■ 許小峰

做這樣的試驗(yàn)，既可以標(biāo)定衛(wèi)星資料的精度，也可以對(duì)奧林匹克山伴隨特殊中緯度地形產(chǎn)生的復(fù)雜天氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，還可以改進(jìn)衛(wèi)星雷達(dá)在這一區(qū)域反演降水的算法。

初次聽說奧林匹克山（圖1）氣象試驗(yàn)時(shí)，習(xí)慣上會(huì)聯(lián)想到希臘，以為是在歐洲發(fā)生的事。細(xì)查一下，奧林匹克山是在美國，位于華盛頓州西北角毗鄰太平洋的一個(gè)半島上，這個(gè)半島也被稱之為奧林匹克半島。這樣命名，多少與希臘有關(guān)，英國人18世紀(jì)深入到這個(gè)半島后，被這里壯美的山脈所吸引，感覺很像希臘諸神居住的奧林匹斯山脈，便開始以奧林匹克山相稱。直到1938年，以奧林匹克山脈為中心的美國國家公園正式成立，半島、公園、山脈也隨之都被冠以奧林匹克。

圖1 奧林匹克山區(qū)域地形圖

2014年2月，美國國家航空航天局（NASA）成功發(fā)射了測雨衛(wèi)星GPM，這是一顆帶有雙頻雷達(dá)和13個(gè)通道（10～183 GHz）微波成像儀（GMI）等其他載荷的主動(dòng)和被動(dòng)遙感相結(jié)合的氣象衛(wèi)星，通過Ku（13.6 GHz）、Ka（35.5 GHz）兩個(gè)頻段測雨雷達(dá)從外空對(duì)地球上的云雨進(jìn)行主動(dòng)掃描觀測，從而提高全球降水的觀測能力，特別是對(duì)于觀測空白的大量無人區(qū)域，衛(wèi)星降水觀測是很好的彌補(bǔ)手段。這顆衛(wèi)星也稱作GPM-CORE，是GPM星座的核心星，整個(gè)星座包括了NASA和JAXA（日本航天局）已有一些氣象遙感衛(wèi)星及與兩者有雙邊協(xié)議合作單位的衛(wèi)星，還包含 CNES（法國國家太空研究中心）、ISRO（印度空間研究組織）、EUMETSAT（歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織）、美國NOAA（國家海洋和大氣管理局）及DOD（國防部）的衛(wèi)星，構(gòu)成了一個(gè)協(xié)同觀測的體系，可以及時(shí)共享每顆星觀測到的信息，提高了整體觀測功能和效率。

從遙遠(yuǎn)的太空對(duì)地開展主動(dòng)遙感觀測，要對(duì)其觀測精度進(jìn)行檢驗(yàn)和標(biāo)定，也需要對(duì)其產(chǎn)生的各類應(yīng)用產(chǎn)品準(zhǔn)確性進(jìn)行校正，如雷達(dá)探測估測的降雨，需要通過地面實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。盡管通過對(duì)熱帶測雨衛(wèi)星TRMM多年應(yīng)用和檢驗(yàn)，已積累了豐富的外空對(duì)地雷達(dá)測雨反演的經(jīng)驗(yàn)和算法，但GPM將探測范圍從熱帶拓展到了全球，則需要對(duì)中高緯度降雨類型的反演算法進(jìn)行調(diào)整并重新驗(yàn)證。

由于受到中高緯度太平洋西風(fēng)帶斜壓天氣系統(tǒng)和地形作用共同影響，奧林匹克山谷一個(gè)季節(jié)降水量可達(dá)2000～4000 mm，且由于是位于山地環(huán)境，云系的微物理相態(tài)在垂直方向變化很大，無論是從天氣學(xué)角度還是從區(qū)域氣候?qū)W角度，這里都是一個(gè)理想的外場試驗(yàn)區(qū)。通過布設(shè)各種觀測設(shè)備，在多變的天氣下，將不同類型的探測資料進(jìn)行綜合分析和模擬試驗(yàn)，并與GPM星的觀測信息進(jìn)行對(duì)比。做這樣的試驗(yàn)，既可以標(biāo)定衛(wèi)星資料的精度，也可以對(duì)奧林匹克山伴隨特殊中緯度地形產(chǎn)生的復(fù)雜天氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，還可以改進(jìn)衛(wèi)星雷達(dá)在這一區(qū)域反演降水的算法，顯然是一舉多得的選擇。

