唐英杰 馬舒慶 楊 玲 陶 法 李思騰 謝成華 唐凡潔

1)(成都信息工程大學電子工程學院，成都 610225)2)(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

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云底高度的地基毫米波云雷達觀測及其對比

唐英杰1)馬舒慶2)*楊 玲1)陶 法2)李思騰1)謝成華1)唐凡潔1)

1)(成都信息工程大學電子工程學院，成都 610225)2)(中國氣象局氣象探測中心，北京 100081)

對2014年11月20日—12月31日中國氣象局大氣探測綜合試驗基地Ka波段毫米波云雷達、Vaisala CL51激光云高儀、L波段高空探測系統觀測的云底高度進行對比分析。結果表明：在低能見度條件下，毫米波云雷達對云的探測能力明顯優(yōu)于激光云高儀，隨著能見度的增加，兩設備云探測能力差距在減??；毫米波云雷達與激光云高儀同時觀測到有云時，二者觀測的云底高度相關系數為0.92；毫米波云雷達與探空觀測云底、云頂高度的相關系數分別為0.93和0.78；云雷達觀測的云底高度均略低于激光云高儀和探空，云雷達觀測的云頂高度略高于探空。

毫米波云雷達； 激光云高儀； L波段高空探測系統； 云底高度

引 言

云或云系是一種常見的天氣現象，由濕潤的大氣在上升運動過程中絕熱膨脹冷卻達到飽和而生成。云通常覆蓋地球表面的50%以上，是地球大氣輻射收支平衡的主要調節(jié)者，是影響地球大氣輻射平衡、熱量平衡的重要因素[1-2]。當前在大氣科學研究和氣象業(yè)務中(如分析天氣、地氣輻射平衡、大氣相變過程等)，云系起關鍵作用[3-4]。美國地球科學委員會強調對于自然和人類的變化導致的氣候變化的不確定性都是由云通過輻射傳輸和水循壞造成的[5]。云的研究從宏觀(云狀、云量、云底高度、云的厚度和云的移動速度)到微觀(云粒子物理、化學、光學和輻射特性等)十分復雜。在云的宏觀參數中，云量和云高是影響地球輻射收支的重要參數[6]，其中，云底高低決定了云的分類和降水概率[7]，如何準確獲取云高、云量信息是目前氣象探測領域面臨的重要課題。

目前，獲取云資料主要通過空基遙感和地基觀測兩種方式。衛(wèi)星遙感可獲得全球分布、晝夜連續(xù)的云觀測資料，但其受空間分辨率及云層底部和多層云觀測能力的限制，仍不能滿足大氣科學研究的需要[8]。地基探測云參數有多種方式，如毫米波云雷達、激光云高儀、全天空成像儀、熱紅外成像儀、探空等。其中，全天空成像儀只能得到全天空云量[9]，沒有云高信息且僅在白天工作，紅外成像儀雖然能夠晝夜觀測，能夠得到云高云量信息，但由于基于氣候統計模型被動反演云高，測量誤差較大，很難滿足業(yè)務要求。探空氣球能夠穿過云層獲得整層高精度大氣廓線，可用于反演獲得云的垂直分布，但其時間分辨率較低。而毫米波云雷達和激光云高儀能夠準確獲取高時空分辨率的云的水平垂直結構，是非常有效的探測工具。特別是毫米波云雷達，其波長更接近小粒子尺度，利用云粒子對電磁波的散射特性，通過分析云的雷達回波可以了解云的各種特性，云的回波參數可以反映云的宏觀和微觀結構、云的特性及其變化。在儀器性能的對比研究方面，章文星等[10]對2008年5—12月中美聯合利用ARM移動觀測設備(AMF)在安徽省壽縣進行大氣輻射綜合觀測試驗結果進行分析。黃興友等[11]對4臺激光云高儀、2部紅外測云儀、1臺全天空成像儀以及1部云雷達的觀測數據進行對比。為了遴選出滿足業(yè)務需求的云觀測設備，今后還需對這些儀器進行長期的對比試驗，比較這些設備測量結果的一致性和在不同天氣條件下的探測能力。

