呂珊珊 周青 張勇

中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081

1 引言

云的形成與消亡伴隨著大氣垂直運(yùn)動(dòng)以及潛熱釋放和吸收，反映著大氣的熱力過(guò)程和動(dòng)力過(guò)程，并且通過(guò)形成、發(fā)展、移動(dòng)及消散過(guò)程參與全球水循環(huán)。云垂直結(jié)構(gòu)（云頂和云底高度、云層的數(shù)量和厚度）通過(guò)改變大氣中輻射和潛熱的分布從而影響大氣環(huán)流（Wang and Rossow, 1998; Li et al., 2005;Rossow et al., 2005），Crewell et al.（2004）指出云對(duì)太陽(yáng)輻射的多次散射和吸收對(duì)大氣中的絕熱加熱有重大影響，而云非絕熱加熱的垂直梯度相比水平梯度對(duì)大氣環(huán)流的影響更大（Rind and Rossow, 1984）。

為了提高對(duì)云物理過(guò)程的理解，進(jìn)而提高大尺度氣候模式（包括全球環(huán)流模式）的預(yù)測(cè)能力，需要對(duì)云垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行更準(zhǔn)確的觀測(cè)。以激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光云高儀等為代表的地基遙感探測(cè)設(shè)備是云的自動(dòng)化觀測(cè)有力工具，其中激光雷達(dá)和云高儀能夠準(zhǔn)確探測(cè)云底高度，但由于在云內(nèi)的波束衰減無(wú)法探測(cè)云頂，毫米波雷達(dá)能夠?qū)υ拼怪苯Y(jié)構(gòu)（包括云頂、云底及云層數(shù)等）進(jìn)行高精度的連續(xù)觀測(cè)，然而在降雨時(shí)會(huì)受到信號(hào)衰減。另一方面，衛(wèi)星上搭載的被動(dòng)遙感傳感器如國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃（International Satellite Cloud Climate Project,ISCCP）和中分辨率成像儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）在觀測(cè)云時(shí)也有著各自的不足，例如當(dāng)光學(xué)厚度低于0.3～0.5時(shí)ISCCP無(wú)法區(qū)分薄云和氣溶膠（Rossow and Garder,1993）；ISCCP和MODIS均對(duì)低云量產(chǎn)生低估，而對(duì)中云存在高估（Li et al., 2006），雖然星載被動(dòng)輻射計(jì)時(shí)間分辨率高，但通常只能給出云頂信息，無(wú)法觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)。搭載在熱帶降水測(cè)量計(jì)劃（TRMM）衛(wèi)星上的降水雷達(dá)和微波輻射計(jì)盡管能夠穿透云和降水獲得精細(xì)化三維結(jié)構(gòu)，但由于其波段的限制無(wú)法觀測(cè)到小云滴粒子。美國(guó)的Cloudsat搭載了云廓線雷達(dá)（CPR），可以精細(xì)探測(cè)到云中較小的水滴和冰晶粒子并穿透光學(xué)厚度較厚的云層，從而獲取星下點(diǎn)附近完整的云垂直結(jié)構(gòu)信息。云—?dú)馊苣z激光雷達(dá)（CALIOPSO）則可以獲得超出CPR探測(cè)閾值范圍的較薄云層信息（譚瑞婷等, 2018），相關(guān)研究表明CALIOPSO-CloudSat與ISCCP以及地面觀測(cè)資料結(jié)合可獲得更完整精確的云垂直結(jié)構(gòu)（Naud and Chen, 2010; 方樂(lè)鋅等, 2016），但由于極軌衛(wèi)星觀測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法對(duì)固定地點(diǎn)開(kāi)展持續(xù)穩(wěn)定觀測(cè)。

