林青，劉顯通，張弘豪，屈靜玄

（1.廣東省氣象臺，廣東廣州 510080；2.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州 510080；3.陽江市氣象局，廣東陽江 529500）

云宏觀特征的準(zhǔn)確探測對深入理解云和天氣系統(tǒng)的相互作用，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有重要作用［1］。云的宏觀特征主要包括云底高度、云頂高度、云厚度、云量等，其中，云底高度對云的分類和降水概率有顯著影響。衛(wèi)星遙感、地基遙感和無線電探空是獲取云信息的主要遙感手段［2］，衛(wèi)星主要觀測云頂信息，無線電探空一天只有2次觀測，而地基遙感能夠獲取長時間的低層觀測序列［3-5］。激光云高儀布設(shè)相對方便，但回波信號受天氣現(xiàn)象和大氣氣溶膠顆粒影響時獲取的云頂和云底信息會出現(xiàn)偏差［6］，因此，在應(yīng)用前有必要對激光云高儀得到的云信息與實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。前人工作中利用熱紅外、無線電探空儀、毫米波雷達(dá)等遙感設(shè)備對激光云高儀的觀測性能進(jìn)行過對比分析［7-9］。無線電探空儀能穿透大氣直接測量溫度和濕度，進(jìn)一步獲取大氣垂直濕度特征［10-11］，由于云層對應(yīng)著高相對濕度區(qū)，因此基于相對濕度廓線計(jì)算得到的云高結(jié)果可作為一種數(shù)據(jù)源用于與激光云高儀探測結(jié)果進(jìn)行比對。本研究選取2021年1到10月陽江超級觀測站布設(shè)的Vaisala CL51激光云高儀和探空數(shù)據(jù)檢驗(yàn)評估激光云高儀探測的云底高度準(zhǔn)確程度，希望為后續(xù)應(yīng)用和訂正提供參考。

1 資料和方法

1.1 Vaisala CL51激光云高儀

本研究用到了中國氣象局廣州熱帶海洋研究所在陽江超級觀測站布設(shè)的Vaisala CL51云高儀，CL51云高儀運(yùn)用脈沖二極管激光LIDAR技術(shù)，測量激光脈沖穿過天空時由霾、霧、輕霧、降水和云層等引起后向散射識別云層，同時根據(jù)激光脈沖發(fā)出和接收到后向散射信號之間的時間差計(jì)算云底高度。CL51云高儀能夠同時探測3個云層，最高時空分辨率分別為16 s和10 m，最大云高探測距離為13 km。為降低瞬時誤差，本研究選取整點(diǎn)前后5 min（共10 min）的平均高度作為云高儀觀測的云底高度，參考李思騰等［8］對云信號的處理方法，將近地面（300 m以下）最大信號值作為閾值，剔除數(shù)據(jù)范圍內(nèi)大于閾值的信號以避免云層影響，對比時段為2021年1—10月，共計(jì)7 173個觀測樣本。

1.2 無線電探空儀

基于激光云高儀的單點(diǎn)垂直觀測原理，為進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)對比，選取陽江超級觀測站布設(shè)的無線電探空儀，因此作為標(biāo)準(zhǔn)站（站號：59663）。由于探空一天只有2次（08：00和20：00（北京時，下同））觀測，對比時段內(nèi)有效對比樣本共計(jì)568個。

基于探空觀測計(jì)算云高的主要方法有溫度露點(diǎn)差法和相對濕度閾值法［12］，在此基礎(chǔ)上，也有工作進(jìn)一步通過檢驗(yàn)擬合將相對濕度閾值設(shè)置成高度的分段函數(shù)［10］。在進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析時，最常用的是WR95相對濕度閾值法［3，11-12］，該方法對探空垂直分辨率比較敏感，與衛(wèi)星和地面觀測結(jié)果對比，對中、低云層數(shù)據(jù)識別效果一致，高云會有1／3的缺失［12］，對比8 mm云雷達(dá)觀測到的11次過程中的云底高度和基于此算法計(jì)算得到的云底高度，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94［3］。本研究也采取此方法計(jì)算云底高度，具體方法如下：（1）計(jì)算每個高度的相對濕度（溫度低于-10℃時采用相對于冰面的飽和水汽壓計(jì)算公式）；（2）將相對濕度向上增加且達(dá)到大于84%的高度判斷為云底高度，同時滿足云底以下相對濕度的二階導(dǎo)數(shù)大于0；（3）將相對濕度向上減少且開始小于84%的高度判斷為云頂高度；（4）云層中相對濕度最大值大于87%的才被認(rèn)為是云層；（5）當(dāng)近地面層相對濕度超過閾值時，將云底高度設(shè)置為300 m；（6）剔除厚度小于300 m的薄云，合并距離小于500 m的厚云。