針對近年來固態(tài)雷達技術的迅速發(fā)展及固態(tài)毫米波雷達測云能力的不斷提高，中國氣象局氣象探測中心在北京南郊的大氣探測綜合試驗基地進行了多設備云高觀測試驗。本文對云雷達和云高儀在2014年11月20日—12月31的連續(xù)觀測數據進行分析，對比兩設備在不同能見度條件下數據獲取能力及對云底高度的探測結果，并結合北京市觀象臺探空資料，對比分析云雷達與探空的觀測結果。

1 觀測設備和資料

1.1 毫米波云雷達

觀測試驗所使用的云雷達是由中國氣象局氣象探測中心、西安華騰微波有限責任公司和成都信息工程大學聯合研制的Ka波段全固態(tài)全相參準連續(xù)波多普勒雷達，云雷達具有穿透云層、給出云體整體結構信息的能力[12]，是探測云體三維精細結構的重要工具。其波長為8.6 mm,峰值功率為4 W,天線采用垂直頂空瞄準式工作方式，測量高度約為15 km,垂直空間分辨率約為30 m，時間分辨率為1～60 s可調。試驗中將云雷達時間分辨率設置為60 s。云雷達以回波功率比儀器噪聲大2 dB為閾值。

1.2 激光云高儀

觀測試驗所使用的云高儀是由芬蘭維薩拉公司生產，并通過中國氣象局考核的Vaisala CL51，垂直指向，發(fā)射激光脈沖信號，重復頻率為10 KHz,探測距離約為15 km，垂直空間分辨率約為5 m，時間分辨率為1～60 s可調,試驗時固定為60 s。云高儀得到后向散射光強度，根據后向散射光強度提取出云回波底高度等云體信息。具體方法：以后向散射光強度比儀器噪聲大2 dB為閾值，大于閾值強度的區(qū)域的邊界下沿為云底高度。

1.3 L波段高空探測系統

常規(guī)探空是由探空氣球攜帶無線電探空器，配以無線電經緯儀或測風雷達[13]。我國業(yè)務布網的L波段高空探測系統，是由我國自行設計研發(fā)的GFE(L)1型二次測風雷達和GTS1型數字探空儀組成，采用二次測風雷達測距體制，能連續(xù)自動測定高空氣溫、濕度、氣壓、風向、和風速等氣象要素[14]。其中，GTS1型數字探空儀采樣周期為1.2 s(其數據也稱為探空秒數據)，每分鐘采樣頻率約為50次，按照每分鐘400 m的上升速度，L波段高空探測儀的空間垂直分辨率為8 m。具有高分辨率和實時采集的能力。這些分布在全國各地探空站的高精度探空數據可實時上傳到中國氣象局，本文使用北京市觀象臺(39°48′N,116°28′E，海拔高度為32.3 m)的常規(guī)探測資料。

1.4 觀測期間天氣狀況及觀測資料獲取

本文所用資料包括2014年11月20日—12月31日中國氣象局大氣探測綜合試驗基地云雷達與云高儀連續(xù)并行觀測的資料，北京市觀象臺探空資料，每日2次，分別為07：15和19：15(北京時，下同)。云雷達、云高儀、探空氣球投放點的位置如圖1所示，三設備位置相距不超過200 m。根據人工觀測以及大氣探測綜合試驗基地地面自動氣象站的資料，經統計，2014年11月20日—12月31日的42 d中，晴空為13 d，有云為27 d，其中,出現霧、霾為30 d，出現降水為1 d。本文將從以下4種情況進行對比分析：①4種不同能見度條件下云雷達與云高儀數據獲取情況，②云雷達與云高儀同時觀測到有云情況下，其低、中、高云云底高度對比，③云雷達與探空所獲取的云底、云頂高度對比，并進行實例分析，④北京當地1次降水天氣過程中，云雷達與云高儀、探空觀測的云底高度對比。

