李榮波，齊琳琳，趙倩，安潔

（1.解放軍92538部隊(duì)12分隊(duì)，遼寧大連116041；2.空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京100085；3.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽合肥230031；4.安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

?

基于衛(wèi)星主動(dòng)觀測(cè)的東海海域有限高度視線無(wú)云概率研究

李榮波1，齊琳琳2，趙倩3，4，安潔2

（1.解放軍92538部隊(duì)12分隊(duì)，遼寧大連116041；2.空軍裝備研究院航空氣象防化研究所，北京100085；3.安徽省氣象科學(xué)研究所，安徽合肥230031；4.安徽省大氣科學(xué)與衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230031）

摘要：鑒于衛(wèi)星主動(dòng)觀測(cè)具備對(duì)云空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直觀測(cè)能力，利用2008年CloudSat/ CALIPSO衛(wèi)星資料，以東海為例，重點(diǎn)開(kāi)展了不同高度不同視線方向視線無(wú)云概率的分布特征研究。結(jié)果表明：視線無(wú)云概率隨觀測(cè)高度、角度的不同而不同，相同高度不同視線方向無(wú)云概率分布差異顯著。研究結(jié)果對(duì)加強(qiáng)衛(wèi)星云特征產(chǎn)品的實(shí)際保障應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：CloudSat衛(wèi)星；東海；視線無(wú)云概率

1　引言

云的三維時(shí)空分布對(duì)空基和天基光學(xué)、紅外傳感器的使用有著明顯影響，如紅外照相時(shí)較厚的云層有可能完全阻擋紅外線穿過(guò)。針對(duì)云對(duì)傳感器觀測(cè)的影響問(wèn)題，美國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)60年代提出了視線無(wú)云概率的概念。視線無(wú)云概率（Probability of Cloud-Free Lines-Of-Sight，PCFLOS）定義為視線上不被云遮擋的概率，通常用0—100之間的百分比來(lái)表示。在某一視線上，10%的視線無(wú)云概率就表示目標(biāo)物能夠被觀測(cè)到的概率為10%。目前，隨著光學(xué)精確制導(dǎo)武器已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要“殺手锏”武器，云的存在對(duì)此類(lèi)武器性能的影響也越來(lái)越受到人們的重視。研究云對(duì)傳感器觀測(cè)的影響在航空和軍事等部門(mén)的應(yīng)用前景非常廣泛，將有助于提高飛機(jī)精確投彈和準(zhǔn)確照像偵察等的成功率。

