大气边界层是靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域，与人类活动关系最为密切，是地球—大气之间物质与能量交换的桥梁。大气边界层高度是大气环境与大气科学研究领域与业务工作中的重要物理参数之一。随着遥感技术的快速发展，利用激光多普勒雷达，云高仪与微波辐射计（MWR）等遥感仪器反演边界层高度的方法被广泛采用。云高仪利用衰减的后向散射系数反演边界层高度，晴空条件下，后向散射强度主要由不同高度的气溶胶浓度决定，因此这是一种物质边界层。MWR利用位温对边界层高度进行反演，是一种热力边界层。然而，不同角度定义的边界层高度之间的差异、差异形成原因与探测仪器的适用性等问题仍有待明确。 

　　在中国科学院战略先导专项任务（XDA23020301）与国家重点研发计划课题（2016YFC0202001）资助下，针对上述问题，我所辛金元研究员团队结合云高仪与微波辐射计观测,对不同季节的物质边界层高度（Hc）与热力边界层高度（H_θ）进行对比分析，进一步利用衰减的后向散射系数对夜间边界层进行分层。研究表明，当H_θ大于H_C时，在不同季节都有发生，但具有明显的日变化，仅在夜间出现。当位温在近地面附近增加很快，位温梯度大，稳定性强时，MWR利用位温梯度极小值得到的夜间稳定边界层SBL高度（H_θ）高达2km。此外，除H_θ远大于H_C的点，边界层内的温度递减率与边界层高度成正比（图1）。因此认为近地层大气在强稳定状态下，MWR的算法限制了H_θ的反演，此时θ’(z)极小值对夜间SBL的高度不再具有代表性。利用地面到1km的温度差可以有效识别并剔除这些误差点，提高反演准确率。 

　　研究揭示了H_C大于H_θ的特征与季节背景相关，冬、春季明显多于其他季节。当偏南风在低层H_θ以内输送污染物时（图2a,d），H_θ与H_C变化一致。而较大的偏南风在高空输送污染物时，最强后向散射梯度出现在H_θ以上，H_C大于H_θ。整层偏北风对污染物的清除使其向上扩散（图2b，e）、H_C发展不连续，同样会导致H_C瞬时大于H_θ。因此在污染物的传输、扩散阶段，风场的垂直分布与较大风速的影响会造成H_C明显偏大，两种角度定义的边界层高度出现不一致。我国北方在冬、春季大风天气频发是导致H_C大于H_θ更多出现在这两个季节的原因。 

　　物质边界层同样具有表征多层结构的能力（图3a）。夜间，利用衰减的后向散射系数可以有效地划分边界层的不同层次，污染物浓度在稳定边界层（SBL）与残余层（RL）中有显著差异。日出后RL逐渐与上升的ML合并，日落后2小时内再次出现。与云高仪相似，激光多普勒雷达探测气溶胶颗粒物的后向散射来进行三维风场反演，其最大探测距离与最高层（夜间RL与白天ML）的边界层高度具有很好的一致性（图3b）。研究结果进一步加深了对不同属性大气边界层结构的认知，为改善复杂条件下大气边界层高度的反演提供了科学依据。

图1. 冬季（a）、夏季（b）与春季（c）夜间H_θ与Hc的比较（颜色代表0 -1km温差大

图2. 2018年12月21-22日（a, d）与2018年12月30-31日（b, e）衰减的后向散射系数（填色），H_θ（红色星点）,H_C（黑色圆点），PM2.5质量浓度（黑色虚线）与水平风场（d, e） 

图3. 2019年9月2-6日（UTC）衰减的后向散射系数（a, 填色），H_θ（红色星点）,H_C（黑色圆点），PM2.5质量浓度（黑色虚线）与水平风速（b，填色） 

图4. 大气热力边界层与物质边界层高度差异产生机制的概念图 

　　Citation：Yunyan Jiang, Jinyuan Xin*, Dandan Zhao, Danjie Jia, Guiqian Tang, Jiannong Quan, Meng Wang and Lindong Dai. Analysis of differences between thermodynamic and material boundary layer structure: Comparison of detection by ceilometer and microwave radiometer. Atmospheric Research, 2020, 248, p.105179.  https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105179