無(wú)線電氣球探空因其可以穿越大氣層從而測(cè)量大氣溫、濕、壓、風(fēng)等參數(shù)，是研究大氣物理學(xué)和天氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)資料之一，也被用作其他高空探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)參考資料（Wang et al., 2000;Zhang et al., 2010, 2018）。按照云的熱力學(xué)特性，未飽和濕空氣絕熱抬升而達(dá)到飽和時(shí)就會(huì)形成云，因此通過(guò)探空獲得的大氣熱力學(xué)廓線對(duì)判定云垂直結(jié)構(gòu)具有一定的指示意義，目前探空觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)方法有溫度露點(diǎn)差法（PWR95法）（Poore et al.,1995）、相對(duì)濕度閾值法（WR95法）（Wang and Rossow, 1995）、二階導(dǎo)數(shù)法（CE96法）（Chernykh and Eskridge, 1996）等, 這些方法都是基于研究濕度參量（相對(duì)濕度、溫度露點(diǎn)差等），通過(guò)設(shè)定其在一定條件下隨不同高度的變化閾值進(jìn)行云高的判別。國(guó)內(nèi)外對(duì)于探空與其他地基、天基遙感設(shè)備的觀測(cè)比對(duì)開(kāi)展了大量工作（Zhang et al., 2010; 趙靜等, 2017），Naud et al.（2003）利用 1996 年 11 月至2000年10月期間在ARM-SGP站點(diǎn)的主動(dòng)遙感設(shè)備（云高儀、云雷達(dá)等）觀測(cè)數(shù)據(jù)與基于WR95法和CE96法的探空觀測(cè)云高結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)WR95法容易將低層的濕層誤判為云層，且這兩種方法判定的云頂高度高于云雷達(dá)結(jié)果。Zhang et al.（2012）通過(guò)2009年在昆明開(kāi)展的為期一周的對(duì)流層上部及平流層下部觀測(cè)試驗(yàn)，針對(duì)WR95法和CE96法對(duì)低溫霜點(diǎn)濕度計(jì)、Vaisala探空儀和國(guó)產(chǎn)探空儀3種儀器的適用性進(jìn)行了分析和比較，提出了適合每種探測(cè)設(shè)備的云垂直結(jié)構(gòu)判定方法（ZHA10、ZHA12法）。周毓荃和歐建軍（2010）認(rèn)為相對(duì)濕度閾值法在判斷云層具有連續(xù)性和測(cè)量的直接性，因此基于相對(duì)濕度法，利用我國(guó)探空秒數(shù)據(jù)，計(jì)算分析了單層云和多層云的垂直結(jié)構(gòu)，并將得到的分析結(jié)果同Cloudsat衛(wèi)星實(shí)測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。王喆等（2016）基于改進(jìn)了的ZHA10法研究了云垂直結(jié)構(gòu)，并與毫米波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果表明毫米波雷達(dá)對(duì)于某些高層云的云頂高度與探空差異較大以外，對(duì)于云底高度以及中低云的云頂高度均與探空一致性較好?？傊@些研究都清楚地肯定了無(wú)線電探空儀數(shù)據(jù)在云垂直結(jié)構(gòu)方面的研究?jī)r(jià)值，然而不同方法的云觀測(cè)結(jié)果略有差異，并且也與地基主動(dòng)遙感設(shè)備觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差，這主要是由于地基遙感設(shè)備采取的是垂直天頂方向觀測(cè)，而探空氣球由于上升過(guò)程中會(huì)受到風(fēng)的影響從而產(chǎn)生水平漂移，不同型號(hào)的探空儀引起的漂移偏差程度不同，Wang et al.（2003）發(fā)現(xiàn)Vaisala探空儀性能優(yōu)于Sippican探空儀，尤其在對(duì)流層中低層。

本研究通過(guò)獲取位于北京南郊觀象臺(tái)2016年12月13日至2017年3月13日長(zhǎng)達(dá)91天連續(xù)觀測(cè)的探空大氣廓線數(shù)據(jù)，利用基于ZHA12法改進(jìn)的相對(duì)濕度閾值法（即ZHA18法）計(jì)算云垂直結(jié)構(gòu)（云底高度、云頂高度及云層數(shù)等），并與同址架設(shè)的Ka波段毫米波雷達(dá)（Millimeter-Wave Cloud Radar, MMCR）觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了一致性比較，并對(duì)引起二者觀測(cè)結(jié)果差異的原因進(jìn)行了分析。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)與方法

2.1 探空資料及判定云邊界方法

2002年1月1日，國(guó)產(chǎn)第一部L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)在中國(guó)氣象局大氣探測(cè)綜合試驗(yàn)基地（北京南郊觀象臺(tái)，39.81°N，116.47°E，海拔高度32 m）正式投入業(yè)務(wù)使用，其中，GTS1型數(shù)字探空儀采樣周期為1.2 s，垂直分辨率約為8 m。通過(guò)2010年在廣東陽(yáng)江舉辦的第8屆世界氣象組織國(guó)際探空比對(duì)，我國(guó)GTS1型探空儀與芬蘭Vaisala溫度偏差在0.4 K以?xún)?nèi)，氣壓和風(fēng)的偏差均較小，14 km高度以下濕度偏差約為4%～6%（李偉等,2011），因此總體來(lái)說(shuō)國(guó)產(chǎn)探空儀的性能是較為可靠的。

通過(guò)無(wú)線電探空分析云垂直結(jié)構(gòu)主要利用云的含水特性，基于探空所獲得的大氣溫度、濕度廓線來(lái)反演云垂直結(jié)構(gòu)。基于前人研究并根據(jù)國(guó)產(chǎn)探空儀GTS1探測(cè)性能表現(xiàn)，本研究主要針對(duì)以下方面對(duì)ZHA12法（Zhang et al., 2012）進(jìn)行改進(jìn)（簡(jiǎn)稱(chēng)ZHA18法）：1）由于GTS1探空儀在高于500 hPa的高空存在約10%的干偏差（Bian et al., 2011），因此ZHA12法中相對(duì)濕度閾值都要相應(yīng)減少10%；2）ZHA12法中的最低云底高度均根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r和氣候特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，因此本研究中也應(yīng)考慮北京地區(qū)的實(shí)際情況，這里統(tǒng)計(jì)了北京南郊觀象臺(tái)2014年1月至2017年12月長(zhǎng)達(dá)4年的激光云高儀觀測(cè)到的低于500 m的云底高度頻率分布，如圖1所示，累計(jì)出現(xiàn)頻率達(dá)50%處的云底高度值為290 m，因此這里的最低云底高度設(shè)置為290 m；3）ZHA12法中對(duì)云厚的約束條件是：低云＞30.5 m，中高云＞61 m，而 ZHA10i法（Costa-Surós et al.,2014）通過(guò)比對(duì)各種算法將ZHA10法的厚度改為400 m，王喆等（2016）用ZHA10i判識(shí)的云垂直結(jié)構(gòu)和云雷達(dá)進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)ZHA10i與ZHA10相比，避免了將結(jié)構(gòu)松散的單層云識(shí)別為多層云，結(jié)果更準(zhǔn)確合理，這里也對(duì)云厚條件進(jìn)行修正：低云＞400 m，中高云＞300 m。