奧林匹克山氣象試驗(yàn)從2014年秋季開始，持續(xù)到2016年春季，重點(diǎn)觀測活動(dòng)集中在2015—2016年秋冬季（圖2）。來自NASA、NOAA、國家基金會(huì)（NSF）、各大學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覅⒓恿诉@一試驗(yàn)。在地面上布設(shè)了四種頻段的雙偏振多普勒雷達(dá)，包括S波段、X波段、Ku波段和Ka波段。S和X波段雷達(dá)用于對(duì)大范圍的天氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，Ku和Ka波段雷達(dá)除有助于監(jiān)測天氣系統(tǒng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)外，更重要的是可直接與GPM衛(wèi)星上的Ku/ Ka波段雷達(dá)信息進(jìn)行對(duì)比校正。

地面觀測的另一重要特點(diǎn)是沿著奧林匹克山體走向的自動(dòng)觀測站布設(shè)，形成對(duì)沿山脈爬升和下沉氣流和天氣系統(tǒng)變化的立體觀測，可以更細(xì)致地了解山脈對(duì)天氣系統(tǒng)的影響及天氣變化的連續(xù)過程（圖3）。此外，還安裝了自動(dòng)拍攝的攝像機(jī)，可以監(jiān)測并記錄降雪和積雪狀況。儀器外，在有雨、雪等天氣系統(tǒng)時(shí)，通過下投探空儀（dropsondes）和探空雷達(dá)（rawinsondes）對(duì)天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測。

圖2 奧林匹克山氣象試驗(yàn)期間地面和空中設(shè)備運(yùn)行計(jì)劃表

圖3 2015年11月10日—2016年5月1日奧林匹克山氣象試驗(yàn)期間地面測站獲取的降雨累計(jì)量分布（單位：mm）

NASA的DC-8飛機(jī)的飛行高度可達(dá)11.8 km，裝載了新型三頻雷達(dá)探測儀APR-3，可以通過Ku、Ka、W三個(gè)頻段進(jìn)行主動(dòng)探測（圖5、圖6），還裝有多波段微波被動(dòng)遙感裝置COSMIR，兩個(gè)裝置協(xié)同觀測，可以較完整地獲取大氣狀況信息。NASA的另一架飛機(jī)ER-2功能更強(qiáng)一些，

圖4 2015年12月3日三架飛機(jī)DC-8（黃色）、Citation（藍(lán)色）和ER-2（紅色）在GPM衛(wèi)星Ku頻段雷達(dá)掃描帶中協(xié)調(diào)飛行探測

圖5 2015年12月8日安裝在DC-8飛機(jī)上三頻測雨雷達(dá)APR-3從奧林匹克山脈的西南（左側(cè)）到東北（右側(cè)）穿越時(shí)向下探測得到的信息

除地基的綜合觀測外，來自空中的觀測也展示了很強(qiáng)的能力，美國宇航局提供了四架研究飛機(jī)參與空中觀測（圖4），除飛機(jī)本身攜帶的觀測飛行高度可達(dá)18 km，安裝有Ku和Ka雙頻雷達(dá)HIWRAP，9.4和9.6 GHz雙X波段雷達(dá)EXRAD，94 GHz 的W波段云雷達(dá)CRS-Radar，8波段微波輻射計(jì)AirMSPI，激光雷達(dá)CPL等。與這兩架飛機(jī)協(xié)調(diào)探測的另一架飛機(jī)是美國北達(dá)科他大學(xué)（UND）提供的Citation飛機(jī)，可在0.6～7.5 km高度飛行，配備了最先進(jìn)的云微物理探測儀，主要在云層內(nèi)飛行，可對(duì)云中的云滴、水滴、冰晶的圖像、大小、濃度、速度等進(jìn)行直接觀測，用于與雷達(dá)、衛(wèi)星獲取的遙感信息轉(zhuǎn)換的云水信息量進(jìn)行比較驗(yàn)證，從而對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。NASA的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（JPL）還提供了一架裝有測雪激光雷達(dá)的飛機(jī)（ASO），用于對(duì)奧林匹克山地區(qū)積雪范圍、深度和密度進(jìn)行觀測。

