趙 靜,顧桃峰,吳 宜,吳 昊,岳海燕

(1.北京聚恒博聯(lián)科技有限公司,北京 100081;2.廣州市突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心,廣州 511430;3.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院,長(zhǎng)沙 410125;4.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,成都 610225;5.廣州市氣象臺(tái),廣州 511430)

0 引言

研究表明云的變化對(duì)大氣能量分配、水汽循環(huán)變化及輻射能量分布等有著重大影響,尤其是云底高度與云的輻射強(qiáng)迫效應(yīng)有密切關(guān)系。非黑體高云對(duì)太陽輻射的透射和云體紅外輻射在對(duì)流層和平流層低層引起增暖效應(yīng),而中低云由于較強(qiáng)的反射對(duì)大氣和地表產(chǎn)生顯著的冷卻作用[1-2]。

近年來,云底高度觀測(cè)技術(shù)多種多樣且趨于成熟,主要包括激光云高儀、紅外測(cè)云儀、毫米波云雷達(dá)等。其中激光云高儀和毫米波云雷達(dá)可以精確地獲取高時(shí)空分辨力的云的水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和云底高度,是非常有效的探測(cè)工具[3]。但在儀器應(yīng)用方面,毫米波云雷達(dá)因受各種因素制約,還未在各氣象臺(tái)站中被普遍應(yīng)用。而激光云高儀體積小、成本低、技術(shù)成熟、性價(jià)比高,是目前常用的一種自動(dòng)化觀測(cè)儀器[4-5]。

在儀器性能方面,不少科研人員對(duì)激光云高儀進(jìn)行了研究。黃興友等[6]對(duì)4臺(tái)激光云高儀(CL31,CL51,CYY-2B和中國(guó)科學(xué)院)、2部紅外測(cè)云儀(SIRIS,ZXD03)、1臺(tái)全天空成像儀及1部毫米波云雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,得出不同型號(hào)激光云高儀的觀測(cè)結(jié)果存在一定的差異,反映了不同儀器的反演算法和閾值設(shè)置的差異。李肖霞等[7]對(duì)4個(gè)廠家共5種型號(hào)的15臺(tái)激光云高儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了云高準(zhǔn)確性的定量分析,得出不同型號(hào)的激光云高儀均存在漏判和誤判現(xiàn)象,且各儀器之間差異較大。

文章利用國(guó)防科技大學(xué)提供的Vaisala CL51和JHBL C12型激光云高儀2019-09-06/11-28共74 d的南京觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)2種設(shè)備云底高度探測(cè)性能進(jìn)行分析,結(jié)合S函數(shù),分析各設(shè)備在云底高度邊界的判定及閾值設(shè)定方面的差異,并初步得出結(jié)論。

1 設(shè)備資料與方法

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

CL51型激光云高儀是(簡(jiǎn)稱“CL51”)基于激光雷達(dá)技術(shù)研制而成的,廣泛應(yīng)用于邊界層和云層的自動(dòng)化探測(cè),垂直指向,云高最小分辨力為10 m,中心波長(zhǎng)為910 nm,激光發(fā)射重復(fù)頻率為6.5 kHz,最大探測(cè)距離為15 km,時(shí)間分辨力為15 s;C12型激光云高儀(簡(jiǎn)稱“C12”)垂直指向,云高最小分辨力為5 m,中心波長(zhǎng)為905 nm,激光發(fā)射重復(fù)頻率為2.5 kHz,探測(cè)范圍為15 m～12 km,時(shí)間分辨力為1 min。2臺(tái)設(shè)備均處于同一試驗(yàn)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi),相距大約20 m,觀測(cè)結(jié)果可視為同一目標(biāo)結(jié)果。

1.2 同層云篩選方法

文章所使用的數(shù)據(jù)為激光云高儀后向散射回波信號(hào)原始廓線數(shù)據(jù)及設(shè)備輸出的云底高度觀測(cè)結(jié)果,為方便云底高度的統(tǒng)計(jì)分析,規(guī)定時(shí)間一致性以選取低時(shí)間分辨力為基準(zhǔn),即1 min。