圖1 北京南郊觀象臺(tái)激光云高儀2014～2017年觀測(cè)低于500 m云底高度的直方圖分布。虛線表示累計(jì)頻率，實(shí)線表示50%頻率處的云底高度Fig. 1 Histogram of cloud base height (CBH) lower than 500 m during 2014–2017 for ceilometer at Beijing Nanjiao Weather Observatory (BNWO). Dashed line indicates the accumulated frequency and solid lines indicate the frequency of 50%

因此，ZHA18法估算云高的算法主要包括以下幾方面：1）當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，采用馬格努斯方程計(jì)算基于冰面的相對(duì)濕度（Zhang et al., 2012）；2）依據(jù)相對(duì)濕度閾值（包括min-RH、max-RH和inter-RH）是高度的函數(shù)，不同高度選取不同閾值來(lái)進(jìn)行判斷，自下而上進(jìn)行判定，將相對(duì)濕度觀測(cè)值超過(guò)該高度上（見(jiàn)表1）min-RH閾值時(shí)的高度作為濕層底高。3）當(dāng)濕層底高以上高度層的相對(duì)濕度持續(xù)高于min-RH時(shí)，該高度層將視為同一云層，直到相對(duì)濕度降到min-RH以下或超過(guò)廓線頂層時(shí)，則將高度層作為該濕層的頂高；4）濕層可視為云層的判斷條件是：濕層的相對(duì)濕度最大值高于該濕層底高對(duì)應(yīng)的max-RH。5）最低云底高度設(shè)為290 m，低于該高度的云層將不考慮。6）判斷兩云層是否合并的條件是：兩個(gè)鄰近云層間距小于300 m或者這兩層之中的相對(duì)濕度均大于inter-RH。7）如果低云厚度小于400 m或中/高云厚度小于300 m，則刪除該云層。

表1 與高度相關(guān)的相對(duì)濕度閾值（ZHA18法）Table 1 Relative humidity threshold that varies with height(ZHA18 method)

2.2 毫米波雷達(dá)資料及判定云邊界方法

用于和探空進(jìn)行比對(duì)的毫米波雷達(dá)布設(shè)在探空氣球施放地點(diǎn)東側(cè)158 m處，是一部Ka波段全固態(tài)、全相參、脈沖多普勒雷達(dá)，型號(hào)為HT101型，由中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心和西安華騰微波有限責(zé)任公司聯(lián)合研制。該雷達(dá)采用 2 μs、5 μs、20 μs這三種脈沖寬度交替發(fā)射的模式，即采用寬脈沖和窄脈沖交叉使用，采用寬脈沖進(jìn)行發(fā)射從而提高平均功率，保證了雷達(dá)系統(tǒng)具有探測(cè)距離≥10 km的能力；而在接收機(jī)中設(shè)置一個(gè)與發(fā)射信號(hào)頻譜相匹配的壓縮網(wǎng)絡(luò)，使寬脈沖的發(fā)射信號(hào)變成窄脈沖，保證雷達(dá)系統(tǒng)近距離遮擋盲區(qū)≤0.1 km，從而提高距離分辨率。Ka波段毫米波雷達(dá)的大時(shí)寬信號(hào)脈沖寬度為20 μs，擴(kuò)大了探測(cè)距離，脈沖壓縮比為100，而小時(shí)寬信號(hào)壓縮后脈沖寬度為0.2 μs，使其返回信號(hào)的距離分辨率達(dá)到30 m，因此保持了良好的距離分辨力，從而滿足了精細(xì)化探測(cè)需求（仲凌志等, 2011）。雷達(dá)垂直指向天頂觀測(cè)，垂直分辨率30 m，時(shí)間分辨率為1 min。毫米波雷達(dá)利用云粒子對(duì)毫米波的散射特性反演云的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)，能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)云的水平和垂直結(jié)構(gòu)變化，時(shí)空分辨率高，抗干擾性好，具有較好的多普勒分辨力，測(cè)速精度較高（Hobbs et al., 1985; Kollias et al., 2007），可以提供云體內(nèi)部細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化和運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)于云頂高度、云底高度等宏觀垂直結(jié)構(gòu)的確定，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一般通過(guò)利用毫米波雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)來(lái)反演，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、云信息識(shí)別等過(guò)程。本研究主要采用以下兩步來(lái)識(shí)別云高：

