陳磊，韓燕，秦方強(qiáng)，石鵬飛，關(guān)軍

（西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710000）

基于晴空閾值法的全天空紅外圖像云量計(jì)算

陳磊，韓燕，秦方強(qiáng)，石鵬飛，關(guān)軍

（西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710000）

為提高新疆戈壁地區(qū)云的自動(dòng)化觀測水平，基于全天空紅外成像儀（WSIRCMS）獲取的紅外輻射圖像，利用輻射傳輸模式SBDART分析了儀器測量波段對(duì)有云無云狀況的敏感性并構(gòu)建了擬合方程，同時(shí)利用典型季節(jié)的晴空輻射樣本擬合了晴空曲線并統(tǒng)計(jì)形成了晴空閾值，最后利用統(tǒng)計(jì)晴空閾值對(duì)全天空紅外輻射圖像進(jìn)行云像素識(shí)別和總云量計(jì)算。將不同季節(jié)總云量計(jì)算結(jié)果同人工觀測結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證表明：觀測時(shí)段算法計(jì)算總云量和人工觀測總云量差值在±2成以下的概率均在80%以上，說明該方法具有較高的準(zhǔn)確度和較強(qiáng)的實(shí)用性，在觀測業(yè)務(wù)中具有較好的應(yīng)用前景。

總云量；晴空閾值；紅外圖像

云是大氣中水汽凝結(jié)（凝華）成的水滴、冰晶或它們混合組成的漂浮可見聚合體[1]。觀測云是研究大氣的一種重要手段，通過對(duì)其觀測，可以了解大氣中的熱力和動(dòng)力過程，進(jìn)而分析大氣運(yùn)動(dòng)狀況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。長期以來，云的業(yè)務(wù)觀測主要依靠人工目測進(jìn)行，主觀性強(qiáng)，精度不高，尤其是夜間觀云困難，使白天夜間很難取得準(zhǔn)確度一致的觀云結(jié)果。伴隨著衛(wèi)星傳感器技術(shù)及相應(yīng)云遙感算法的不斷進(jìn)步，天基云檢測技術(shù)得到了巨大的發(fā)展。但衛(wèi)星云圖由于其時(shí)空分辨率約束，更適合揭示大范圍的云信息和云特征，對(duì)低云和區(qū)域性云的描述可能不太理想[2]。因此，利用地基高分辨率全天空成像技術(shù)進(jìn)行云定量遙感探測并業(yè)務(wù)化一直受到關(guān)注，是目前的研究熱點(diǎn)。近年來隨著電荷耦合器件CCD和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一批具有代表性的地基測云儀器。根據(jù)測量技術(shù)不同，可見光波段測云的典型代表有：總天空成像儀（Total Sky Imager,TSI）[3]、全天空成像儀（All Sky Imager,ASI）[4]、全天空成像儀（Whole Sky Imager,WSI）[5]以及國內(nèi)霍娟等研發(fā)的地基全天空可見光成像觀測系統(tǒng)[6-7]，天空?qǐng)D像獲取方法主要為CCD鏡頭加裝魚眼透鏡，云點(diǎn)識(shí)別方法主要為可見光波段紅藍(lán)通道對(duì)比閾值法[8-9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]。但這類儀器無法獲得夜間云量信息，無法實(shí)現(xiàn)晝夜一致測量，并且白天易受大氣能見度和氣溶膠影響。紅外波段測云的典型代表有：紅外云分析儀（Cloud Infrared Radiometer，CIR）[11]、紅外測云儀（Infrared Cloud Imager，ICI）[12-14]、全天空紅外測云儀（Whole Sky Infrared Cloud Measuring System，WSIRCMS）[15-17]等，天空紅外圖像獲取方法主要為實(shí)時(shí)獲取法和紅外面陣列旋轉(zhuǎn)拼圖法，云點(diǎn)識(shí)別方法基本采用輻射傳輸模式計(jì)算結(jié)合大氣實(shí)測水汽含量計(jì)算閾值的方法[18-19]。但這類儀器每次觀測時(shí)都需要輻射定標(biāo)，同時(shí)受儀器周邊環(huán)境影響大，保護(hù)措施要求高。

