莫偉強(qiáng)， 尹淑嫻

(東莞市氣象局，廣東東莞　523086)

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激光雷達(dá)與人工對(duì)云高觀測(cè)結(jié)果的比較

莫偉強(qiáng)， 尹淑嫻

(東莞市氣象局，廣東東莞523086)

摘要：使用MTECH 8200-CHS云高儀于2014年1月18日至2015年5月31日觀測(cè)的云高數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，以檢驗(yàn)儀器的性能，結(jié)果表明器測(cè)云高比目測(cè)偏高,儀器對(duì)于低云的觀測(cè)效果較好以及在夜間的觀測(cè)能力較白天好。二者差異的主要原因是由觀測(cè)范圍、數(shù)據(jù)采集時(shí)效及人工觀測(cè)受主觀影響等因素引起的。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用氣象； 云高； 激光云高儀； 目測(cè)； 東莞

云是影響天氣氣候的重要因子之一[1]。云的類(lèi)型、云量以及云高在天氣氣候中所起的作用各不相同[2-4]，中、低云由于云頂對(duì)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的反射而使大氣和地表降溫，而高云則相反，高云由于對(duì)太陽(yáng)輻射的透射效應(yīng)以及云體發(fā)射紅外輻射而使得大氣與地表升溫。如何準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取云的信息，對(duì)于氣候?qū)W研究、氣象預(yù)報(bào)、人工影響天氣以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多領(lǐng)域都十分重要[5]。目前云的觀測(cè)主要是依據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》進(jìn)行人工觀測(cè)測(cè)站上空云狀、云量和云底高度，但目測(cè)存在著主觀性強(qiáng)、觀測(cè)不連續(xù)、觀測(cè)時(shí)次較少等的制約，對(duì)于天空中云及天氣的實(shí)時(shí)變化的觀測(cè)能力較差。在當(dāng)前氣象要素觀測(cè)自動(dòng)化發(fā)展形勢(shì)下，利用自動(dòng)化程度高、可連續(xù)測(cè)量的云高儀來(lái)代替人工目測(cè)將成為趨勢(shì)[6]。

科技工作者先后研制出了激光雷達(dá)、激光云高儀、紅外云高儀以及毫米波云雷達(dá)等多種先進(jìn)設(shè)備，可以不間斷地對(duì)云底高進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)，并開(kāi)展了對(duì)比觀測(cè)研究[5，7-8]。激光雷達(dá)是其中一種常用的氣象觀測(cè)設(shè)備，可用于測(cè)量云與氣溶膠[9-10]、氣溫[11-12]、氣體濃度[13]等多種要素的垂直廓線(xiàn)，其中用于測(cè)量云與氣溶膠的米散射激光雷達(dá)與激光云高儀在本質(zhì)上是一樣的，都可以測(cè)量云底高度。本研究利用裝在東莞市氣象局觀測(cè)場(chǎng)的8200-CHS激光雷達(dá)云高儀反演的云高數(shù)據(jù)與人工目測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以檢測(cè)該設(shè)備對(duì)云高觀測(cè)的性能，為激光雷達(dá)的云高自動(dòng)化觀測(cè)提供初步依據(jù)。

1觀測(cè)儀器、數(shù)據(jù)資料及處理方法

本研究使用安裝在東莞市國(guó)家基本氣象觀測(cè)場(chǎng)的MTECH 8200-CHS云高儀，該儀器主要使用脈沖激光測(cè)距技術(shù)，即通過(guò)測(cè)量脈沖光從云高儀發(fā)射器到達(dá)云底后向散射，再回到云高儀接收器所需要時(shí)間，從而計(jì)算出目標(biāo)物的距離。其主要參數(shù)：探測(cè)高度：10～8 200 m、采數(shù)間隔30 s、采數(shù)掃描間隔30 s、輸出分辨率：3 m、精度：<7 m、激光源：InGas激光二極管(波長(zhǎng)：905 nm)[14]。

數(shù)據(jù)資料：2014年1月18日—2015年5月31日(其中2014年12月1日—2015年1月6日因?yàn)槭褂貌煌哪Ｊ接^測(cè)，所以不作統(tǒng)計(jì))東莞國(guó)家基本氣象站的每天08：00、11：00、14：00、17：00、20：00 (北京時(shí)，下同)，共5次定時(shí)人工觀測(cè)云高資料和位于同一地點(diǎn)的8200-CHS云高儀所測(cè)云高資料。