（1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法消除干擾回波及低空非氣象雜波。毫米波雷達(dá)常見(jiàn)雜波包括低空浮游物（昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)等）、隨機(jī)干擾信號(hào)等，這里主要參考Luke et al.（2008）方法，通過(guò)提取雷達(dá)反射率因子、速度、譜寬和功率譜數(shù)據(jù)等多個(gè)特征，然后采用后向反饋（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些回波特征進(jìn)行訓(xùn)練分類(lèi)，完成對(duì)非氣象回波的識(shí)別。

（2）采用反射率閾值法確定云邊界并進(jìn)行質(zhì)量控制。Clothiaux et al.（1999）利用美國(guó)大氣輻射測(cè)量計(jì)劃（ARM）的35 GHz毫米波雷達(dá)對(duì)不同類(lèi)型的云（包括卷云、層云、降水云等）進(jìn)行了分析，認(rèn)為云的雷達(dá)反射率因子動(dòng)態(tài)范圍為－50～20 dBZ，此處所用毫米波雷達(dá)根據(jù)其自身觀測(cè)性能，在反射率產(chǎn)品生成時(shí)將最低閾值設(shè)為?40 dBZ，將高于－40 dBZ的距離庫(kù)提取出來(lái)視為云回波。從毫米波雷達(dá)獲取的每條廓線自下而上判斷，當(dāng)某個(gè)距離庫(kù)反射率≥?40 dBZ，則將其所在高度作為云底位置，繼續(xù)往上判斷只要高于閾值便視為同一云層，直到遇到反射率低于?40 dBZ并將此距離庫(kù)高度作為該層云的云頂高度，依此類(lèi)推判斷第二層云，直到整條廓線判斷完畢。此外，為避免將一層結(jié)構(gòu)松散的云誤判為不同層的云，要對(duì)找到的云邊界進(jìn)行質(zhì)量控制。這里采用王喆等（2016）判斷云邊界的方法，對(duì)于厚度小于210 m云層，如果其與上下庫(kù)的間隔大于720 m，就刪除這層云；否則將其與前后較鄰近的云層合并。

2.3 其他觀測(cè)資料

為了進(jìn)行更全面細(xì)致地比對(duì)，這里還獲取了對(duì)應(yīng)時(shí)段的激光云高儀觀測(cè)云底高度、葵花8衛(wèi)星（Himawari-8，簡(jiǎn)稱(chēng)HW8）觀測(cè)云頂高度以及可見(jiàn)光全天空成像儀的拍攝照片用以輔助參考。其中激光云高儀位于毫米波雷達(dá)西南側(cè)約64 m處，每1 min可獲得云底高度產(chǎn)品?？梢?jiàn)光全天空成像儀也與毫米波雷達(dá)同址架設(shè)，通過(guò)全天空鏡像拍攝獲取天空可見(jiàn)光亮度（輻射）分布，根據(jù)云天的天空亮度（輻射）小于晴空的原理來(lái)區(qū)分云和晴空（高太長(zhǎng)等, 2010），每10 min可拍攝一張4288×2848像素的照片。HW8衛(wèi)星搭載了許多具有高光譜、高時(shí)空分辨率的先進(jìn)傳感器，其觀測(cè)數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、氣候研究、地表監(jiān)測(cè)、水文服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外利用HW8衛(wèi)星觀測(cè)產(chǎn)品與地基遙感設(shè)備開(kāi)展聯(lián)合觀測(cè)和比較研究，并進(jìn)行云的氣候態(tài)特征分析，例如Chen et al.（2018）利用HW8數(shù)據(jù)對(duì)2016年京津冀地區(qū)夏季的云頂高度分布情況開(kāi)展了研究，Zhou et al.（2019）利用北京南郊觀象臺(tái)毫米波雷達(dá)觀測(cè)云頂高度和云底高度，分別與同時(shí)段的HW8衛(wèi)星觀測(cè)云頂高度以及激光云高儀觀測(cè)云底高度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，并著重分析了降水對(duì)觀測(cè)差異的影響。本文利用國(guó)家衛(wèi)星氣象中心開(kāi)發(fā)的FYGAT算法（Min et al., 2017）反演計(jì)算得到了云頂高度產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為10 min，空間分辨率為2 km，這里按照最鄰近法提取了距離南郊觀象臺(tái)最近的格點(diǎn)數(shù)據(jù)。北京南郊觀象臺(tái)毫米波雷達(dá)、激光云高儀和探空的相對(duì)位置如圖2所示。