圖1 云雷達、云高儀、探空氣球投放點位置Fig.1 The position of cloud radar, ceilometer and rawinsonde

2 云雷達與云高儀資料對比

2.1 不同能見度條件下資料獲取對比

對觀測資料分類統計，云底高度小于2500 m為低云，云底高度大于等于2500 m且小于4500 m為中云，云底高度大于4500 m為高云。本文對比兩種儀器數據獲取性能方面，定義數據獲取率為其中一種儀器觀測到有云時間與兩種儀器共觀測到有云的時間的比值。對云雷達與云高儀連續(xù)并行觀測的結果進行分析，結果分為4種：一段時間內云高儀和云雷達均觀測到有云，一段時間內云雷達觀測到有云而云高儀未觀測到云，一段時間內云高儀觀測到有云而云雷達未觀測到云，一段時間內云高儀和云雷達均未觀測到有云。以上情況下文簡稱觀測結果1、觀測結果2、觀測結果3、觀測結果4，本文將主要分析觀測結果1、觀測結果2、觀測結果3。

在并行連續(xù)觀測的42 d中(表1)，獲取的總有效樣本量為53719 min，云雷達獲取到有云時間為12319 min，云高儀獲取到有云時間為9093 min，兩設備獲取到的有云時間占總樣本量百分比較小，這與北方秋冬季節(jié)少云天氣現象有關。其中，兩設備在觀測結果1有云時間為7823 min，觀測結果2有云時間為4496 min，觀測結果3有云時間為1271 min。云雷達總數據獲取率比云高儀高24%。而多層云的數據獲取率，云雷達為81%，云高儀為64%，對于云的數據獲取能力，云雷達明顯高于云高儀。

表1 云雷達與云高儀數據獲取能力對比(單位：%)Table 1 The comparison of data acquisition capability between cloud radar and ceilometer(unit:%)

對觀測資料進行不同能見度條件下的分類統計，如表1和圖2所示，能見度小于1 km時，云雷達的數據獲取率明顯高于云高儀，因為能見度較小時，一般出現霧、霾天氣，空氣中存在大量水汽和氣溶膠顆粒，對云高儀發(fā)射的激光有很強的衰減作用，導致激光很少或無法穿過近地霧、霾層到達云層。這一現象也說明霧、霾天氣對于云雷達的數據獲取性能影響相對于云高儀要小。而隨著能見度的增加，兩設備的數據獲取率差距在減小，能見度不小于10 km 時，二者的數據獲取能力基本相當。

圖2 不同能見度條件下云雷達與云高儀的數據獲取情況Fig.2 The data acquisition between cloud radar and ceilometer in different visibility conditions

2.2 云底高度觀測對比

對2014年11月20日—12月31日云雷達與云高儀連續(xù)并行觀測結果進行分析，圖3為觀測期間云雷達和云高儀在觀測結果1時的云底高度點聚圖。相關系數為0.92，達到0.05顯著性水平，說明云雷達和云高儀同時觀測到有云時，其探測的云底高度一致性較好。

圖3 2014年11月20日—12月31日云雷達與云高儀同時觀測到有云時云底高度一致性對比Fig.3 Consistency comparison of cloud base height measured by cloud radar and ceilomter from 20 Nov to 31 Dec in 2014

表2為云雷達與云高儀在無降水情況下的低、中、高云平均云底高度對比。在滿足觀測結果1～3情況下，云雷達觀測的低、中、高云平均云底高度與云高儀觀測結果最大相差374 m。在觀測結果1情況下，云雷達與云高儀分別同時觀測到低、中、高云時，云雷達觀測的平均云底高度比云高儀觀測的結果偏小，最大相差683 m。一般來講，云體內含水量分布特點是有一含水量最大區(qū)，其四周含水量值逐漸遞減[3]，云高儀發(fā)射的激光在受到霧、霾或其他氣溶膠粒子衰減后，到達云體的功率變小，激光對云體四周稀薄的空氣散射強度不能達到判斷云的閾值，而毫米波對此衰減相對較小，因此，造成云雷達觀測的平均云底高度比云高儀略偏小。