通過人工篩選確定同層云的共同有效樣本,選取步驟為:計(jì)算2臺(tái)設(shè)備云高數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差,以CL51為篩選標(biāo)準(zhǔn),以云的層次高度為分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分,若CL51觀測(cè)云底高度<2500 m且2臺(tái)設(shè)備|云高絕對(duì)誤差|<1000 m,或2500 m4500 m且2臺(tái)設(shè)備|云高絕對(duì)誤差|<3000 m,則視為同一層云,記為有效樣本[8]。

1.3 云底邊界確定方法

1.3.1 氣溶膠層與云層識(shí)別方法

根據(jù)激光雷達(dá)原理,云高儀接收到來自不同高度的回波信號(hào)可表示為:

(1)

Sz=ln(z2Pz/Oz)

(2)

S函數(shù)可以反映地面至云層之間霧、霾、降水等引起視程障礙的氣溶膠層粒子強(qiáng)弱變化以及云層邊界和內(nèi)部回波強(qiáng)弱等重要信息。理論上可以通過設(shè)定S函數(shù)閾值標(biāo)準(zhǔn)來初步區(qū)分氣溶膠與云層,但大氣層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,受到溫度、太陽輻射和風(fēng)速等因素的影響,還需做大量的試驗(yàn)來進(jìn)一步確定云層邊界。

1.3.2 云底邊界的檢測(cè)方法

圖1 微分零交叉法示意圖

2 同層云的云高數(shù)據(jù)分析

為了更好地比較2臺(tái)設(shè)備云底高度的一致性,按照同層云篩選方法統(tǒng)計(jì)可得,C12和CL51探測(cè)到同一層云的有效樣本時(shí)長(zhǎng)共計(jì)43,160 min,圖2為2臺(tái)設(shè)備觀測(cè)同層云云底高度散點(diǎn)圖,圖中直線為樣本點(diǎn)的擬合線,圖中顯示2臺(tái)設(shè)備的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.955,相關(guān)度較高,二者云底高度一致性較好。

圖2 C12和CL51觀測(cè)同層云云底高度散點(diǎn)圖

文章選取2組激光云高儀采樣的43,160個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,按照云層高度劃分,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了低云、中云、高云的平均云底高(表1)。由表1可知,C12在各云層高度上觀測(cè)到的云底高度結(jié)果均小于CL51,且二者差異隨著云層高度的增加而增大,在高云上二者平均云底高差異達(dá)到最大,C12和CL51觀測(cè)到的云平均云底高度分別為5774 m和6628 m,相差854 m。綜上所述,2種設(shè)備在云底高度觀測(cè)性能方面,低云觀測(cè)結(jié)果基本一致,而中高云云底高度觀測(cè)結(jié)果的一致性較差,差異均超過500 m;C12觀測(cè)的云底高度結(jié)果明顯低于CL51,這可能與2種設(shè)備對(duì)云高邊界的判斷不同有關(guān)。

表1 C12和CL51平均云底高對(duì)比

3 云層識(shí)別個(gè)例分析

利用C12與CL51的原始回波信號(hào)作S函數(shù)偽彩圖,由C12的S函數(shù)分析結(jié)果得出,2 km以下為氣溶膠層,00:00—09:00地面輻射冷卻增強(qiáng),部分低空水汽凝結(jié)析出,貼地面形成霧,09:00后低空水汽上升,使得氣溶膠濃度增強(qiáng),逐漸形成云。C12云高儀S函數(shù)分析結(jié)果顯示了氣溶膠演變成云的過程,并進(jìn)一步通過S函數(shù)設(shè)定閾值初步識(shí)別云與氣溶膠,并在分析圖中標(biāo)記輸出。2 km以上,在15:00—24:00時(shí)段觀測(cè)到了層云垂直結(jié)構(gòu)信息,云層輪廓清晰,云底相對(duì)連續(xù)且起伏變化不大。由CL51云高儀S函數(shù)分析結(jié)果得出,1 km以下回波信號(hào)未檢測(cè)出任何有效信息,1 km以上分別觀測(cè)到氣溶膠形成的低云及4 km左右的層云結(jié)構(gòu)。設(shè)備算法識(shí)別的云高結(jié)果顯示CL51未檢測(cè)出云底高度,出現(xiàn)云檢測(cè)算法漏判的情況。