本研究選取了2016年12月13日至2017年3月13日共計(jì)91天的毫米波雷達(dá)、激光云高儀和葵花8衛(wèi)星連續(xù)觀測(cè)資料以及每日兩個(gè)時(shí)次的北京市觀象臺(tái)探空資料。其中探空放球時(shí)間分別為07:15（北京時(shí)間，下同）和19:15，每次探空持續(xù)時(shí)間約為90 min。毫米波雷達(dá)觀測(cè)模式為垂直天頂向上，每1 min觀測(cè)的是固定地點(diǎn)瞬時(shí)的云信息；而探空儀則由于氣球上升導(dǎo)致入云和出云之間有一定時(shí)間差，尤其對(duì)于局地變化較快的云來(lái)說(shuō)會(huì)帶來(lái)一定的云垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)偏差。王喆等（2016）考慮兩種匹配方法，一是假定風(fēng)對(duì)氣球和云的移動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生影響，二者的水平移動(dòng)是一致的，因此選擇固定時(shí)刻作為二者的觀測(cè)時(shí)刻匹配；二是考慮到氣球在對(duì)流層上升大概需要1 h，取毫米波雷達(dá)在施放探空氣球后的1 h的平均云高來(lái)進(jìn)行二者的時(shí)空匹配，并且通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)第2種匹配方式有效個(gè)例更多，因此本文參照王喆等（2016）的匹配方式，選擇07:00至08:00、19:00至20:00的毫米波雷達(dá)云高平均值來(lái)與探空進(jìn)行比對(duì)。

3 探空與毫米波雷達(dá)觀測(cè)實(shí)例分析

研究時(shí)段內(nèi)按照上述時(shí)空匹配方法共產(chǎn)生182組匹配數(shù)據(jù)，二者觀測(cè)云層數(shù)一致或都觀測(cè)為無(wú)云的情況為128個(gè)，占比例的70.4%；一方判識(shí)有云而另一方判斷無(wú)云的情況為34個(gè)，占比18.7%；二者均判斷有云但云層數(shù)不一致的情況為20個(gè)，占比11%。探空與毫米波雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)到云的情況為47個(gè)，其中毫米波雷達(dá)觀測(cè)到單層云27個(gè)，雙層云15個(gè)，三層及以上云5個(gè)，探空觀測(cè)到單層云27個(gè)，雙層云9個(gè)，三層及以上云11個(gè)。

對(duì)探空和毫米波雷達(dá)同時(shí)觀測(cè)云情況下的云頂高度、云底高度進(jìn)行比較，對(duì)于多層云，取最下層云的云底和最上層云的云頂用于比對(duì)，如圖3所示，二者總體上基本一致，其中探空平均云頂高度為7174 m，云底高度為4120.5 m，而毫米波雷達(dá)平均云頂高度為6751.6 m，云底高度為4471.2 m。因此毫米波雷達(dá)觀測(cè)云頂高度平均低于探空約422 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1494 m，毫米波雷達(dá)觀測(cè)云底高度則平均高于探空約350.7 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1557 m。

為更直觀詳細(xì)地比較毫米波雷達(dá)和探空觀測(cè)結(jié)果，從這47個(gè)共同觀測(cè)有云樣本中按照不同類(lèi)型的云選取出代表性個(gè)例（圖4）來(lái)分析。圖4a1觀測(cè)時(shí)間為2016年12月21日08:00，從毫米波雷達(dá)回波圖上可以看出該時(shí)刻為較厚的均勻?qū)訝钤疲?7:00至08:00云底高度和云頂高度平均值分別為1632 m、7640 m，同時(shí)期探空探測(cè)到1803～7906 m范圍的單層云，厚度約為6100 m，與毫米波雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果較為一致。圖4a2觀測(cè)時(shí)間為2017年1月7日08:00，毫米波雷達(dá)與探空均觀測(cè)到結(jié)構(gòu)緊湊的雙層云，探空觀測(cè)下層云的云底高度與毫米波云雷達(dá)非常一致，僅相差25 m，而探空觀測(cè)到上層云的云頂高度則偏高約400 m，從圖中還可看到激光云高儀觀測(cè)云底相對(duì)云雷達(dá)偏高。圖4a3觀測(cè)時(shí)間為2017年1月5日08:00，從可見(jiàn)光全天空成像儀圖像（圖5a）上來(lái)看，天空布滿均勻的雨層云，云底很低，兩者均分析出三層云，且每層云的云高位置均較一致。圖4a4和圖4b4中毫米波雷達(dá)與探空均分析出雙層云，對(duì)于第一層云探空云底高度相比毫米波雷達(dá)偏低約500 m，而對(duì)于第二層云探空云頂高度相比毫米波雷達(dá)偏高約900 m，此例中通過(guò)WR95法未識(shí)別出8 km處的第二層云（圖4c），而通過(guò)與毫米波雷達(dá)以及全天空成像儀（圖5b）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了第二層云的存在，因此ZHA18法通過(guò)在高層降低相對(duì)濕度閾值來(lái)判識(shí)云相比WR95法更具有合理性。

圖2 毫米波雷達(dá)、激光云高儀和探空氣球投放點(diǎn)的空間位置Fig. 2 Position of millimeter-wave cloud radar (MMCR),ceilometer, and radiosonde

4 探空與毫米波雷達(dá)觀測(cè)偏差分析

盡管上述實(shí)例中探空與毫米波雷達(dá)觀測(cè)一致性較好，然而統(tǒng)計(jì)時(shí)段中仍有一些個(gè)例二者觀測(cè)云邊界偏差較大，這里選取典型個(gè)例逐一分析，引起二者云高偏差較大的原因主要包括二者觀測(cè)原理不同、探空儀濕延遲、二者觀測(cè)方式不同引起的時(shí)空匹配偏差、設(shè)備判識(shí)云高算法的局限性、降雨時(shí)毫米波雷達(dá)的衰減等。

