■ 許小峰

（作者單位：中國氣象局）

從當(dāng)前氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的實(shí)際情況看，對于數(shù)百千米以上尺度天氣系統(tǒng)的中短期預(yù)報(bào)，數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果基本上已超越了預(yù)報(bào)員的能力，預(yù)報(bào)員雖還能做些訂正改進(jìn)，但多數(shù)情況下也只能僅此而已。對于月、季、年以上時(shí)間尺度的天氣、氣候預(yù)測，無論是傳統(tǒng)方法還是數(shù)值模式方法，都還存在差距，仍有許多難點(diǎn)和問題尚未解決。但氣候模式的進(jìn)步也是顯著的，已成為氣候研究和預(yù)測的重要方法。而對于幾十千米以下的中小尺度天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)，存在不少尚待解決的問題，如地形影響、云物理過程、與大尺度系統(tǒng)的相互作用等，需要從機(jī)理上深入研究，而其中需要解決的一個重要問題是提高初始場信息的獲取能力，特別是當(dāng)數(shù)值預(yù)報(bào)水平網(wǎng)格加密到幾千米甚至1 km以下時(shí)，現(xiàn)有業(yè)務(wù)探測系統(tǒng)顯然就難以滿足需求了，特別是地面以上數(shù)千米的垂直探測，差距更大。

盡管從全球視角來看，我國氣象探空業(yè)務(wù)系統(tǒng)的水平不低，但從捕捉中小尺度系統(tǒng)天氣角度看，多年來布設(shè)在全國的約120個氣象探空站，平均水平間隔在數(shù)百千米以上，時(shí)間上每天探測兩次，基本上體現(xiàn)了國際整體水平，但多數(shù)情況下無法完整刻畫中小尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，難免出現(xiàn)大量漏網(wǎng)之魚。而對于強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)展過程中的云物理結(jié)構(gòu)變化，也難以通過目前的探空系統(tǒng)獲取。且若想提高探空站的時(shí)空密度，從運(yùn)行成本、環(huán)境制約等因素考慮，都難以承受。對于大尺度天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)，衛(wèi)星資料提供了強(qiáng)有力的支撐，但對于云系發(fā)展較活躍的中小尺度天氣，衛(wèi)星在大氣低層的探測能力受到較大制約。

世界氣象組織（WMO）在《數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用指南》特別強(qiáng)調(diào)了對風(fēng)、溫度和濕度垂直廓線信息的需求，特別是在多云地區(qū)，具有更重要的價(jià)值。在實(shí)踐中，不少國家都在探索如何獲取高時(shí)空分辨率的垂直基本氣象要素場的方案選擇，滿足實(shí)際氣象業(yè)務(wù)和科技發(fā)展需求。低空遙感綜合探測被認(rèn)為是可行的方案，前提是要解決好信息合理處理中的難點(diǎn)問題。不同探測方式的遙感設(shè)備針對各類目標(biāo)物的探測能力有較大區(qū)別，靠單一設(shè)備難以承擔(dān)綜合信息的獲取，較好的設(shè)計(jì)是通過多種設(shè)備協(xié)調(diào)探測，信息互補(bǔ)，綜合分析，融合處理，最終得到可有效用于業(yè)務(wù)的完整信息。

從目前實(shí)際業(yè)務(wù)需求考慮，要重點(diǎn)針對以溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、云水變化為主要特征的大氣垂直探測要素，綜合考慮所要獲取的氣象探測信息與各類探測設(shè)備性能特點(diǎn)的一致性，在不同的氣象條件下，形成處理好不同探測設(shè)備信息的業(yè)務(wù)能力。