本文針對(duì)解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院研制的紅外波段全天空成像儀（WSIRCMS)）試驗(yàn)樣機(jī)測量數(shù)據(jù)開展研究工作。其通過采集8～14 μm波段大氣向下紅外輻射信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)離地仰角15°以上天空的紅外輻射實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)觀測。先期開發(fā)算法具有一定的缺陷：一是算法準(zhǔn)確判云點(diǎn)的前提是能夠獲取區(qū)域精確的準(zhǔn)實(shí)時(shí)水汽含量廓線，由于目前常規(guī)氣象觀探測業(yè)務(wù)中氣柱水汽含量測量精度較低，導(dǎo)致云識(shí)別精度無法滿足條件；二是低仰角區(qū)域天空狀況復(fù)雜，受水汽吸收路徑過長、氣溶膠和天空遠(yuǎn)景效應(yīng)影響，導(dǎo)致算法對(duì)低仰角天空區(qū)域云量存在過高判斷。鑒于以上問題，本文基于WSIRCMS獲取的紅外輻射數(shù)據(jù)，采用累積紅外輻射數(shù)據(jù)再分析方法進(jìn)行云量判別，為進(jìn)一步提高云的自動(dòng)化觀測水平提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

采用WSIRCMS2013年7月—2014年4月的累計(jì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，除儀器故障、日常維護(hù)和危險(xiǎn)性天氣外，一直保持開機(jī)測量。測量頻率為每小時(shí)獲取4次全天空紅外輻射圖像，獲取時(shí)間分別為每小時(shí)的00分、15分、30分和45分，測量間隙儀器為待機(jī)自檢狀態(tài)。獲取的紅外輻射圖像為9方位天空紅外輻射拼圖，方位角范圍為0°～360°，離地仰角范圍為15°～90°；由于儀器架設(shè)位置原因，西方低仰角區(qū)域存在少量地物遮擋。

分析方法為根據(jù)輻射傳輸模式模擬結(jié)果和實(shí)測紅外圖像特性，統(tǒng)計(jì)分析具有季節(jié)代表性的晴空紅外輻射值隨測量天頂角變化的曲線，從而形成具有季節(jié)代表性的晴空閾值。并根據(jù)典型季節(jié)晴空閾值比對(duì)實(shí)測輻射值識(shí)別云點(diǎn)計(jì)算總云量。最后將晴空閾值法計(jì)算結(jié)果與云量人工業(yè)務(wù)觀測結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

2 分析結(jié)果

2.1 敏感性分析和擬合方程構(gòu)建

在儀器工作波段8～14 μm，全天空向下輻射強(qiáng)度分布僅與輻射傳輸?shù)奶祉斀怯嘘P(guān)，與方位角無關(guān)，并且其極大值出現(xiàn)在地平位置，天底處輻射強(qiáng)度最小。并且由于該波段太陽輻射影響很小，因此太陽天頂角的變化對(duì)全天空紅外輻射的影響較小，即該波段全天空紅外輻射應(yīng)具有晝夜一致性[20]。利用輻射傳輸模式SBDART，計(jì)算了晴空條件下儀器工作波段8～14 μm不同大氣模型下大氣向下紅外輻射隨天頂角變化的關(guān)系（圖1）。

從圖1a可以看出，典型大氣模型下（熱帶、中緯度夏季、中緯度冬季、近極地夏季和近極地冬季）晴空大氣向下紅外輻射均隨天頂角增加而增大，呈現(xiàn)出趨勢一致的非線性變化。同時(shí)，相同天頂角不同大氣模型的下行紅外輻射也具有一定的大小關(guān)系，與不同模型大氣的水汽氣柱積分總含量一一對(duì)應(yīng)（熱帶大氣模型水汽含量最大，近極地冬季大氣模型最小），說明影響該波段大氣紅外輻射的重要原因是水汽在該波段的弱吸收作用，而非地表溫度（該波段為窗區(qū)，地表長波輻射除少量被近地層水汽吸收外，大部分直接輻散至大氣上界），所以該波段的大氣晴空紅外閾值應(yīng)該具有明顯的季節(jié)變化和同季節(jié)的晝夜相似性。有云條件下8～14 μm波段大氣向下紅外輻射隨天頂角變化的模擬結(jié)果見圖1b（計(jì)算條件：中緯度夏季大氣模式，云底高度2 km和6 km，云光學(xué)厚度4和20）。從圖1b可見，有云情況下的大氣向下紅外輻射整體比晴空輻射大，但仍然隨天頂角的增大而增大。與晴空相比，有云情況下的大氣向下紅外輻射隨天頂角的變化曲線比較“平直”，因?yàn)楫?dāng)云光學(xué)厚度較大時(shí)，云在該波段輻射特性接近黑體，呈現(xiàn)出近似各向同性的輻射性質(zhì)。有云和晴空狀況下紅外輻射大小和曲線形狀的顯著差異，為利用局地全天空紅外輻射統(tǒng)計(jì)信息區(qū)分云族、反演云量提供了可能。