表2 2014年11月20日—12月31日云雷達與云高儀觀測的平均云底高度對比(單位：m)Table 2 The comparison of average cloud base height measured by cloud radar and ceilometer from 20 Nov to 31 Dec in 2014(unit:m)

3 云雷達與探空資料對比

3.1 利用探空資料分析云垂直結構的方法

利用探空資料分析云垂直結構目前主要有3鐘方法：溫度露點差值法[15]、相對濕度閾值法[16]、溫度和相對濕度廓線隨高度變化的二階導數法[17]。周毓荃等[18]對這3種方法進行了比較，并認為直接用相對濕度作為云判斷的閾值，比較合理，需考慮3個方面：①不同溫度下相對濕度的合理計算，當氣溫低于0℃時，要按照冰面飽和水汽壓計算相對濕度，即利用實際水汽壓除以冰面的飽和水汽壓得到新的相對濕度；②云層中相對濕度最大值要大于87%，最小值不小于84%；③相對濕度在云頂有負的跳變，在云底有正的跳變。結合以上3個方面，并根據文獻[19-20]分析不同溫度下云相對濕度閾值的判別方法，以探空第1次觀測到云時的高度為云底高度，探空最后1次觀測到云時的高度為云頂高度，對北京市觀象臺2014年11月20日—12月31日42 d共84次的探空資料進行統計。受探空氣球運動軌跡不定的影響，為了使云雷達與探空資料在時空上能更好匹配，云雷達取對應當日探空觀測到云時刻的10 min平均值，分析對比二者云觀測數據。

3.2 云雷達與探空資料對比

根據試驗結果統計，云雷達與探空同時觀測到云的有效樣本量為19，圖4為云雷達與探空同時觀測到云時的數據對比，在這種情況下，云雷達觀測到的平均云底高度為3379 m，探空觀測的平均云底高度為3399 m,二者相差20 m，而云雷達探測到的平均云頂高度為6999 m,探空觀測的平均云頂高度為7072 m，二者相差73 m。云雷達觀測的平均云底高度和平均云頂高度均小于探空的觀測結果，這可能是探空儀器性能的滯后效應引起的。而云雷達與探空觀測云底、云頂高度的相關系數分別為0.94和0.77，達到0.05顯著性水平?？梢?，云雷達與探空觀測云底高度的一致性較好，而受探空氣球運動軌跡影響，云雷達與探空在云頂高度的觀測一致性上不及云底高度觀測結果。由于探空設備中所使用的傳感器存在一定滯后性，因此，探空資料觀測的云底高度略低于云雷達，而云高儀發(fā)射的激光易被下層霧、霾和氣溶膠粒子等所衰減，云雷達觀測的云底高度同探空觀測結果更為接近，云高儀觀測結果略高于二者。

圖4 云雷達與探空同時觀測到有云時，云底高度(a)和云頂高度(b)對比Fig.4 The comparison of cloud base height(a) and cloud top height(b) observed by cloud radar and rawinsonde

3.3 實例分析

圖5為2014年12月6日19:00—20:00和11月27日19:00—20：00云雷達與探空觀測云垂直結構實例分析對比。如圖5a所示，云雷達觀測到高度在2460～7680 m的單層云，這與5b圖中探空觀測2583～8512 m單層云相對應。如圖5c所示,11月27日19：00—20:00云雷達發(fā)射的電磁波穿過高度在1068～6278 m的第1層云，觀測到其上空高度為8422～8978 m、反射率因子為-23 dBZ的卷云，分別對應圖5c中厚度約為5215 m和674 m的兩層云?？梢钥闯觯评走_發(fā)射的電磁波，可以穿過較厚的低云，而獲得其上空更高的云層，反射率因子更能直觀地反映云體的垂直結構，并與探空結果保持較好的一致性。