1 美國大氣研究中心（NCAR） 發(fā)展的低對流層觀測系統(tǒng)（LOTOS）

為了獲取大氣對流層中下層和大氣邊界層的氣象信息，NCAR的地球觀測實(shí)驗(yàn)室（EOL）近年來發(fā)展了一個低對流層觀測系統(tǒng)（LOTOS），利用多種遙感設(shè)備進(jìn)行綜合觀測，構(gòu)成一個集成化平臺，以解決在大氣邊界層和對流層中下部這一大氣與陸面相互作用活躍及強(qiáng)對流系統(tǒng)發(fā)展旺盛的垂直高度場信息獲取問題。其主要做法和特點(diǎn)是將不同設(shè)備的探測能力進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)出了可以綜合集成多種探測設(shè)備的系統(tǒng)平臺，在不同條件下獲取各類氣象要素的垂直廓線及云水物理參數(shù)，解決了依靠單一設(shè)備難以滿足的多樣信息需求問題。用戶可以根據(jù)實(shí)際任務(wù)選擇設(shè)備，靈活構(gòu)建不同性能的應(yīng)用平臺。

LOTOS集成平臺可以進(jìn)行溫度、濕度、風(fēng)、云、溫室氣體和氣溶膠的遙感垂直剖面觀測，湍流和地表通量觀測，及自動無線電探空儀發(fā)射等，是一個可針對不同用戶需求進(jìn)行區(qū)別設(shè)計(jì)的靈活解決方案。圖1列出了LOTOS不同設(shè)備選項(xiàng)的性能特征，包括設(shè)備、探測要素和探測高度等，從中可以看到獲取不同要素和垂直分布所應(yīng)選擇的設(shè)備類型。在具體觀測實(shí)施時(shí)，可以針對業(yè)務(wù)科研目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決與大氣表層、邊界層和對流層中下層的各類信息獲取問題，這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從局地到區(qū)域規(guī)模的觀測，也可針對氣候系統(tǒng)各圈層要素相互作用的需求選擇儀器設(shè)備，進(jìn)行觀測站點(diǎn)設(shè)計(jì)。

圖1 低對流層觀測系統(tǒng)（LOTOS）設(shè)備選項(xiàng)功能特征（EOL報(bào)告）

從實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用角度看，并不是有了這些綜合設(shè)備就能有效獲取所需要的要素測值了。如圖1所示的激光測風(fēng)雷達(dá)（wind lidar）和微脈沖激光測溫濕雷達(dá)（MPD）在出現(xiàn)了云雨的條件下就難以發(fā)揮作用，這些遙感儀器在不同氣象條件下及針對不同的探測目標(biāo)物探測效果會有很大差異。如何根據(jù)具體條件綜合應(yīng)用各類儀器是必須考慮和解決的關(guān)鍵問題。

在每一個觀測點(diǎn)建立組合觀測的基礎(chǔ)上，LOTOS的另一個重要特點(diǎn)是可以對多達(dá)五個站點(diǎn)的觀測進(jìn)行集成（圖2），建立區(qū)域觀測網(wǎng)絡(luò)，這一組合網(wǎng)絡(luò)很適合在復(fù)雜地形條件下針對業(yè)務(wù)、科研需求進(jìn)行觀測設(shè)計(jì)，達(dá)到對中小尺度天氣系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域性精細(xì)化立體觀測。

2 歐洲地基遙感廓線觀測網(wǎng)建設(shè)

從全球氣象業(yè)務(wù)發(fā)展水平看，歐洲在氣象資料處理和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式方面具有明顯優(yōu)勢，近年來在垂直遙感信息應(yīng)用方面也取得明顯成效，特別是目前在一些歐洲國家已開始運(yùn)行的分辨率達(dá)1 km的細(xì)網(wǎng)格數(shù)值模式，已能夠有效利用這些低層遙感數(shù)據(jù)提高預(yù)報(bào)時(shí)效。