受觀測(cè)條件限制，早期視線無(wú)云概率研究主要是基于地面常規(guī)觀測(cè)資料。McCabe［1］和Lund［2］分別獨(dú)立地提出了利用地面觀測(cè)資料計(jì)算視線無(wú)云概率的半客觀分析方法。此后，Lund等［3］利用哥倫比亞地區(qū)的全天空照相機(jī)連續(xù)3 a拍攝的云照片資料，研究得出從地面穿透整層大氣視線無(wú)云概率的兩種計(jì)算方法，并提出了Lund模型方位角無(wú)關(guān)假設(shè)。而后Rapp等［4］、Boltz等［5］、Warren等［6］相繼發(fā)展和評(píng)估驗(yàn)證了該方法的合理性。國(guó)內(nèi)對(duì)視線無(wú)云概率的研究雖相對(duì)較晚，但取得的結(jié)果有力支持了我航空、軍事部門(mén)的迫切需求［7-9］。其中，較為代表的是李昀英在Lund工作基礎(chǔ)上給出了適用于世界任意地區(qū)有限高度視線無(wú)云概率的計(jì)算方法［7］，并利用佛山地區(qū)30 a云氣候資料計(jì)算得出的視線無(wú)云概率隨高度的增加和視角的減小而減小。但對(duì)于高原、海洋等觀測(cè)資料匱乏地區(qū)，基于地面觀測(cè)資料的視線無(wú)云概率研究仍存在很大局限性。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星資料在視線無(wú)云概率研究中的應(yīng)用逐步得到重視，如Hobbs等［10］利用美國(guó)NOAA極軌環(huán)境衛(wèi)星大氣紅外垂直探測(cè)器（HIRS）為期8 a的全球云氣候?qū)W資料，得出利用被動(dòng)衛(wèi)星資料確定視線無(wú)云概率的方法。但由于被動(dòng)衛(wèi)星只能對(duì)云頂部分提供有效測(cè)量，因此，基于被動(dòng)衛(wèi)星資料只能得到最高云層之上的視線無(wú)云概率，對(duì)于最高云層下方的視線無(wú)云情況無(wú)法直接確定，從而還是存在或多或少局限性。2006年主動(dòng)觀測(cè)衛(wèi)星CloudSat與CALIPSO的發(fā)射成功，其所具備的垂直探測(cè)能力為視線無(wú)云概率研究提供了新的契機(jī)。姚志剛等［11］利用該衛(wèi)星資料重點(diǎn)針對(duì)青藏高原及周邊區(qū)域各季節(jié)不同高度不同視線方向視線無(wú)云概率進(jìn)行了較為全面的研究。但尚未有學(xué)者利用衛(wèi)星主動(dòng)觀測(cè)資料對(duì)我國(guó)近海海域的視線無(wú)云概率進(jìn)行針對(duì)性研究。考慮到東海海域的重要軍事戰(zhàn)略地位，其視線無(wú)云概率研究對(duì)于航空偵察等具有重要指導(dǎo)意義。為此，本文利用2008年CloudSat/CALIPSO衛(wèi)星資料開(kāi)展了該海域視線無(wú)云分布狀況研究，重點(diǎn)分析出相同高度不同視線方向視線無(wú)云概率的分布特征，以便為衛(wèi)星云特征產(chǎn)品的實(shí)際保障應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2　資料和方法

2006年4月，載有94 GHz云廓線雷達(dá)（CPR）的CloudSat衛(wèi)星和載有激光雷達(dá)（CALIOP）的CALIPSO的衛(wèi)星發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了對(duì)云垂直分布和結(jié)構(gòu)特征的主動(dòng)遙感探測(cè)，并且首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)云和降水的同時(shí)觀測(cè)［12-14］。尤其是CloudSat衛(wèi)星搭載的94GHz毫米波云觀測(cè)雷達(dá)（CPR），可以“切開(kāi)”云層，為研究全球尺度云屬性提供了新的契機(jī)。

CloudSat衛(wèi)星位于705 km高度的太陽(yáng)同步軌道上，衛(wèi)星繞地球一周成為一個(gè)掃描軌道，掃描時(shí)間大約99 min，每天大約繞地球14—15個(gè)掃描軌道，一個(gè)掃描軌道的長(zhǎng)度大約是40 786 km，每條軌道由37 088條掃描廓線組成，在雷達(dá)軌跡上約每0.16 s產(chǎn)生一個(gè)有效的探測(cè)廓線，每個(gè)像素點(diǎn)的星下點(diǎn)波束覆蓋寬度的沿軌是2.5 km，橫軌是1.4 km，數(shù)據(jù)采樣自兩根廓線之間，因此數(shù)據(jù)產(chǎn)品的水平分辨率為1.1 km×1.3 km，垂直方向有125個(gè)距離庫(kù)，代表氣柱高度約240 m，即垂直探測(cè)的高度大約為30 km，如圖1所示。

鑒于視線無(wú)云概率以及云的出現(xiàn)頻率強(qiáng)烈的依賴(lài)于云的三維空間分布情況，而主動(dòng)觀測(cè)衛(wèi)星CloudSat與CALIPSO在云垂直結(jié)構(gòu)方面具有其它手段無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，為此，本文針對(duì)東海海域，利用姚志剛等建立的無(wú)云出現(xiàn)頻率計(jì)算模型，計(jì)算了相同高度不同視線方向上無(wú)云的出現(xiàn)頻率。

計(jì)算各高度上各視線方向上的無(wú)云概率模型圖如圖2所示，O為觀測(cè)點(diǎn)，r為視線距離（取20 km），θ為視線與y軸正方向的夾角，h是觀測(cè)高度，s是視線末端在地面上的投影與觀測(cè)點(diǎn)在地面上的投影之間的距離。