利用南京市氣象局L波段探空數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證分析,作溫濕廓線,采用相對(duì)濕度閾值法判斷在3～5 km處確實(shí)有云存在[11]。由于L波段探空氣球施放地位于激光云高儀試驗(yàn)基地西北方向,相距約10 km,根據(jù)探空氣球漂移情況分析,當(dāng)探空氣球上升到4 km左右時(shí),水平向東漂移約為1.5 km,僅將探空反演云層作為云層識(shí)別驗(yàn)證。

經(jīng)上述分析可知,CL51設(shè)備對(duì)弱小信號(hào)的檢出率較低,且存在明顯的漏判現(xiàn)象,云檢測(cè)算法還有待提高;C12云高儀探測(cè)靈敏度較高,對(duì)弱小信號(hào)的檢出率較高,可探測(cè)近地面氣溶膠層細(xì)小粒子,反映其內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)的特征演變信息[12]。

4 云底邊界個(gè)例分析

針對(duì)C12云底高度觀測(cè)結(jié)果比CL51觀測(cè)結(jié)果偏低的現(xiàn)象,首先考慮云底邊界閾值的判定,S函數(shù)閾值的選取與云層邊界的確定及氣溶膠層云與云層的劃分相關(guān)。為進(jìn)一步確定云底高度觀測(cè)結(jié)果的差異,從上述統(tǒng)計(jì)樣本中分別挑選低、中、高云樣本代表性個(gè)例進(jìn)行云底高度邊界的分析。

分析2019-09-15 C12和CL51激光云高儀距離矯正信號(hào)(S函數(shù))強(qiáng)度隨時(shí)間、高度變化偽彩圖以及所示云底高度邊界可知,00:00—05:00時(shí)段500 m以下近地面水汽含量較高,空氣濕度較大,500 m以上觀測(cè)到濃積云,云底高度逐漸減小,向下發(fā)展增加低空水汽含量,至05:00左右形成降雨。05:40左右,低空水汽向上抬升,云層向上穩(wěn)定發(fā)展,但云底邊界并不明顯,直至11:00左右與下方的氣溶膠層邊界逐漸分割,上方形成云底高度在1500 m左右的層云。CL51給出的云底高度處于云粒子后向散射強(qiáng)消光位置,而C12給出的云底高度位于云層邊界,兩種設(shè)備對(duì)云底高度的判定方法有明顯差異。按照云粒子后向散射強(qiáng)度峰值位置確定云底高度,發(fā)現(xiàn)此時(shí)云底高度位于S函數(shù)強(qiáng)消光位置。結(jié)合廓線后向散射云高邊界識(shí)別與云底高度對(duì)比曲線,調(diào)整S函數(shù)閾值后的C12云底高度與CL51云底高度更為接近,相關(guān)系數(shù)R2由原來的0.912變?yōu)?.973,標(biāo)準(zhǔn)差(以CL51作為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算C12相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差)由原來的0.183降至0.166(表2),反映出C12選取S函數(shù)強(qiáng)消光位置作為云底高度與CL51給出的云底高度一致性更好,誤差更小。