為準(zhǔn)確描述大氣向下紅外輻射隨天頂角的非線性變化，需要選取一種合適的擬合方程，其也是后面獲取晴空紅外閾值的前提。本文采用冪指函數(shù)對(duì)大氣向下紅外輻射與天頂角的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，構(gòu)建的冪指函數(shù)擬合公式為：

其中，I是測得輻射值，θ為天頂角，a、b、c為擬合參數(shù)。方程（1）每個(gè)量都有明確的物理意義。當(dāng)θ= 0°時(shí)，I=c，即c為天頂方向的輻射值；當(dāng)θ=90°時(shí)，I= a+c，即a為天頂與天邊的輻射值差；b為曲線彎曲程度。

2.2 晴空閾值確定

如果云沒有布滿天空，則全天空紅外測云系統(tǒng)獲取的輻射圖像存在晴空像元，那么可以從全天空紅外圖像中提取晴空曲線。圖2a為儀器獲得的某時(shí)次全天空紅外輻射圖像，同心圓從內(nèi)向外分別為天頂角25°、50°和75°；圖2b為對(duì)應(yīng)輻射值對(duì)天頂角的散點(diǎn)圖。

可以看出，當(dāng)天頂角大于20°時(shí)，天空中存在晴空，那么天頂角大于20°時(shí)各天頂角的最小輻射值就是該時(shí)次的晴空輻射值。同時(shí)由于天空中云的存在，并不是每個(gè)天頂角都存在晴空，導(dǎo)致天頂角的最小輻射值不能平滑增大。因此，在對(duì)最小值點(diǎn)進(jìn)行擬合時(shí)，需要將其中的云輻射值進(jìn)行剔除。基于這個(gè)原因，在擬合晴空輻射曲線時(shí)，采取迭代擬合和單調(diào)性檢測相結(jié)合的方法。獲取的該時(shí)次晴空最小輻射值隨天頂角變化的曲線（圖2b中紅線）。

根據(jù)前面的數(shù)值模擬分析，晴空閾值應(yīng)該具有明顯的季節(jié)變化和同季節(jié)的晝夜相似性。為減少由于樣本時(shí)間跨度過大導(dǎo)致晴空閾值變化范圍大而不具有季節(jié)代表性，因此按月選取晴空樣本并統(tǒng)計(jì)晴空閾值。晴空樣本選擇原則為：一是同月內(nèi)不分晝夜選擇；而是為避免近地層霧和浮塵對(duì)晴空閾值計(jì)算的影響，選取測量時(shí)次能見度大于15 km的樣本；三是根據(jù)全天空原始輻射拼圖，結(jié)合人工觀測選取預(yù)判云量小于2成的樣本。利用上述擬合方法對(duì)逐月各晴空樣本最小值散點(diǎn)進(jìn)行擬合，典型月份（7月、10月、1月和4月）的晴空最小曲線統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，典型月份的晴空曲線統(tǒng)計(jì)結(jié)果不是一條單一的曲線，而是具有一定的變化范圍，這是由于統(tǒng)計(jì)時(shí)段地平緯圈上吸收氣體含量分布不均造成的，并且天頂角越大，紅外輻射傳輸路徑上的吸收氣體含量的不確定性越大；同時(shí)，晴空曲線變化范圍有明顯的季節(jié)特征，區(qū)域水汽總含量變化越大的季節(jié)，晴空曲線變化范圍越大，反之則越小。

之前的分析是對(duì)典型月份晴空樣本最小晴空曲線的統(tǒng)計(jì)分析，但不能將最小晴空曲線直接運(yùn)用到云量計(jì)算中。由于大氣氣溶膠以及大氣中水汽、二氧化碳、臭氧等的各種成分地平緯圈分布不均，加之儀器本身也有一定的噪聲，因此各測量時(shí)次同一天頂角的晴空輻射存在波動(dòng)范圍，如果以晴空下限作為閾值，則會(huì)造成云量的過高估計(jì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，夏季晴空上下限差值的平均值為3.6 W/（m2·Sr），因此需要在最小晴空曲線統(tǒng)計(jì)結(jié)果上加上該值；而冬季晴空上下限差值平均值小于0.5 W/（m2·Sr），該偏差可以忽略。

