯度法通过检测气溶胶后向散射或消光剖面中的最大负梯度来确定PBLH，这对应于边界层顶部附近气溶胶浓度的急剧下降（Flamant等人，1997年）。然而，梯度计算容易放大信号波动，使得该方法对卫星观测中的噪声非常敏感。小波协方差变换（WCT）方法利用多尺度小波分析检测气溶胶剖面中的突然结构变化，通常具有更强的边缘检测能力（Jordan等人，2010年）。尽管如此，多层气溶胶结构和残余云层污染仍可能导致边界层顶部的错误识别。MSD方法通过定位气溶胶后向散射信号变化最大的高度来确定PBLH，这通常对应于混合良好的边界层与自由大气之间的过渡区域。与简单的梯度方法相比，MSD方法在噪声条件下更为稳定，并已被广泛应用于基于激光雷达的边界层研究中。

然而，作为新发布的星载激光雷达数据集，ACDL尚未被广泛应用于PBLH反演研究。因此，利用ACDL成为实现全球PBLH监测的当务之急。为了解决这些问题，本研究开发了一种改进的最大标准差（IMSD）方法，用于从ACDL观测数据中反演PBLH。通过采用优化的多窗口平滑策略和提高空间分辨率，IMSD方法有效抑制了气溶胶后向散射剖面的随机波动，提高了边界层检测的稳定性。利用该方法，分析了基于ACDL观测得到的全球PBLH分布，并与ARM和MPLNET激光雷达网络的长期地面观测数据进行了系统评估。本研究为基于ACDL的全球PBLH观测建立了一个可靠的反演框架，为CALIPSO时代之后的边界层研究和气候模型评估提供了宝贵支持。本文的其余部分安排如下：第2部分描述了本研究使用的数据集；第3部分介绍了IMSD反演算法；第4部分展示了结果和讨论；第5部分总结了主要结论和未来展望。

节片段

DQ-1/ACDL数据

本研究使用的数据集来自2022年4月发射的DQ-1卫星上的ACDL。作为具备高光谱分辨率激光雷达（HSRL）功能的星载激光雷达，ACDL利用532纳米的高光谱分辨率技术对全球气溶胶和云层进行多维剖面分析（Chen等人，2023年；Ke等人，2022年）。该卫星运行在太阳同步轨道上，高度约为705公里，轨道倾角为98.203°，

IMSD算法框架

星载激光雷达观测经常受到信号衰减、太阳背景辐射和随机噪声的影响，尤其是在白天条件下。这些因素降低了气溶胶后向散射剖面的信噪比（SNR），削弱了边界层顶部的结构梯度，使得稳定的行星边界层高度（PBLH）反演变得困难。在传统的最大标准差（MSD）方法中，PBLH是根据最大

案例研究

图5展示了在不同大气条件下，ACDL和地面激光雷达观测结果的两个代表性案例。如后向散射曲线（图5a和5c）所示，在混合良好的边界层和较清洁的自由大气之间观察到一个明显的气溶胶负荷过渡区。通过IMSD方法反演的PBLH（用黑白标记表示）始终跟随衰减后向散射系数的最陡峭梯度。

结论

本研究利用IMSD方法为DQ-1/ACDL卫星激光雷达建立了行星边界层高度（PBLH）的反演框架。基于2022年6月至2023年5月的全球ACDL观测数据，通过严格的云层筛选和多尺度重采样获得了近全球范围的白天PBLH分布。与同时期的ARM和MPLNET地面激光雷达观测数据进行交叉验证，包含44个质量控制的共位案例，相关系数为0.77

CRediT作者贡献声明

Mingrui Chen： 软件开发、研究设计、概念构思。Boming Liu： 项目管理和方法论设计、数据管理。Feiyue Mao： 资金筹措、数据分析。Jingwen Li： 监督。Qingyang Wang： 验证。Yingying Ma： 验证。Wei Gong： 可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会对本文所述工作产生影响的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42322109、42575142）和湖北省重点研发计划（项目编号2025BCB036）的支持。作者感谢ERA5、ARM和MPLNET科学团队提供的数据产品，同时感谢武汉大学超级计算中心的计算支持。

Mingrui Chen|Boming Liu|Feiyue Mao|Jingwen Li|Qingyang Wang|Yingying Ma|Wei Gong