由于不同的視線方向，有云/無(wú)云概率計(jì)算方法不同，需分不同情況處理：

（1）垂直向上觀測(cè)，即θ=0°時(shí)，若高度h小于觀測(cè)點(diǎn)所在廓線內(nèi)最上層云的云頂高度，則判斷其為有云；

（2）垂直向下觀測(cè)，即θ=180°時(shí)，如果高度h大于觀測(cè)點(diǎn)所在廓線內(nèi)最下層云的云底高度，則判斷其為有云；

圖1 CloudSat產(chǎn)品存儲(chǔ)說(shuō)明示意圖

圖2各高度上各視線方向上的無(wú)云概率模型圖

（3）沿水平方向觀測(cè)，即θ=90°或θ=270°時(shí)逐一判斷方向“北”或方向“南”距離觀測(cè)點(diǎn)20 km范圍內(nèi)觀測(cè)廓線內(nèi)在h高度是否有云，如果任何一條廓線有云，則判斷該觀測(cè)點(diǎn)在該方向觀測(cè)到云；

（4）若視線在直角坐標(biāo)系內(nèi)的Ⅰ和Ⅱ象限時(shí)，首先計(jì)算經(jīng)過(guò)的廓線數(shù)，計(jì)算方法如圖3所示，

式中：g為地球重力加速度。

由于CPR的沿軌水平分辨率是1.1 km，所以廓線數(shù)為：

由圖還可以得到：

由于 xn+1=rgcosθ，所以可得 x1、x2、x3、…、xn，然后得到視線在各觀測(cè)廓線內(nèi)的邊界高度：

圖3視線向上觀測(cè)示意圖

這樣逐一判斷高度hn至hn+1之間在距O點(diǎn)第n條廓線內(nèi)是否有云，如果任一視線高度內(nèi)有云，則判斷該方向有云；

（5）如果視線在直角坐標(biāo)系的Ⅲ和Ⅳ象限時(shí)，要分兩種情況進(jìn)行考慮，即1）觀測(cè)點(diǎn)在視線方向上與地面距離小于視線距離r和2）觀測(cè)點(diǎn)在視線方向上與地面距離大于視線距離r。

1）如4所示，可以得到：

同上，視線經(jīng)過(guò)的廓線數(shù)為：

從而可以得到

然后可以得到視線在各觀測(cè)廓線內(nèi)的邊界高度：

這樣逐一判斷高度hn至hn+1之間在距O點(diǎn)的第n條廓線內(nèi)是否有云，如果任何一個(gè)視線高度內(nèi)有云則判斷該方向有云。

2）如圖5所示，可以得到：

圖4　觀測(cè)點(diǎn)在視線方向上與地面距離小于視線距離r時(shí)的視線向下觀測(cè)示意圖

圖5觀測(cè)點(diǎn)在視線方向上與地面距離大于視線距離r時(shí)的視線向下觀測(cè)示意圖

視線經(jīng)過(guò)的廓線數(shù)：

可以得到：

推得：

進(jìn)而得到：

同樣，逐一判斷高度hn至hn+1之間在距O點(diǎn)的第n條廓線內(nèi)是否有云，如果任何一個(gè)視線高度內(nèi)有云則判斷該方向有云。

由

3　特征分析

針對(duì)1—5 km逐1 km的5個(gè)高度層不同視線方向無(wú)云概率年平均分布情況進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，盡管相同高度不同視線方向無(wú)云出現(xiàn)概率在量值和分布上均存在差異，但任一高度上的視線無(wú)云概率沿著0°和180°的垂直線大致有對(duì)稱(chēng)分布的趨勢(shì)，這一結(jié)果與姚志剛等［11］對(duì)青藏高原地區(qū)的分析相似，說(shuō)明Lund模型中的方位角無(wú)關(guān)假設(shè)具有普適性。