根據(jù)所有有效測量時(shí)次的公式（1）擬合結(jié)果，參數(shù)a在7月、10月、1月和4月的平均值分別為28.53、15.65、7.35和17.65，與不同季節(jié)區(qū)域水汽含量和大氣溫度具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即大氣水汽含量越少，路徑水汽含量的不確定性越小，天頂和天邊的輻射值差異越?。粎?shù)b值不同季節(jié)的b值均在3.4～3.6之間，具有較好的穩(wěn)定性；參數(shù)c在7月、10月、1月和4月的平均值分別為11.32、12.40、15.96和13.97，1月和4月的天頂輻射值較大與1月的霧天頻發(fā)（2014年1月霧天為17 d）和4月的沙塵天氣頻發(fā)有關(guān)（2014年4月沙塵天為15 d）。

2.3 云量計(jì)算與結(jié)果驗(yàn)證

為分析利用逐月晴空閾值計(jì)算云量的可行性，分別在典型月份選取預(yù)判薄卷云均勻天空樣本，并利用前面介紹的擬合方法進(jìn)行擬合，晴空樣本擬合參數(shù)a、c和對(duì)應(yīng)均勻薄云樣本擬合參數(shù)的對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，各典型月份均勻薄云樣本參數(shù)c值均大于晴空樣本參數(shù)c值，說明在天頂附近，利用各月晴空閾值即可進(jìn)行有云和無云的精確識(shí)別；1月的薄云樣本參數(shù)a值絕大部分大于晴空樣本參數(shù)a值，說明該月晴空閾值限和薄云閾值限在各天頂角上沒有交點(diǎn)，因此可直接利用該月晴空閾值上限進(jìn)行云量識(shí)別；7月、10月和4月的薄云樣本參數(shù)a值部分小于晴空樣本參數(shù)a值，說明晴空閾值限和薄云閾值限隨著天頂角的增大會(huì)出現(xiàn)交點(diǎn)，如果直接用晴空閾值上限進(jìn)行云量識(shí)別會(huì)導(dǎo)致低仰角天空區(qū)域云量的誤判。因此采用晴空閾值上限和薄云閾值下限取平均的辦法來確定晴空閾值，可確保天頂附近云量的精確判斷并盡量減少低仰角天空區(qū)域云量的誤判。

根據(jù)不同月份晴空樣本和薄云樣本統(tǒng)計(jì)分析獲得的晴空閾值參數(shù)和薄云閾值參數(shù)，就可以對(duì)儀器原始輻射圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行檢測，判斷是否為云點(diǎn)。將每個(gè)像素點(diǎn)的輻射值與對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，小于該閾值的像素點(diǎn)認(rèn)為是晴空，高于該閾值的像素點(diǎn)認(rèn)為是云，其數(shù)目占像素點(diǎn)總數(shù)的百分比就是總云量。圖5為利用該方法獲得的云分布圖，其中白色、灰色代表云區(qū)，藍(lán)色是代表晴空；左圖為全天空紅外測云系統(tǒng)給出云圖。

為檢驗(yàn)該方法計(jì)算總云量的準(zhǔn)確性，利用2013年7月至2013年12月新疆博湖東岸人工觀測總云量和儀器計(jì)算總云量進(jìn)行對(duì)比分析?？紤]到云量的高度時(shí)空變化性，因此選擇儀器測量時(shí)次和人工觀測時(shí)次最接近的時(shí)次進(jìn)行匹配，即選取紅外測云儀每小時(shí)00分測量數(shù)據(jù)的總云量計(jì)算結(jié)果和人工觀測整點(diǎn)總云量進(jìn)行比對(duì)，共匹配得到2 206組數(shù)據(jù)，7—12月±1至±10成云量差出現(xiàn)概率如表1所示。