圖2 LOTOS復(fù)雜地形下多站點(diǎn)觀測（EOL報(bào)告）

歐洲氣象業(yè)務(wù)部門目前主要是通過已建成的由多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)（DWL）、后向散射激光雷達(dá)/云高儀（ALC）、微波輻射計(jì)（MWRs）等設(shè)備組成的歐洲地基廓線觀測網(wǎng)獲取對流層中下部溫、濕、風(fēng)、氣溶膠、云等信息。云高儀最初的功能只是測量云底高度，但現(xiàn)在這些儀器已有能力提供氣溶膠和云的后向散射能量變化廓線。因此，提出了激光雷達(dá)和云高探測結(jié)合的新概念，即ALC。在獲取基本信息的基礎(chǔ)上，還可以推算出更多產(chǎn)品，如湍流水平、邊界層狀況、低空急流變化等。這個地基觀測網(wǎng)是由歐洲科技合作聯(lián)盟（COST）與歐洲國家氣象網(wǎng)（EUMETNET）合作建立，其中包括了COST的為改進(jìn)預(yù)報(bào)的地基遙感業(yè)務(wù)廓線觀測項(xiàng)目（TOPROF）和EUMETNET的歐洲廓線（E-PROFILE）項(xiàng)目，通過合作共同解決了經(jīng)費(fèi)支持、觀測和信息處理技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立、會議交流、儀器性能比較、物理參數(shù)校正、軟件開發(fā)、業(yè)務(wù)流程、信息分發(fā)、預(yù)報(bào)應(yīng)用等問題。E-PROFILE項(xiàng)目原目標(biāo)是建設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)，現(xiàn)在通過與TOPROF項(xiàng)目合作，擴(kuò)充了垂直廓線信息種類，在應(yīng)用上也有了更多的技術(shù)選擇，形成綜合產(chǎn)品，供預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和數(shù)值模式使用。圖3為歐洲廓線網(wǎng)的布局和進(jìn)展情況。

在E-PROFILE網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的激光/云高儀ALC發(fā)射波長為532、910和1064 nm的激光短脈沖，并接收后向散射信號。原始數(shù)據(jù)的平均垂直分辨率為15～30 m，時(shí)間為15～60 s，可以獲取云、氣溶膠、灰塵、霧和火山灰的廓線特征。多普勒激光測風(fēng)雷達(dá)發(fā)射波長為1.5 μm，通過獲取氣溶膠或云粒子在光束方向上后向散射信號的徑向多普勒頻移，做出對風(fēng)的垂直變化、風(fēng)切變、湍流狀況、最大陣風(fēng)、低空急流和邊界層狀態(tài)的推算，探測范圍一般為幾十米到10 km，隨著天氣條件不同會發(fā)生變化，如在厚的云層或強(qiáng)降雨條件下，激光探測則無能為力。地基微波輻射計(jì)MWR通過測量宇宙背景下的大氣輻射頻譜微波部分，通常表現(xiàn)為等效亮溫TB，進(jìn)而推算大氣溫度廓線和濕度廓線。在中等以下降水條件下，這種測量都可以進(jìn)行，特別是在地表以上幾千米范圍，較衛(wèi)星等微波觀測更為有效。

圖3 歐洲廓線觀測網(wǎng)布局和五個廓線剖面圖（綠色為已在業(yè)務(wù)中綜合集成的站點(diǎn)；藍(lán)色和紅色為近期和計(jì)劃中集成的站點(diǎn)）

有了這些直接觀測到的垂直觀測資料，就可以用來改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)的初始場了，包括模式中的云物理參數(shù)化方案。這些與應(yīng)用相關(guān)的前期科研工作已開展多年了，如在21世紀(jì)初，歐盟就組織開展云監(jiān)測網(wǎng)計(jì)劃（Cloudnet），在該計(jì)劃中科技人員利用云雷達(dá)、ALCs和MWRs獲得云觀測資料，并將它們與幾個歐洲運(yùn)行預(yù)測模式中的云參數(shù)進(jìn)行比較，形成對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，改進(jìn)預(yù)報(bào)模式。有些數(shù)據(jù)的應(yīng)用相對簡單，如DWL的測風(fēng)數(shù)據(jù)可以直接用到模式中。通過實(shí)際統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，表明這些數(shù)據(jù)對預(yù)測都有積極影響。

在觀測網(wǎng)中使用的設(shè)備型號有較大差別，這也是在應(yīng)用中需要關(guān)注的問題。如ALC s設(shè)備，就有多種頻段的儀器運(yùn)行，維薩拉公司生產(chǎn)的CL31和CL51測量頻率為910 nm，Lufft公司的CHM 15k測量頻率為1064 nm，Sigma Space公司的微脈沖激光雷達(dá)（MiniMPL）測量頻率為532 nm。遙感設(shè)備觀測信號處理本身的復(fù)雜性與設(shè)備類型不同造成的信號差異，增加了處理的難度，但這也是業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中必須要面對并處理好的問題。TOPROF項(xiàng)目的主要任務(wù)之一就是要建立各類類儀器的通用標(biāo)校程序、數(shù)據(jù)質(zhì)量的通用檢驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的獨(dú)立驗(yàn)證流程，包括與數(shù)值模式計(jì)算數(shù)據(jù)的比較分析方法，只有對不同設(shè)備觀測的數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的比較和技術(shù)處理，才有可能獲取有意義的可用信息。