首先，探空與毫米波雷達(dá)由于觀測(cè)原理和方法不同，結(jié)果存在一定偏差。從熱力學(xué)特性來(lái)看，濕空氣塊因絕熱抬升達(dá)到飽和的高度為云底形成的理論高度，此時(shí)探空觀測(cè)到的相對(duì)濕度持續(xù)穩(wěn)定在較高數(shù)值，而對(duì)于毫米波雷達(dá)而言，此時(shí)雖然水汽達(dá)到飽和開(kāi)始形成云滴，但還不足以對(duì)雷達(dá)產(chǎn)生散射回波，毫米波雷達(dá)對(duì)云粒子產(chǎn)生回波需要滿足兩個(gè)條件：一是濃度要求，即單位體積內(nèi)達(dá)到一定數(shù)量的云滴粒子，二是云滴粒徑要達(dá)到一定尺寸大小，只有濕空氣塊進(jìn)一步抬升過(guò)程才能達(dá)到要求，因此毫米波雷達(dá)觀測(cè)云底比探空總體偏高。

圖3 探空與毫米波雷達(dá)云高比較曲線：（a）云底高度；（b）云頂高度。橫坐標(biāo)表示兩者共同觀測(cè)到云的樣本序號(hào)Fig. 3 Comparisons of cloud height observations by MMCR and radiosonde: (a) Cloud base height (CBH); (b) cloud top height (CTH). The abscissa indicates the sequence of samples simultaneously observed by MMCR and radiosonde

其次，毫米波雷達(dá)和探空觀測(cè)方式不同導(dǎo)致了觀測(cè)目標(biāo)的時(shí)空匹配偏差。毫米波雷達(dá)通過(guò)垂直天頂觀測(cè)獲得的是當(dāng)前時(shí)刻當(dāng)前位置的云信息，而探空氣球由于始終在上升并且在水平方向上還會(huì)受到風(fēng)的影響產(chǎn)生位置漂移，因此有可能二者觀測(cè)到的并不是同一片云。這里統(tǒng)計(jì)了研究時(shí)段內(nèi)各條探空廓線數(shù)據(jù)在1～15 km范圍內(nèi)各高度的水平漂移量，用“箱圖”來(lái)表示（圖6）。由圖可知，2 km的垂直高度（代表低云的最大高度范圍）產(chǎn)生的漂移量為0.34～9.88 km之間，平均值為3.69 km；在6 km高度上（代表中云和高云的分界），漂移量擴(kuò)展到4.19～29.33 km，平均值為15.56 km；當(dāng)達(dá)到15 km的高度，漂移量已經(jīng)達(dá)到29.73～112.42 km，平均值達(dá)到68.21 km。因此，由于探空氣球的水平漂移引起的與毫米波雷達(dá)時(shí)空匹配差異會(huì)導(dǎo)致云垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)偏差。在毫米波雷達(dá)和探空觀測(cè)云頂高度偏差較大的樣本中，統(tǒng)計(jì)毫米波雷達(dá)探測(cè)到云頂高度時(shí)探空氣球產(chǎn)生的水平漂移距離，如圖7所示，可見(jiàn)二者云頂高度差異較大的樣本，他們的水平漂移距離一般都較大，例如2017年2月15日20:00（樣本序號(hào)36）探空觀測(cè)云頂高度比毫米波雷達(dá)高4 km，而探空氣球在云頂處的水平漂移距離超過(guò)了30 km，因此二者也許探測(cè)到的不是同一目標(biāo)云，時(shí)空匹配的偏差導(dǎo)致了觀測(cè)結(jié)果的差異。根據(jù)王喆（2018）研究結(jié)論，北京南郊觀象臺(tái)上空受中緯度西風(fēng)帶影響，8 km高度上探空氣球一般向東偏移，因此與地基固定遙感設(shè)備鉛直方向探測(cè)相比，探空氣球的水平漂移確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題，因此對(duì)于較均勻、中低高度的云而言，毫米波雷達(dá)和探空觀測(cè)協(xié)同性較好。

圖4 （a1?a3）毫米波雷達(dá)（a2中三角形表示同時(shí)段激光云高儀CL51觀測(cè)到的云底高度）與（b1?b3）探空觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比個(gè)例分析，（a4）毫米波雷達(dá)反射率、（b4）ZHA18法及（c）WR95法在同一天判識(shí)的探空云垂直結(jié)構(gòu)。灰色區(qū)域表示云區(qū)Fig. 4 Comparisons of different cloud vertical structure cases derived from (a1?a3) MMCR and (b1?b3) radiosonde observations; (a4) MMCR radar reactivity, cloud vertical structure radiosonde observations from (b4) ZHA18method and (c) WR95 method. Gray areas denote cloud areas