圖6給出了1 km高度上逐30°變化的不同方向視線無(wú)云概率分布。可以看出：視線向下的無(wú)云概率比視線向上的無(wú)云概率偏高，沿垂直向上或向下的對(duì)稱(chēng)兩側(cè)視線無(wú)云概率分布趨勢(shì)一致。其中，由于1 km所在的高度較低，其上方往往被大量云層覆蓋，而1 km以下的云量有限，所以視線垂直向上的無(wú)云概率相對(duì)最小。而隨著觀測(cè)角度的增大，無(wú)云概率也逐漸增大，至斜視150°和210°方向上達(dá)到最大，約95%以上，這可能與云與云的間隙落在觀測(cè)視線內(nèi)有關(guān)。而對(duì)于水平90°和270°方向，無(wú)云概率低值區(qū)呈東北西南走向，高值區(qū)位于長(zhǎng)江入?？谘匕逗团_(tái)灣海峽區(qū)域，高值中心無(wú)云概率值在70%以上。對(duì)于120°與240°方向，無(wú)云概率的分布形式與水平方向相似，但是無(wú)云概率的值略微偏高，整體在70%以上；同時(shí)視線向上60°和300°方向上，視線無(wú)云概率同時(shí)呈現(xiàn)南北向分布，高值區(qū)位于臺(tái)灣海峽、巴士海峽及澎湖列島的東南部，高值中心的無(wú)云概率值達(dá)65%以上。需要指出的是，在間隔逐10°的視線無(wú)云概率計(jì)算中我們發(fā)現(xiàn)，150°—170°和190°—210°的視線無(wú)云概率基本相當(dāng)，相對(duì)最大，由此我們可以將150°作為視線方向的分水嶺。1 km高度上，當(dāng)視線轉(zhuǎn)向下時(shí)，其觀測(cè)半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20 km，又因低于1 km的云量本就不多，所以90°視線后隨著角度增加，無(wú)云概率增大，至150°受觀測(cè)半徑和云之間縫隙的共同影響，使得視線無(wú)云概率顯著增大。而180°上值的相對(duì)減小，應(yīng)該是與垂直向下觀測(cè)時(shí)云層間隙對(duì)其沒(méi)有影響有關(guān)。只要視線下有云，都會(huì)削弱視線無(wú)云概率。

對(duì)于5 km高度上的視線無(wú)云概率分布而言（見(jiàn)圖7），其與1 km上的規(guī)律基本一致，也是沿垂直向上或向下的對(duì)稱(chēng)兩側(cè)視線無(wú)云概率分布趨勢(shì)一致。其中，視線偏上方向的無(wú)云概率分布呈南北型分布，而視線偏下方向的則大致呈東北西南向分布。琉球群島西北部的東北西南向海域是視線無(wú)云概率低值帶，臺(tái)灣海峽以及臺(tái)灣島西南部的各個(gè)方向上無(wú)云概率分布是相對(duì)高值區(qū)，而在臺(tái)灣島的東北部及東部地區(qū)則偏低。與1 km視線無(wú)云概率隨角度變化不同的是，隨著視線由垂直向上的逐漸下移，無(wú)云概率逐漸變大，至水平90°達(dá)到最大，之后隨著角度的增大逐漸減小，至垂直向下時(shí)達(dá)到相對(duì)最低。對(duì)于水平90°和270°方向上無(wú)云概率達(dá)到最大，這說(shuō)明該高度上此角度云的遮蔽性不強(qiáng)，云與云的間隙落在觀測(cè)視線內(nèi)最大。而5 km高度的各類(lèi)云相對(duì)多，云與云的互相遮蔽效應(yīng)明顯，故視線被云遮擋最強(qiáng)。對(duì)于其它視線方向，總體來(lái)看還是視線斜向下的無(wú)云概率比視線斜向上的無(wú)云概率偏高，這應(yīng)與向下看時(shí)可透過(guò)不同高度云塊間的縫隙有關(guān)。

圖6 1 km高度不同方向視線無(wú)云頻率分布圖（a—l分別表示0—330°間逐30°變化的各視線方向）

上述分析也可一定程度上反映出無(wú)云概率分布的高度變化特征，即同一視線條件下不同高度的無(wú)云概率存在很大差異。無(wú)論是垂直向上還是水平方向，視線無(wú)云概率與該層及其以上的可視云量有關(guān)，隨著高度的增加視線無(wú)云概率有逐漸增大趨勢(shì)。但對(duì)于垂直向下而言，卻是高度越高，視線上的云遮蔽越明顯，這反映出在中高云集中出現(xiàn)的高度層云間隙的可視度相對(duì)少。由此可以說(shuō)，視線無(wú)云概率的分布與觀察角度、觀測(cè)高度等密切相關(guān)，其反映的只是在既定計(jì)算條件下的視線上不被云遮擋的概率相對(duì)性，不具有絕對(duì)性。