1.3 檢驗(yàn)方法

兩個儀器的觀測樣本可以分為以下兩類：（1）都有數(shù)據(jù)；（2）只有云高儀有數(shù)據(jù)。在進(jìn)行檢驗(yàn)評估時，第1組樣本參考李思騰等［8］的方法，將云底高度分為低云（0～2.5 km）、中云（2.5～4.5 km）和高云（＞4.5 km）3類，直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)對比。第2組則將樣本抽取出來單獨(dú)進(jìn)行檢驗(yàn)分析，若一個區(qū)間有2個以上觀測數(shù)據(jù)時，選取最低高度為云底高度。本研究選取相關(guān)系數(shù)（CC）、標(biāo)準(zhǔn)差（RMSE）和歸一化偏差（NE）3個檢驗(yàn)指標(biāo)對兩個儀器的觀測結(jié)果進(jìn)行定量對比檢驗(yàn)，公式為

其中，RaY為云高儀觀測得到的云底高度（km）；RaS為探空觀測到的云底高度（km）；N為共同識別出云底的樣本數(shù)。

2 樣本整體檢驗(yàn)分析

對比分析3類云總樣本數(shù)據(jù)分布，從表1可以看出，低云類別云高儀樣本總數(shù)僅為探空儀實(shí)際觀測樣本總數(shù)的52.6%，這是由于激光波長短，大氣中的氣溶膠顆粒、水汽、云滴等粒子對激光造成衰減，導(dǎo)致激光穿過很少或無法穿過近地霧霾層到達(dá)云層，進(jìn)而無法探測到數(shù)據(jù)，李思騰等［8］也發(fā)現(xiàn)霧霾天氣中云高儀數(shù)據(jù)獲取率僅為33%，與本研究的結(jié)果大致相似；中云類別激光云高儀樣本數(shù)比探空多50個，這是由于CL51云高儀是通過散射回波的突變來識別云，有機(jī)會識別出薄云；高云類別兩儀器的樣本總數(shù)相差不多，未出現(xiàn)明顯差異。

表1 篩選后無線電探空儀和激光云高儀觀測3類云云底高度樣本

由3類云底高度的月分布（圖1）可以看出，激光云高儀的低、高云月平均云底高度與實(shí)際差異較大，分別高估了0.84和1.15 km，中云的云底高度趨勢和數(shù)值大致相近，值得注意的是，低云類別中激光云高儀觀測結(jié)果是1到5月的云底高度呈先降低后升高特征；5月之后基本介于1.7～2 km（5月最高，1.98 km）。探空觀測樣本表征的月分布特征與其相反，5月為最低月（0.41 km）。云高儀對低云的云底高度的高估可能與對比時段內(nèi)雨量變化特征有關(guān)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)（圖略），高估2021年7—8月偏少，5到6月最多，另外霧、霾、高濕區(qū)和降水均會影響結(jié)果。對高云類別的云底高度檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光云高儀對云底高度也存在高估，在強(qiáng)降雨的兩個月份反而誤差不大，但是降雨較少的月份高估明顯。為了更好的了解云底高度和降水間的關(guān)系，后續(xù)章節(jié)將重點(diǎn)對低云特征進(jìn)行精細(xì)分析。

圖1 激光云高儀和探空儀月平均云底高度分布

3 基于不同降水量級的指標(biāo)檢驗(yàn)分析

圖2為不同降雨量級中激光云高儀和探空儀觀測的云底高度散點(diǎn)圖，其中篩選晴天樣本時，用08：00和14：00地面觀測能見度均＞25 km和整層相對濕度小于85%這兩個條件進(jìn)行篩選。分析發(fā)現(xiàn)：在沒有降水（圖2a）時，觀測效果最好，云高儀與探空儀對中、高云的云底高度一致性較高，主要誤差來源于低云，這一類樣本的CC為0.76，同時RMSE為1.3，NE為0.56；晴天（圖2b）時，中云效果好，無高云樣本；降水量級分別為0.1～1 mm（圖2c）、1～10 mm（圖2d）和10～25 mm（圖2e）的RMSE隨著降水量級增大而增大，分別為1.29、1.35和2.1，從散點(diǎn)圖可以看出偏差主要來自于中、高云，而CC分別為0.61、0.73和0.98，相關(guān)性增加可能是由于底層無序樣本減少所致。

圖2 不同日累計(jì)降雨量級激光云高儀云底高度檢驗(yàn)