圖5 2014年12月6日19:00—20:00和11月27日19:00—20：00云雷達與探空觀測云實例對比(a)2014年12月6日云雷達獲取的云反射率因子，(b)2014年12月6日探空獲取的溫度和相對濕度變化，(c)2014年11月27日云雷達獲取的云反射率因子，(d)2014年11月27日探空獲取的溫度和相對濕度變化Fig.5 Cloud observed by cloud radar and ceilometer from 1900 BT to 2000 BT on 27 Nov and 6 Dec in 2014(a)the reflectivity of cloud observed by cloud radar on 6 Dec 2014，(b)the temperature and relative humidity observed by rawinsonde on 6 Dec 2014，(c)the reflectivity of cloud observed by cloud radar on 27 Nov 2014，(d)the temperature and relative humidity observed by rawinsonde on 27 Nov 2014

4 一次有降水天氣過程云底高度的對比

圖6是2014年11月28日20：00—11月30日20：00一次降水天氣過程情況，其中,圖6a是云雷達觀測到的降水天氣過程反射率因子，由圖6a可清晰地看到整個天氣過程云體的結構變化。圖6b是云雷達與云高儀在這一時段內觀測到的云底高度。根據試驗基地地面自動氣象站每分鐘降水訂正數據，在11月29日18：00—18：20有短時降水，圖6a、圖6b中虛線框內部分為對應降水時段。由于常規(guī)探空資料每日僅兩次數據，圖6a、圖6b中橢圓實線框內部分代表這次天氣過程中獲得4次探空數據時段內云雷達獲取的反射率因子。根據地面自動氣象站能見度和相對濕度資料顯示，圖6b中在樣本量低于2000時，近地面相對濕度大于85%，能見度低于2 km,有濃霧或較厚的水汽層，這與圖6a中實線框內表示的近地面有一層較厚、反射率因子較大的部分相對應。再由圖6b中云雷達與云高儀觀測的云底高度可知，樣本量低于2000，云高儀受霧或水汽層影響，較少或無法探測到其上空的云信息，而樣本量超過2000后，隨著能見度的增加和相對濕度的減小，云高儀較好地觀測到了其上空的云信息，觀測的低、中云云底高度略高于云雷達。圖6a方框部分顯示，在降水發(fā)生時，云雷達較完整的觀測到云和降水回波，而云高儀發(fā)射的激光由于受雨滴等衰減，少量或無法獲取其上空云信息。表4為該次降水天氣過程中，云雷達、云高儀、探空系統所測云底、云頂高度(云高儀不能獲取云頂高度)。11月30日19:00—20:00降水過程已結束，天氣晴朗無云，3個設備均未獲取數據；受濃霧和近地面水汽層的影響，云高儀在11月29日07:00—08:00和11月29日19:00—20:00均未觀測到云數據；探空受探空氣球運動軌跡影響，在11月29日07:00—08:00未觀測到云數據；云雷達在11月29日07:00—08:00和11月29日19:00—20:00均觀測到云數據；11月30日07:00—08:00 3個設備均探測到云數據，云高儀和探空所測云底高度均高于云雷達，這與上文結論一致。

圖6 2014年11月28日—11月30日一次降水天氣過程(a)云雷達觀測到的反射率因子，(b)云雷達與云高儀觀測到的云底高度Fig.6 A precipitation weather process from 28 Nov to 30 Nov in 2014 (a)the reflectivity observed by cloud radar, (b)the cloud base height observed by cloud radar and ceilometer

時間云底高度云雷達云高儀探空云頂高度云雷達探空29T07:00—08:008155924029T19:00—20:00102011508780879430T07:00—08:001170186016595850596330T19:00—20:00

5 小 結

本文對2014年11月20日—12月31日云高儀、云雷達和探空的云數據進行分析，得出以下主要結論：

1) 在霧、霾及低能見度天氣中，云雷達的數據獲取能力明顯強于云高儀，隨著能見度的增加，兩設備的數據獲取率差距減小。在觀測非降雨云且在觀測結果1情況下，云雷達與云高儀觀測的低、中、高云云底高度結果一致性較好，但云高儀觀測的云底高度略高于云雷達。