ALCs發(fā)射的激光和接收的后向散射信息在低空會產(chǎn)生光學(xué)重疊，且重疊狀況除隨高度變化外，還與環(huán)境溫度相關(guān)，這使得重疊區(qū)域受到干擾的信號使用受到影響。這一問題已通過建立用于校正的重疊變化函數(shù)得到解決，從而在重疊區(qū)也可以得到較為準(zhǔn)確的信號。需要處理的問題很多，如對某些天氣條件下出現(xiàn)的探測虛假信息、提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)物探測信噪比、不同設(shè)備探測信息的標(biāo)定及差異處理等，這些工作都需要在不同天氣條件下進(jìn)行長期實(shí)測對比試驗(yàn)才能完成。對信息進(jìn)行了合理的校正，數(shù)據(jù)質(zhì)量可以得到顯著提升，如將激光雷達(dá)探測信噪比中值偏差有效降低后，較低的信噪比閾值可使探測靈敏度提高5倍以上，明顯改進(jìn)了數(shù)據(jù)質(zhì)量。對靈敏度高低的處理還與要獲取的目標(biāo)物種類有密切關(guān)系，若對近地面層的風(fēng)場和湍流等更感興趣，則可以通過部分犧牲遠(yuǎn)距離靈敏度來實(shí)現(xiàn)。圖4顯示了在德國林登伯格氣候觀象臺開展試驗(yàn)時(shí)對八臺設(shè)備信號對比校正后的結(jié)果，可以看出若不進(jìn)行校正，不同儀器的信號會有較大差異，處理后有了較好的一致性。

圖4 2015年8月13日在德國林登伯格開展的云高儀/激光雷達(dá)試驗(yàn)（CeiLinEx）活動期間獲取的8個ALC后向散射廓線對比數(shù)據(jù)，包括坎貝爾、維薩拉公司和路賦德公司的產(chǎn)品

在處理好ALCs信號質(zhì)量的基礎(chǔ)上，一些氣象變量便可直接用到數(shù)值模式當(dāng)中，如風(fēng)、氣溶膠、云信息等。圖5顯示在芬蘭赫爾辛基站獲取的風(fēng)場等變量的垂直分布圖。除此之外，還可以在初始信息的基礎(chǔ)上，開發(fā)各類應(yīng)用產(chǎn)品，使這些自動化、連續(xù)性的搖桿設(shè)備發(fā)揮更大效用。如在TOPROF項(xiàng)目中，利用ALC信息，研發(fā)了大氣邊界層高度診斷，霧形成預(yù)警，灰塵、生物燃燒和火山灰的運(yùn)輸監(jiān)測等業(yè)務(wù)服務(wù)產(chǎn)品，供各國使用。

地基微波輻射計(jì)工作原理是通過被動接收大氣亮溫TB的向下輻射值，然后轉(zhuǎn)化為大氣變量，如溫度、濕度等。原理并不復(fù)雜，但難點(diǎn)也在信號處理上。TOPROF項(xiàng)目圍繞獲取更精確的TB觀測值，在MWR設(shè)備軟硬件開發(fā)上取得了顯著進(jìn)展，可以直接用于改進(jìn)數(shù)值模式，也可以轉(zhuǎn)換為較準(zhǔn)確的大氣變量。所用的設(shè)備為22～31 GHz頻段（用于濕度）和51～60 GHz頻段（用于溫度）的多通道溫濕廓線儀，這些儀器還提供總體水汽含量（IWV）和云液態(tài)水路徑（LWP）。