表2 樣本個(gè)例C12云底邊界閾值調(diào)整前后相關(guān)性與標(biāo)準(zhǔn)差

分析2019-10-18(高層樣本個(gè)例)和2019-11-07(中層樣本個(gè)例)C12和CL51激光云高儀距離矯正信號(hào)(S函數(shù))強(qiáng)度隨時(shí)間和高度變化偽彩圖以及所示云底高度邊界可知,11:00前,高空中有一層云底高度在5000～6000 m、云體均勻成層的卷層云,12:00—17:00時(shí)段2000 m處,氣溶膠層頂消光強(qiáng)度增強(qiáng),部分氣溶膠成云。調(diào)整S函數(shù)閾值后,C12云底高度比原云底高度平均提高了約573 m,與CL51云底高度幾乎一致,對(duì)應(yīng)較好,這與層云云體結(jié)構(gòu)有關(guān)。11:00前4000 m左右有一層連續(xù)高積云,云體厚薄不一,輪廓分明,11:00以后演變成稀疏松散的卷云。C12云底高度包裹云層邊界良好,CL51云底高度處于云回波中心。將C12云底高度調(diào)整至云回波中心后,云底高度曲線位于C12原云底高度和CL51云底高度曲線之間,比較散碎,整體對(duì)應(yīng)關(guān)系不如層云結(jié)構(gòu)云體。調(diào)整閾值后的C12與CL51云底高度相關(guān)性指標(biāo)仍然比調(diào)整前高,再次反映出C12與CL51在云底高度邊界判定方法上的差異;調(diào)整閾值后的C12與CL51云底高度標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)略增大,說明相對(duì)誤差的離散程度增大,2種設(shè)備單條廓線后向散射強(qiáng)度有細(xì)微差異,這可能與設(shè)備激光脈沖能量相關(guān)。

5 結(jié)束語

文章對(duì)2019-09-06/11-28 Vaisala CL51型和JHBLC12型激光云高儀的測(cè)云資料進(jìn)行對(duì)比分析,得出結(jié)論:

1)C12設(shè)備探測(cè)靈敏度高,對(duì)弱小信號(hào)的檢出率較高,CL51對(duì)弱小信號(hào)檢出率較低,這是造成二者云觀測(cè)結(jié)果不一致的直接原因。CL51可能出現(xiàn)明顯的連續(xù)漏判,在云檢測(cè)算法上還有待改進(jìn)。

2)2種設(shè)備在云底高度觀測(cè)性能方面,整體數(shù)據(jù)一致性較好,相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.955,尤其低云觀測(cè)結(jié)果基本一致。中高層云底高度觀測(cè)結(jié)果的一致性略差,差異均超過500 m。C12的云底高度觀測(cè)結(jié)果明顯低于CL51,這可能與兩種設(shè)備對(duì)云底高度邊界的判定有關(guān)。

3)在S函數(shù)分析上,2種設(shè)備的S函數(shù)圖形云層結(jié)構(gòu)信息基本一致,CL51-S函數(shù)圖形把近地面氣溶膠層濾波處理掉,只保留云層信息,而C12-S函數(shù)圖形能清晰地看出從地面到高空氣溶膠和云層的垂直結(jié)構(gòu)分布及時(shí)空演變過程,有利于開展監(jiān)測(cè)和追蹤大氣邊界層的研究。

4)通過分析3個(gè)不同云層高度的樣本個(gè)例,可以得出C12和CL51對(duì)氣溶膠層和云層邊界劃分閾值的選取不同,CL51選取云的峰值位置作為云底,這使得云底高度已在云回波內(nèi);C12選取云回波上升起點(diǎn)作為云底高度的判斷依據(jù)。調(diào)整C12云層邊界選取閾值后,C12給出的云底高度與CL51給出的云底高度一致性較好,層云相關(guān)性高達(dá)0.991。

綜上所述,C12激光云高儀在設(shè)備探測(cè)性能、云底高度觀測(cè)性能及云底邊界判定等方面優(yōu)勢(shì)較為突出,在弱小信號(hào)檢出率算法上優(yōu)于CL51。