另外有3點(diǎn)值得注意：（1）所有量級分段中無降雨（圖2a）和晴天（圖2b）兩個量級的RMSE最小，但相關(guān)性處于中位，這主要是由于中、高云的高估引起的，也說明激光云高儀對無降雨和晴天的表現(xiàn)效果好；（2）隨著降水量增大，擬合方程斜率呈減小趨勢，其中降水量級為0 mm（圖2a）、0～1 mm（圖2c）、1～10 mm（圖2d）和10～25 mm（圖2e）的斜率分別為0.94、0.73、0.69、0.67（25～50 mm樣本由于中高云樣本較少，斜率代表性差，因此不做討論），從散點(diǎn)分布信息中也可以看出，云高儀觀測到的中、高云云底高度相比于探空從接近逐漸轉(zhuǎn)為高估；（3）部分低云樣本探空測得的云底高度為0.3～0.5 km，而云高儀為0～2.5 km區(qū)間內(nèi)，差異較大。為了找出這種差異的原因，篩選出探空對應(yīng)云底高度小于0.5 km的樣本，發(fā)現(xiàn)它們的相對濕度廓線主要特征是低層相對濕度大。這些樣本的平均相對濕度曲線（圖3）特征表現(xiàn)為地面相對濕度已經(jīng)大于云底識別算法閾值84%，并且低層0.45 km高度存在一個濕度極大值區(qū)，相對濕度在達(dá)到極大值后繼續(xù)往上單調(diào)遞減，即只有一層云。因此，探空識別云高的算法會直接將0.3 km高度識別成云底。而激光云高儀觀測到的平均云底高度為1.792 km，正好接近相對濕度曲線確立的云頂。周伶俐等［7］的工作中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，并通過對比不同相對濕度、能見度條件下的CL51云高儀的觀測結(jié)果，認(rèn)為霧或濃霧存在時，霧頂部后向散射強(qiáng)度迅速減弱，導(dǎo)致識別到的云底為霧頂或者高濕區(qū)頂部。

圖3 探空云底高度小于500 m的低云樣本平均相對濕度廓線

用0～2 km高度內(nèi)平均相對濕度等于85%作為篩選閾值，對無降水樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)在完全沒有霧和霾，且能見度的條件下，低層無序樣本顯著減少；與圖2a對比，RMSE從1.3下降到1.24，NE從0.56下降到0.52，兩個參數(shù)均表明離散度在減?。欢蛯痈邼窕蛘哂徐F的條件（圖略）下，云高儀的探測結(jié)果均為霧頂或者高濕區(qū)頂部，因此此種天氣狀況下的云高儀結(jié)果誤差較大，應(yīng)進(jìn)行訂正。

第2組樣本是指云高儀有觀測而探空儀無觀測，共79個，由于沒有第3類儀器作為客觀檢驗(yàn)手段，本組數(shù)據(jù)只能根據(jù)相對濕度廓線特征探討可能的原因。低、中、高云樣本分別為33、45、33個，平均高度分別為1.86、3.39、6.16 km。將所有樣本相對濕度和出現(xiàn)的高度進(jìn)行累加并做歸一化處理（圖4）后，發(fā)現(xiàn)：（1）0～2 km相對濕度主要集中在75%～86%區(qū)間，而2～3.5 km更多集中在60%～70%區(qū)間，這表明有較大量樣本低層濕度大，到2 km左右突然變干，即為低層濕區(qū)特征，這種天氣條件下云高儀會將濕區(qū)的頂部識別成云底；（2）在0～1和3.5～4.2 km高度相對濕度等于86%的區(qū)間均有一個頻率大值區(qū)，這可能是由于探空識別云的算法剔除了最大相對濕度小于87%的結(jié)果所致，另外有個別樣本在4 km以下出現(xiàn)了相對濕度大于87%的情況，但是垂直高度不到0.3 km，這也是探空是別算法剔除結(jié)果導(dǎo)致的。

圖4 歸一化后的第2組樣本的相對濕度-高度累積頻率分布

4 結(jié)論

1）CL51云高儀探測的云底高度低云的樣本數(shù)遠(yuǎn)低于探空儀，中云比探空多了50個，高云相當(dāng)；月平均云底高度，中云時空一致性較高，低云和高云云高儀分別比探空儀高估了0.84和1.15 km，并且低云云底高度隨月份變化兩個儀器呈現(xiàn)相反趨勢。

2）云高儀在無降水時探測能力最好，日累計(jì)降水為0.1～1、1～10和10～25 mm時，與探空儀計(jì)算得到的云高擬合斜率分別為0.73、0.69和0.67，表明云高儀對中、高云云底高度高估程度隨降水增加而增加，降水量超過25 mm時探測能力迅速減弱。

3）低層高濕條件下，探空儀測得的平均云底為0.45 km，而云高儀在0.5～2.5 km不等，平均云底高度為1.792 km，云高儀測得的云底高度可能為高濕度層頂，剔除低層高濕樣本后，無降水時RMSE從1.3 km下降到1.24 km，NE從0.56下降到0.52。

4）對于僅有云高儀觀測到云的樣本，產(chǎn)生原因可能是云高儀誤將濕區(qū)頂判斷成云底和探空計(jì)算云底算法閾值選取導(dǎo)致。