這些飛機(jī)通過反復(fù)穿越中緯度斜壓風(fēng)暴系統(tǒng)，獲取了大量寶貴的實(shí)測資料，一方面通過Ku和Ka雙頻雷達(dá)獲取的信息與GPM衛(wèi)星的雙頻雷達(dá)信息進(jìn)行比較驗(yàn)證，其他各類信息也對(duì)研究降雨過程的演變非常有價(jià)值，如W波段雷達(dá)信息可以觀測到云中更為精細(xì)的水滴和冰晶粒子信息的變化，再同地面較長波段雷達(dá)探測信息結(jié)合，信息就更完整了。飛在云頂上的ER-2飛機(jī)可以通過激光雷達(dá)直接獲取云頂高度變化（圖7），這也是云系發(fā)展的重要指標(biāo)特征。

通過各類先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行野外觀測試驗(yàn)，最終的目標(biāo)還是要對(duì)獲取的信息進(jìn)行合理的分析和在天氣氣候研究中得到有效應(yīng)用，已有不少科學(xué)家做了分析研究，取得了很有價(jià)值的成果，在不少刊物上都可查閱到相關(guān)文獻(xiàn)。

小結(jié)

1）對(duì)于空間對(duì)地探測獲取的衛(wèi)星信息，無論是主動(dòng)遙感還是被動(dòng)遙感，都應(yīng)與地面或低空實(shí)測信息進(jìn)行系統(tǒng)性對(duì)比檢驗(yàn)，根據(jù)對(duì)比結(jié)果標(biāo)定探測精度，改進(jìn)產(chǎn)品算法。

2）隨著探測技術(shù)的提升，多頻主動(dòng)遙感雷達(dá)已可在地面、空中和太空探測中得到應(yīng)用，與單頻雷達(dá)相比，獲取的信息更為豐富，包括對(duì)雨滴、云滴、冰晶等的形狀、尺度、密度及運(yùn)動(dòng)變化和分布特征都可監(jiān)測得更為細(xì)致，并能進(jìn)一步開發(fā)出更多應(yīng)用產(chǎn)品，通過對(duì)這些信息加深認(rèn)識(shí)好理解，將在未來大氣探測和預(yù)報(bào)分析業(yè)務(wù)中會(huì)發(fā)揮更廣泛的價(jià)值。

圖7 2015年12月3日ER-2飛機(jī)上的激光雷達(dá)（CPL）獲取的云頂高度信息

3）在合適的地點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)、科研試驗(yàn)，既可以對(duì)探測設(shè)備信息進(jìn)行評(píng)估檢驗(yàn)，同時(shí)也能加深對(duì)天氣、氣候系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，包括山地、海陸差異等對(duì)天氣系統(tǒng)的影響。這類對(duì)探測設(shè)備進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)評(píng)估的大型試驗(yàn)，既是探測業(yè)務(wù)建設(shè)的必要環(huán)節(jié)，也是很有價(jià)值的對(duì)天氣氣候系統(tǒng)針對(duì)性研究，需要對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，及參與試驗(yàn)的各部門人員密切協(xié)作，包括提供各類設(shè)備、技術(shù)和方法，并根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)開展業(yè)務(wù)布局，采用科學(xué)方法對(duì)通過不同手段獲取的信息進(jìn)行綜合分析，只有將每個(gè)環(huán)節(jié)都考慮周到并細(xì)致做好，才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4）奧林匹克山氣象試驗(yàn)所動(dòng)用的探測設(shè)備從種類的完整性和技術(shù)的先進(jìn)性角度看都是少見的，參與的科學(xué)家和業(yè)務(wù)人員也是高水準(zhǔn)的，取得了豐碩的成果，從試驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)到科學(xué)的分析方法，以及最終取得的研究進(jìn)展都值得關(guān)注、學(xué)習(xí)和借鑒。

深入閱讀

Houze Jr R A, McMurdie L A, Petersen W A, et al. The Olympic Mountains Experiment (OLYMPEX). Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(10): 2167-2188.

Chase R J, Finlon J A, Borque P, et al. Evaluation of triple-frequency radar retrieval of snowfall properties using coincident airborne in situ observations during OLYMPEX. Geophysical Research Letters, 2018, 45(11): 5752-5760.

Currier W R, Thorson T, Lundquist J D. Independent evaluation of frozen precipitation from WRF and PRISM in the Olympic Mountains. Journal of Hydrometeorology, 2017, 18(10): 2681-2703.