圖7 5 km高度不同方向視線無(wú)云頻率分布圖（a—l分別表示0—330°間逐30°變化的各視線方向）

4　結(jié)論

本文以我國(guó)東海海域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用衛(wèi)星主動(dòng)觀測(cè)資料計(jì)算分析了既定條件下不同高度不同視線方向無(wú)云概率的年平均特征，得出以下結(jié)論：

（1）不同高度沿垂直軸線對(duì)稱(chēng)不同視角方向的無(wú)云概率分布特征具有一致性的趨勢(shì)，這說(shuō)明計(jì)算模型中的方位角無(wú)關(guān)假設(shè)具有普適性；

（2）相同高度不同視線方向和不同高度同一視線方向的無(wú)云概率分布差異顯著。1 km上的最大視線無(wú)云概率出現(xiàn)在向下斜視，而5 km的則出現(xiàn)在水平方向。這說(shuō)明不同高度各角度上的云遮蔽情況有很大不同，只有當(dāng)云與云的間隙落在觀測(cè)視線內(nèi)最大時(shí)無(wú)云概率最強(qiáng)。但總體來(lái)看還是視線斜向下時(shí)的無(wú)云概率比視線斜向上的偏大；

（3）考慮到視線無(wú)云概率的分布與觀察角度、觀測(cè)高度等密切相關(guān)，當(dāng)云與云間隙落在觀測(cè)視線內(nèi)多時(shí)視線無(wú)云概率就會(huì)變大。因此計(jì)算結(jié)果反映的只是既定計(jì)算條件下視線上不被云遮擋的概率相對(duì)性，而非決定性。當(dāng)使用的云產(chǎn)品數(shù)據(jù)、觀測(cè)角度定義等不同時(shí)，可能會(huì)得到不同結(jié)果。

上述研究結(jié)果對(duì)于海洋環(huán)境空基傳感器探測(cè)性能的有效發(fā)揮具有支撐意義。而隨著衛(wèi)星主被動(dòng)觀測(cè)的逐步發(fā)展完善，海洋上空有限高度視線無(wú)云概率研究將會(huì)得到越來(lái)越廣泛開(kāi)展。

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中圖分類(lèi)號(hào)：P732.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）02-0008-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.002

收稿日期：2015-09-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA091801）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金（41005030，41205044）

作者簡(jiǎn)介：李榮波（1972-），男，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事氣象水文預(yù)報(bào)工作。E-mail:279900133@qq.com

通訊作者：齊琳琳（1973-），女，高級(jí)工程師，博士，主要從事海洋氣象研究。E-mail：niceqll@mail.iap.ac.cn

Characteristics of cloud occurrence frequency along the line of sight at given height over the East China Sea from satellite-based active measurements

LI Rong-bo1，QI Lin-lin2，ZHAO Qian3，4，AN Jie2
（1.Unite 92538 of PLA，Dalian 116041 China；2.Institute of Aeronautical Meteorology，Beijing 100085 China；3.Anjui Institute of Meteorological，Hefei 230031 China；4.Laboratory of Atmospheric Science and Satellite Romote Sensing of Anhui Province，Hefei 230031 China）

Abstract：Based on the cloud vertical structure observed by the satellite-based active measurements，theCloudSat/CALIPSO observations from January 2008 to December 2010 are used to analyze the characteristics and distributions of cloud occurrence frequency along the line of sight at difference heights over the East China Sea.The results show that the cloud occurrence frequency along the line of sight is dependent on the altitude and angle from the observer.The cloud occurrence frequency is significantly difference along the different line of sight at the same height.The results are significant for the actual application of the observations from satellite.

Key words：CloudSat satellite；East China Sea；cloud occurrence frequency