從表1中可以看出，7—12月算法計(jì)算總云量和人工觀測總云量差值在1成以下（含1成）的概率均在75%以上，11月和12月更是達(dá)到80%以上，且各月±1成以上總云量差值出現(xiàn)概率逐漸減小，說明本文算法計(jì)算結(jié)果和大部分人工觀測結(jié)果比較一致；除11月和12月外，其余各月算法計(jì)算總云量和人工觀測總云量差值在10成的概率偏大，經(jīng)對(duì)該類樣本統(tǒng)計(jì)分析，均為計(jì)算總云量為9成以上、人工觀測為1成以下的情況。出現(xiàn)這種情況的原因是算法計(jì)算總云量采用晴空樣本統(tǒng)計(jì)閾值法，許多模糊天空、水汽含量較大的晴空、存在極薄云天空的逐像素實(shí)測輻射值均大于統(tǒng)計(jì)晴空閾值，因此被算法判斷為全天有云，而人工觀測會(huì)將這些天空類型直接判斷為全天無云。由于希望該方法今后能在日常觀測業(yè)務(wù)中進(jìn)行應(yīng)用，因此儀器對(duì)均勻天空的云量測量結(jié)果應(yīng)和人工觀測結(jié)果基本一致，所以在下一步工作中將采取調(diào)整細(xì)化晴空閾值，并嘗試使用模糊判斷、聚類分析等圖像分析方法來改善對(duì)該類天空總云量的計(jì)算。

3 結(jié)論

（1）大氣向下紅外輻射敏感性分析結(jié)果表明儀器觀測波段大氣紅外輻射隨測量天頂角的變化曲線具有明顯的季節(jié)變化和同季節(jié)的晝夜相似性；有云和晴空狀況下紅外輻射大小和曲線形狀的顯著差別為利用局地全天空紅外輻射統(tǒng)計(jì)信息區(qū)分云族、反演云量提供了可能。

（2）構(gòu)建了具有明確物理意義的大氣向下紅外輻射隨天頂角變化的擬合方程，通過采集典型季節(jié)晴空紅外圖像樣本統(tǒng)計(jì)分析了晴空曲線擬合方程參數(shù)，并結(jié)合典型季節(jié)薄云樣本確定了總云量計(jì)算閾值。

（3）不同季節(jié)總云量計(jì)算結(jié)果同人工觀測結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證表明：觀測時(shí)段算法計(jì)算總云量和人工觀測總云量差值在±2成以下的概率均在80%以上，說明該方法具有較高的準(zhǔn)確度，但水汽含量大的均勻天空和含極薄均勻云的均勻天空可能會(huì)存在云量的過高判斷。

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“高等職業(yè)院校數(shù)學(xué)教師核心素養(yǎng)”，是我的研究題目，研究目的是要探明高職院校數(shù)學(xué)教師的核心素養(yǎng)結(jié)構(gòu)．我想請(qǐng)您談?wù)剬?duì)一些問題的看法，您的意見將是我進(jìn)一步完善研究的重要依據(jù)．為準(zhǔn)確記錄您的信息，請(qǐng)您將具體的看法填在問題后的空白處．非常感謝！

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Total Cloud Amount Calculation Based on Clear Sky Threshold Using Whole Sky Infrared Images

CHEN Lei，HAN Yan，QIN Fangqiang，SHI Pengfei，GUAN Jun
（Northwest Institute of Nuclear Technology,Sanxi 710000,China）

To improve the ground-based automatic observation of total cloud amount（TCA)in Xinjiang Gobi region,based on the cumulative infrared radiation images obtained by Whole Sky Infrared Cloud Measuring System（WSIRCMS）,the sensitivity of instrument measurement band to different sky conditions（including clear and cloudy）was analyzed using radiative transfer model SBDART,and the fitting equation suitable for relationship of atmospheric downward infrared radiation and zenith angle was designed,and then the clear sky threshold of typical seasons was determined by statistically analyzing the clear sky infrared radiation samples using fitting equation, and TCA was calculated using the clear sky threshold.Feasibility and accuracy of the clear sky threshold method were verified by comparing with the artificial TCA observation data and that the probability of difference within±2 was higher than 80%,this showed that the method has high accuracy and has a good prospect in daily TCA observations.

total cloud amount（TCA）；clear sky threshold；infrared images

S161

B

1002-0799（2015）03-0063-07

陳磊，韓燕，秦方強(qiáng)，等.基于晴空閾值法的全天空紅外圖像云量計(jì)算[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：50-56.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.03. 008

2014-09-03；

2015-02-10

國家863計(jì)劃軍口部分（2013AA8061002）資助。

陳磊（1984-），男，工程師，現(xiàn)從事大氣輻射與遙感研究。E-mail：legend031v7@163.com