分析方法：將云高細(xì)分為h<1 000、<1 500、<2 000、<2 500 以及≥2 500 m幾個(gè)等級(jí)，以及分為低云、中云和高云3個(gè)等級(jí)2種方法。

2結(jié)果及分析

2.1總體結(jié)果

云主要分為3族10屬29類(lèi)，3族分別是低云族、中云族、高云族，通常高度為低于2 500、2 500～5 000、5 000 m以上，現(xiàn)將低云族按500 m的高度劃分為幾個(gè)區(qū)域，Band0表示人工目測(cè)和器測(cè)云高在同一區(qū)域內(nèi)，Band1表示人工目測(cè)和器測(cè)云高相隔1個(gè)層次正負(fù)差500 m，其中包括在同一區(qū)域云高，有時(shí)天空無(wú)云或布滿(mǎn)云層，但激光脈沖無(wú)法返回，缺測(cè)表示人工目測(cè)有云，云高儀數(shù)據(jù)為“99999”或漏報(bào)，人工目測(cè)和器測(cè)云高對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看到，8200-CHS云高儀在該時(shí)段內(nèi)所測(cè)云高的缺測(cè)率為4.1%，Band0為15.2%，Band1為8.7%，剔除云高儀的缺測(cè)數(shù)據(jù)，用有效數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)，Band0為15.8%，Band1為9.0%，Band0和Band1相加達(dá)到24.8%。

總體來(lái)看，儀器的缺測(cè)率較低，儀器可用性較好。器測(cè)云高比人工目測(cè)云底高度要高，其中，1 500 m以?xún)?nèi)的云，人工目測(cè)和器測(cè)結(jié)果較接近。對(duì)于≤2 500 m的中低云云高，云高儀所測(cè)和人工目測(cè)還是有較好的一致性，而儀器>2 500 m時(shí)，二者的差異較大。

2.2不同高度的比較

將儀器和人工目測(cè)全部觀測(cè)資料及按儀器所觀測(cè)的高度分為低于2 500、2 500 ～5 000、5 000 m以上3種情況的對(duì)比，再將儀器觀測(cè)與人工觀測(cè)的云高相減求絕對(duì)值，再按絕對(duì)值分為500以下、500～1 500、1 500～3 000、3 000～5 000、>5 000 m 5個(gè)級(jí)別。得到的結(jié)果見(jiàn)表2，從表2中可以看到，當(dāng)儀器觀測(cè)到的高度<2 500 m時(shí)，二者的相差在1 500 m以?xún)?nèi)的占82.1%，而差值在500 m以?xún)?nèi)的占32.6%；而當(dāng)器測(cè)高度測(cè)在2 500～5 000 m時(shí)，差值在3 000 m以?xún)?nèi)的占47%，其余的都是差值在3 000～5 000 m之間；而當(dāng)器測(cè)高度>5 000 m時(shí)，二者的偏離則比較大，大部分的差值在3 000 m以外，尤其是差值在5 000 m以外的占50%。從表二中的對(duì)比可以看到，儀器對(duì)于2 500 m以?xún)?nèi)的低云與人工有較高的吻合度，儀器對(duì)于低云的觀測(cè)能力較好，而對(duì)于5 000 m以外的高云，儀器的偏差比較大，儀器對(duì)于高云的觀測(cè)能力較差。

表2　不同高度的云儀器與人工目測(cè)的差值范圍個(gè)數(shù)

2.3不同時(shí)次比較

圖1為不同時(shí)次(08：00、11：00、14：00、17：00和20：00)人工目測(cè)與器測(cè)對(duì)比圖。從圖1中可看到，08：00和20：00器測(cè)和人工目測(cè)一致性較好，特別是20：00最為相似，其余時(shí)次離散度較大。這是由于以光學(xué)作為檢測(cè)手段的激光雷達(dá)，其接收的大氣回波信號(hào)往往很弱，且隨著探測(cè)高度的增大，回波信號(hào)強(qiáng)度以高度平方的倒數(shù)遞減造成的。同時(shí)，由于光電探測(cè)器件產(chǎn)生的暗電流、信號(hào)處理電路元件產(chǎn)生的熱噪聲以及天空背景光等雜散光均使得激光雷達(dá)的遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)很容易淹沒(méi)在噪聲之中[15]。而背景噪聲的波動(dòng)具有明顯的日變化，因?yàn)榘滋焓芴?yáng)輻射、天空輻射、熱輻射等影響，其值波動(dòng)較大；晚上主要受熱輻射、燈光等的影響，其值波動(dòng)較平穩(wěn)。陰天的背景噪聲相比晴天的背景噪聲整體偏低，且波動(dòng)較小。