圖5 2017年（a）1月5日08:00和（b）2月28日20:00的可見(jiàn)光全天空成像儀圖像Fig. 5 Photos taken by Total Sky Imager (TSI) at (a) 0800 LST 5 Jan 2017 and (b) 2000 LST 28 Feb 2017

圖6 各垂直高度上的水平偏移量箱圖Fig. 6 Boxplot showing the displacement of the radiosonde launched from Beijing in every 1 km in height

除了探空氣球漂移情況，國(guó)產(chǎn)探空儀搭載的溫濕傳感器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)時(shí)間存在滯后也是導(dǎo)致二者偏差的原因。李偉等（2009）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，GTS1型探空儀溫度傳感器時(shí)間常數(shù)大，濕度傳感器為碳膜濕敏電阻，在低溫（尤其是?30℃以下）環(huán)境下濕度變化幅度明顯變小，滯后性遠(yuǎn)大于常溫，測(cè)量穩(wěn)定性略差。例如2016年12月20日20:00（圖8）毫米波雷達(dá)觀測(cè)云頂高度平均值為10.05 km，而探空觀測(cè)云頂高度超過(guò)12 km，可以看到10 km以上高度氣溫降到?50℃以下，濕度隨高度緩慢下降，因此濕度傳感器的濕延遲使得探空觀測(cè)云頂高于毫米波雷達(dá)，除此之外，毫米波雷達(dá)對(duì)含有小顆粒的云頂探測(cè)靈敏度不足也是導(dǎo)致二者云頂高度偏差的原因。

圖7 云頂高度差異較大的樣本探空水平漂移情況Fig. 7 Displacement of radiosonde in cases with larger CTH differences between radiosonde and MMCR

圖8 2016年12月20日（a）毫米波雷達(dá)與（b）探空得到的云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig. 8 Comparison of cloud vertical structure derived from (a) radar and (b) radiosonde observations on 20 Dec 20 2016

圖9 2017年2月21日（a）毫米波雷達(dá)（圓形表示葵花8衛(wèi)星觀測(cè)到的云頂高度）與（b）探空觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig. 9 Comparison of cloud vertical structure derived from (a) radar (CTHs observed by HW8 are denoted by circle) and (b) radiosonde observations on 21 Feb 2017

此外，毫米波雷達(dá)在下雨時(shí)受到衰減，導(dǎo)致所觀測(cè)的云頂高度相比探空偏低。例如圖9表示2017年2月21日兩者觀測(cè)的云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比，圖中可看到毫米波雷達(dá)反射率因子最強(qiáng)達(dá)到30 dBZ且回波接地，清晰地反映出了降水現(xiàn)象，探空探測(cè)相對(duì)濕度從近地面到高空約5 km均大于90%，表示較厚的水汽層，與云雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致，當(dāng)天自動(dòng)站于13:00開(kāi)始產(chǎn)生間歇性小雪，從全天空成像儀（圖10a）來(lái)看為雨層云，天空零星飄著雪花，至 23:00累計(jì)降水量為 5.4 mm，其中 19:00至20:00降水量為1.5 mm，該時(shí)段毫米波雷達(dá)、探空觀測(cè)云底高度均低于500 m，一致性較好，而探空觀測(cè)云頂高度相對(duì)最高，為15064 m，葵花8衛(wèi)星反演得到云頂高度平均為8909～9802 m，毫米波雷達(dá)觀測(cè)云頂相對(duì)最低，平均為8810 m。這是因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)在觀測(cè)氣象目標(biāo)物時(shí)均會(huì)受到不同相態(tài)降水粒子對(duì)雷達(dá)電磁波衰減的影響（Lhermitte,1990）。王金虎等（2017）通過(guò)研究液相和冰相降水粒子對(duì)不同頻率毫米波雷達(dá)的衰減特性影響，發(fā)現(xiàn)35 GHz毫米波雷達(dá)衰減系數(shù)隨著冰相粒子降雨率增大而增大。

圖10 （a）2017年2月21日13:00與（b）2016年12月25日08:00可見(jiàn)光全天空成像儀圖Fig. 10 Photos taken by Total Sky Imager (TSI) at (a) 1300 LST 21 Feb 2017 and (b) 0800 LST 25 Dec 2016

圖11 2016年12月25日08:00（a）毫米波雷達(dá)與（b）探空觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig. 11 Comparison of cloud vertical structure derived from (a) radar and (b) radiosonde observations at 0800 LST 25 Dec 2016