2) 在2014年11月28—30日降水天氣過程中，云雷達相對于云高儀能較好地觀測到降水前后云底高度和云厚度的變化，且從云雷達的回波圖上可清楚地看到云的形成與消散的整個過程以及云體結構變化，但不能準確區(qū)分降水時云底位置。

3) 探空資料分析云結構同云雷達觀測結果對比，其吻合程度，受探空氣球運動路徑與云雷達探測方向的空間匹配程度的影響。試驗中云雷達與探空觀測云底高度和云頂高度的一致性較好，受探空儀器的滯后效應等影響，云雷達觀測的云底高度略低于探空，而云頂高度略高于探空。

毫米波云雷達發(fā)射的電磁波，受霧、霾等氣溶膠粒子影響較小，能穿透云層，獲得更多的云體內部物理結構信息，且具有較好的多普勒速度分辨能力，但在降水發(fā)生時，無法準確區(qū)分云底。探空氣球能夠穿過云層獲得整層高精度大氣廓線，可用于反演獲得云的垂直分布，但其時間分辨率較低。激光云高儀能獲得較為準確的云底高度信息，但受霧、霾等特殊天氣影響較大。將毫米波云雷達與其他遙感設備相結合，綜合利用各儀器的優(yōu)點進行聯合觀測，可以更好地研究大氣演變規(guī)律。通過進一步發(fā)展，今后將具有重要的推廣應用價值。

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Observation and Comparison of Cloud-base Heights by Ground-based Millimeter-wave Cloud Radar

Tang Yingjie1)Ma Shuqing2)Yang Ling1)Tao Fa2)Li Siteng1)Xie Chenghua1)Tang Fanjie1)

1)(CollegeofElectronicEngineering,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225)2)(MeteorologicalObservationCenterofCMA,Beijing100081)

As cloud automatic observation achieved breakthrough progress, a long-term comparison test on different devices is needed to select the suitable cloud observation equipment for regular operation of China. A Ka-band millimeter-wave (35 GHz) cloud radar (KaCR) and a vaisala laser ceilometer (VCEIL) are installed in Meteorological Observation Center of CMA, and data are compared with L-band rawinsonde observations (LRAOBS) in Beijing Weather Observatory from 20 Nov to 31 Dec in 2014. Among these instruments, the KaCR observes the echo power value and its temporal resolution is from 1 s to 60 s, the VCEIL measures the back scattering intense data with the same temporal resolution of KaCR, and the LRAOBS works twice every day. Data acquisition ratio measured by KaCR and VCEIL under different visibility conditions are compared. A comparison test of cloud base heights and cloud top heights measured by KaCR and VCEIL is also carried out. A comparison test of cloud base height and cloud top height measured by KaCR and LRAOBS and a real example is analyzed. And the cloud base heights and cloud top heights measured by KaCR, VCEIL and LRAOBS during a precipitation process are compared too.

The result indicates that the detection ability of KaCR is better than VCEIL under low visibility condition, and their difference of detection ability reduces with the visibility increasing. The cloud base heights measured by KaCR and VCEIL are well consistent, with the correlation coefficient reaching 0.92. The correlation coefficient of cloud base height between KaCR and LRAOBS is about 0.93, and that between KaCR and LRAOBS is about 0.78. Cloud base height measured by KaCR is slightly lower than that measured by VCEIL and LRAOBS, and cloud top height measured by KaCR is slightly lower than that measured by LRAOBS. KaCR can clearly show the process of cloud formation and dissipation and the structure changes of cloud compared with VCEIL and LRAOBS, but cannot accurately identify the cloud base position when it rains.

millimeter-wave cloud radar; laser ceilometer; L-band rawinsonde observation; cloud base height

10.11898/1001-7313.20150604

公益性行業(yè)氣象(科研)專項(GYHY201106047)

唐英杰,馬舒慶,楊玲,等. 云底高度的地基毫米波云雷達觀測及對比. 應用氣象學報，2015，26(6)：680-687.

2015-03-02收到， 2015-07-15收到再改稿。

* 通信作者， email: msgaoc@cma.gov.cn