圖1　08：00(a)、11：00(b)、14：00(c)、17：00(d)和20：00(e) 8200-CHS云高儀器與人工目測(cè)云高的散點(diǎn)圖

2.4晴雨天氣的比較

將有雨時(shí)刻的與晴天的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖2)。從圖2中可見(jiàn)，雨天時(shí)(圖2a)目測(cè)曲線(xiàn)與器測(cè)曲線(xiàn)吻合度較小，而晴天(圖2b)兩曲線(xiàn)吻合點(diǎn)較多。將儀器觀測(cè)與人工觀測(cè)的云高相減求絕對(duì)值，雨天的差值較小，儀器觀測(cè)值普遍高于人工觀測(cè)值，東莞的降水云層主要是低層云降水，所以?xún)烧卟罹嗖淮?，致使整個(gè)的平均對(duì)比值不大。

圖2　雨天(a)和晴天(b)8200-CHS云高儀與人工目測(cè)云高對(duì)比曲線(xiàn)

3差異的原因分析

通過(guò)對(duì)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)方式的對(duì)比，可知二者差異的主要原因是：

1)觀測(cè)方式不同。人工觀測(cè)的云量云高通過(guò)人眼觀測(cè)測(cè)站整個(gè)天空視野，而激光云高儀是通過(guò)測(cè)量脈沖光測(cè)距，所測(cè)是激光發(fā)射到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)。

2)數(shù)據(jù)采集時(shí)間不同。根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求，一般情況下，人工觀測(cè)的時(shí)間為正點(diǎn)前45～60 min，距正點(diǎn)時(shí)間約相差十多分鐘，而云高儀所測(cè)數(shù)據(jù)一般是采用正點(diǎn)值[16-17]。

3)人工觀測(cè)受主觀影響較大，器測(cè)有時(shí)測(cè)不到所需部位，無(wú)法全面反映天空的真實(shí)情況，再加上儀器測(cè)定受污染物、降水物等的影響很大，也容易產(chǎn)生誤差[18]。

4)由于東莞降水主要來(lái)自低層云，雨天時(shí)器測(cè)與人工觀測(cè)值平均對(duì)比差值比晴天小。

4結(jié)論

通過(guò)安裝在東莞市氣象局觀測(cè)場(chǎng)的MTECH 8200-CHS云高儀所觀測(cè)的云高數(shù)據(jù)與同一地點(diǎn)的人工觀測(cè)的云高數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)儀器的缺測(cè)率較低，儀器可用性較好，但器測(cè)云高比目測(cè)云底高度要高，其中，1 500 m以?xún)?nèi)的云，人工目測(cè)和器測(cè)結(jié)果較接近。

2)儀器對(duì)于2 500 m以?xún)?nèi)的低云與人工有較高的吻合度，儀器對(duì)于低云的觀測(cè)能力較好，而對(duì)于5 000 m以外的高云，儀器的偏差比較大，儀器對(duì)于高云的觀測(cè)能力較差，器測(cè)的云高比人工偏高較多。

3)在夜間儀器的觀測(cè)和人工目測(cè)一致性較好，白天離散度較大。

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收稿日期：2015-10-08

基金項(xiàng)目：廣東省氣象局科研項(xiàng)目(2012C02)

作者簡(jiǎn)介：莫偉強(qiáng)(1981年生)，男，碩士研究生，工程師，主要從事氣象服務(wù)、氣象探測(cè)工作。E-mail：sharkmo@qq.com

中圖分類(lèi)號(hào)：P49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.014

莫偉強(qiáng)， 尹淑嫻.激光雷達(dá)與人工對(duì)云高觀測(cè)結(jié)果的比較[J].廣東氣象，2016,38(1)：57-60.