探空判識(shí)云高算法的局限性也可能導(dǎo)致二者觀測(cè)云高偏差。圖11表示2016年12月25日08:00的對(duì)比個(gè)例，毫米波雷達(dá)探測(cè)到兩層云，而探空則探測(cè)到三層云，毫米波雷達(dá)觀測(cè)第一層云的云底高度為2523 m，第二層云的云頂高度為9980 m，探空相比毫米波雷達(dá)則在低空多判識(shí)出一層云，云底高度為618 m。從探空溫濕度廓線來(lái)看，在近地面約300 m、1000 m、3300 m處出現(xiàn)了不同程度的逆溫，大氣層結(jié)比較穩(wěn)定，全天空成像儀顯示為蔽光性波狀云（圖10b），并且自動(dòng)站08:00觀測(cè)低云量為0，天氣現(xiàn)象為“霾”，因此探空在低層識(shí)別的云層有可能為誤判。圖12為2017年1月6日08:00的另一個(gè)個(gè)例，毫米波雷達(dá)探測(cè)到一絲較薄的卷云，平均云底高度在7365 m，云頂高度為7605 m，而探空觀測(cè)到兩層云，上層云云高與云雷達(dá)較一致，而低層探測(cè)到約1500 m厚度的低云，云底高度約500 m，兩者相差較大。結(jié)合其他觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，自動(dòng)站08:00觀測(cè)低云量為0，天氣現(xiàn)象為“霾”，當(dāng)天的PM2.5數(shù)據(jù)也顯示空氣中氣溶膠粒子濃度較大（圖13），這兩個(gè)例子均說(shuō)明低空氣溶膠吸濕后導(dǎo)致某一層相對(duì)濕度偏高，探空將低空氣溶膠吸濕后與水汽混合形成的穩(wěn)定濕層誤判為云層，而該濕層雖然達(dá)到飽和但由于粒徑大小和濃度均達(dá)不到毫米波雷達(dá)產(chǎn)生散射回波的要求，因此該情況下毫米波雷達(dá)探測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，這也表明了利用多種遙感技術(shù)手段進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)的重要性。

圖12 同圖11，但為2017年1月6日Fig. 12 Same as Fig. 11, but for 6 Jan 2017

圖13 2017年1月6日00:00至23:00的PM2.5濃度變化Fig. 13 Time series of PM2.5 concentration from 0000 LST to 2300 LST 6 Jan 2017

5 小結(jié)

本文獲取了2016年12月 13日至2017年 3月13日長(zhǎng)達(dá)91天的北京南郊觀象臺(tái)Ka波段毫米波雷達(dá)以及L波段探空的時(shí)空同步連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，基于改進(jìn)了的相對(duì)濕度閾值法（ZHA18法）計(jì)算云垂直結(jié)構(gòu)，基于毫米波雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去除雜波、云邊界質(zhì)量控制進(jìn)行云高識(shí)別，通過(guò)時(shí)空匹配，并結(jié)合激光云高儀、葵花8衛(wèi)星、全天空成像儀等多源數(shù)據(jù)將探空與毫米波雷達(dá)觀測(cè)的云垂直結(jié)構(gòu)（包括云底高、云頂高、云層數(shù)等）進(jìn)行了一致性比較，并對(duì)二者云高偏差的原因進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，結(jié)論如下：

（1）毫米波雷達(dá)與探空觀測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)的一致性總體較好。在182組匹配數(shù)據(jù)中，毫米波雷達(dá)和探空觀測(cè)層數(shù)一致或都為無(wú)云的情況占總體樣本比例為70.4%；平均而言，探空觀測(cè)云頂高度比毫米波雷達(dá)平均高422 m，而云底高度則平均偏低350.7 m，且通過(guò)多源設(shè)備互相校驗(yàn)說(shuō)明了本研究中采用的ZHA18法通過(guò)在高層降低相對(duì)濕度閾值來(lái)判識(shí)云相比WR95法更具有合理性。

（2）針對(duì)探空觀測(cè)云底偏低、云頂偏高的現(xiàn)象進(jìn)行了差異分析，認(rèn)為差異主要包括二者觀測(cè)原理不同、探空儀濕延遲、二者觀測(cè)方式不同引起的時(shí)空匹配偏差、探空判識(shí)云高算法的局限性、降雨時(shí)毫米波雷達(dá)的衰減等多方面。由于探空氣球上升過(guò)程中產(chǎn)生水平漂移，而毫米波雷達(dá)則是固定地點(diǎn)垂直天頂觀測(cè)，因此二者時(shí)空匹配偏差導(dǎo)致了云高觀測(cè)結(jié)果的差異，此外國(guó)產(chǎn)探空儀搭載的溫濕傳感器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)滯后也是導(dǎo)致探空觀測(cè)云頂偏高的原因之一。毫米波雷達(dá)在下雨時(shí)受到衰減，則將會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)云頂高度偏低。此外，ZHA18法有時(shí)會(huì)將水汽和氣溶膠混合的低空濕層誤判為云層，需要結(jié)合其他觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)改進(jìn)。

總之，本文運(yùn)用探空和毫米波雷達(dá)識(shí)別的云垂直結(jié)構(gòu)在北京冬春季具有較好的一致性，如何進(jìn)一步改進(jìn)各設(shè)備判識(shí)云垂直結(jié)構(gòu)的方法，提高綜合氣象觀測(cè)設(shè)備比對(duì)校驗(yàn)的效率和應(yīng)用價(jià)值是未來(lái)需要開(kāi)展的工作。致謝感謝北京氣象探測(cè)中心李林以及中國(guó)氣象局大氣探測(cè)試驗(yàn)基地陶法、王志成等相關(guān)人員提供數(shù)據(jù)支持。