在TOPROF項(xiàng)目中，與儀器供應(yīng)商一起進(jìn)行了兩次校準(zhǔn)現(xiàn)場試驗(yàn)（JCAL），消除了因反射波與駐波引起的測值不確定性，使TB的絕對精度提高了0.1 K，導(dǎo)致最終的觀測精度提升了5倍，溫度剖面反演的不確定性降低0.3 K，提高了邊界層的溫度反演準(zhǔn)確性，并使IWV和LWP的精度提高了50%，實(shí)現(xiàn)了新的標(biāo)校目標(biāo)及接收技術(shù)的改進(jìn)。同時(shí)，還開發(fā)了一個可以廣泛用于現(xiàn)有衛(wèi)星同化軟件的快速計(jì)算模式，用來計(jì)算地面接收到的亮溫測值，其雅可比背景矩陣可使用源于包括探空、數(shù)值模式等任何大氣溫濕廓線值，并免費(fèi)對外提供。經(jīng)過1年的多站對比試驗(yàn)校正，觀測和反演結(jié)果都在可控制在預(yù)期誤差范圍內(nèi)。

試驗(yàn)表明，通過同化MWR資料有助于改進(jìn)近地面2 km范圍的數(shù)值模式溫濕度場結(jié)果，包括在對流和非常穩(wěn)定的條件。圖6顯示了在穩(wěn)定和對流條件下，同化MWR亮溫資料后對溫度場的改進(jìn)，通過探空資料進(jìn)行了驗(yàn)證對比，在低層效果十分顯著。穩(wěn)定的大氣條件是近地面層污染物積累和擴(kuò)散的關(guān)鍵因素，而對流性天氣則會導(dǎo)致強(qiáng)天氣發(fā)生。

這些有效的改進(jìn)從硬件和軟件上都促進(jìn)了探測設(shè)備的完善，促使歐洲國家準(zhǔn)備進(jìn)一步拓展觀測網(wǎng)絡(luò)，并將這些資料分享給更多國家，包括歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）。

3 小結(jié)

綜合以上介紹，地基垂直探測信息在改進(jìn)中小尺度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)方面具有很大潛力，是未來大氣探測業(yè)務(wù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，但要做好這項(xiàng)工作，需要綜合考慮和解決好一些問題和難點(diǎn)。

圖5 2014年3月24日，通過在芬蘭赫爾辛基運(yùn)行多普勒激光雷達(dá)獲取的24小時(shí)風(fēng)場變化高度圖

圖6 在穩(wěn)定（a）和對流（b）天氣條件下同化WMR資料后對數(shù)值預(yù)報(bào)溫度場的改進(jìn)

1）綜合性儀器配置。地基遙感垂直探測較傳統(tǒng)探空業(yè)務(wù)在技術(shù)上要更為復(fù)雜，且不是單一設(shè)備可以解決所有要素的探測問題，需要針對需求綜合考慮設(shè)備的選擇，以達(dá)到最佳效果。

2）多方協(xié)調(diào)解決信息質(zhì)量和應(yīng)用問題。用好這些儀器裝備，需要生產(chǎn)廠商、探測業(yè)務(wù)人員、數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)應(yīng)用人員共同協(xié)作，從設(shè)備的特性、觀測方法、標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)處理分發(fā)、不同設(shè)備間的配合、觀測試驗(yàn)、軟件開發(fā)、同化應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)開展合作，才有可能做好。

3）構(gòu)建統(tǒng)一處理各類設(shè)備探測信息的綜合平臺。要建立統(tǒng)一的自動化信息處理平臺，針對多種設(shè)備探測信息進(jìn)行綜合處理，形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)供業(yè)務(wù)使用。

4）科研與培訓(xùn)是用好綜合遙感儀器的重要前提。地基遙感儀器與傳統(tǒng)探空相比，在儀器合理使用和數(shù)據(jù)處理上要復(fù)雜得多，需要根據(jù)不同環(huán)境條件進(jìn)行對比試驗(yàn)觀測，確定信息的可靠性。探測人員對各類遙感儀器的技術(shù)與特點(diǎn)要提高理解程度，掌握各類設(shè)備在不同條件下的優(yōu)勢和局限，而不僅是簡單操作。

深入閱讀

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