全天空测云技术现状及进展

云是一种常见和重要的天气现象,在大气辐射传输中扮演着重要角色。云的形态、分布、数量及其变化标志着大气运动的状况。云的观测对军事活动、国民经济和社会服务等方面具有重要意义。目前在业务上尚未实现云的自动观测,单点测量云高的仪器已经较为成熟,然而云量和云状的自动观测仪器目前还处于研究阶段。文中总结了目前地基全天空测云仪器现状,分析了全天空云图获取、镜头保护、云点识别、云量计算、云高计算和云状识别等几个测云技术问题,最后从相关测量技术和产品应用角度做一定的思考和展望,认为需要从提高仪器性能、加强云高测量技术攻关、建立器测云分类标准等方面推进全天空测云仪器业务化应用。     

利用全天空可见光图像反演天空辐亮度

由中国科学院大气物理研究所LAGEO实验室研制和开发的地基全天空成像仪,可实现地基全天空自动化观测,文中首先对全天空成像仪仪器及性能进行介绍.辐亮度是气象科学研究中基础而重要的气象要素,而全天空成像仪记录的是可见光红、绿、蓝三波段辐射信息的灰度值图像,因而无法直接应用到气象研究中.为能够从灰度值图像中获取天空辐亮度信息,文中详细介绍了与亮度反演密切相关的几个重要标定实验,包括儿何标定、光学标定,以标定参数为基础并结合全天空仪器成像原理提出了一个由可见光灰度图像反演相对天空辐亮度分布的算式算法.文中还利用大气物理研究所香河观测站(39.75°N,116.96°E)同时观测的全天空成像仪以及CIMEL光度计所观测的天空辐亮度数据(440 nm波长),对该反演算式进行检验和比对,结果表明,所提出的算法进行天空辐亮度分布反演可行,该算法将灰度图像与天空辐亮度建立了联系,有利于观测图像数据与数值模式模拟工作的相互对比和验证,有利于观测图像数据在模式研究中的应用.     

利用扫描式红外亮温仪对天空云量的试验观测

利用中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室自主开发研制的全自动扫描式天空红外亮温仪,于2007年4-8月在北京市气象局南郊观象台进行了试验观测.利用获得的天空红外亮温数据和南郊观象台(54511站)实时地面气象数据,进行了天空云量的计算.将整点前30 min内观测的云量的平均值作为与观象台观测对应的整点观测云量,分不同情况与观象台目视观测结果进行了对比分析.结果表明:(1)对于中低云,两种观测的云量比较一致,但如果在此期间云消散或增加很快,则差别较大.其主要原因是观测的时间和方式不同所造成的.(2)对于以卷云为主的天空情况,特别是高层薄卷云的情况,两种观测的云量差别较大.原因是受到目前试验所使用的红外传感器低温测量范围的限制(-50℃),以及判定云的阈值算法目前还只对于中低云比较适用,对于卷云的判断能力比较薄弱.(3)对于天空情况比较复杂,以及能见度不好的情况(气象站目视云量记录为10-),两种观测的云量差别也很大.其差别既受到仪器性能的影响,也与观测员视力与经验有关.仪器受到最低测量温度的限制,反演算法也有其不确定性,而观测员在低能见度时的观测局限性亦是一个重要原因.利用SIRIS-1进行云量和云底高度观测的优点是时间分辨率高,且全天时自动化,但对于卷云的判断还较薄弱.     

全天空数字相机观测云量的初步研究

采用带有鱼眼镜头的数字相机拍摄全天空图像,对图像进行处理并分析,实现根据图像获取云量的目的。介绍了工作的基本原理和方法并给出初步实验结果。结果表明,用目前分析图像所获取的算法计算云量（与观测员记录相比）,平均误差在15％以内,结果的准确度受地面能见度影响较大,对能见度达15km以上的图像分析效果最好。     

物理-统计反演和云-晴空辐射特征差异检测结合的全天空高云判别能力改进算法与初步试验

在全天空红外-可见光云像观测反演方法基础上,针对已往阈值法判断高云的局限性,提出改进的算法。对可见光图像可利用以太阳-天顶为连线的主平面两边相元特性的对称性来判断云的存在,对红外成像仪可利用同一仰角扫描时所得不同方位角亮温分布的非均匀性来判断云的存在。以北京2011年1 3月观测资料为基础,选择原阈值法未能判别出来的案例进行再处理,全天空可见光成像观测仪高云判别能力最高可达73.9%,全天空扫描式红外成像仪可达70.1%。该工作为天空的高云识别提供新的复合算法。     

三维辐射传输模式分析非均匀云对天空辐射场影响

为了解非均匀分立云体分布状况下的天空辐射场与无云晴空辐射场的差异, 本文借助一个三维辐射传输数值模式SHDOM模拟了离散云块分布条件下的天空辐射场分布, 重点分析不同云况分布情况下“非云”大气的辐射分布特征, 并将该区域与无云晴空大气辐射场的相同区域进行了比对。工作主要从辐亮度以及450 nm/650 nm的辐射比两参数入手进行讨论。研究发现, 相对无云晴空大气, 云的存在会对周围“非云”大气散射辐射产生影响, 影响程度与云量、云及气溶胶光学厚度等参数相关。数值模拟结果表明, 在云量不太大的条件下, 无云视场空间的大部分辐射值与无云晴空相比变化很小, 集中在±2％之间。这一结果表明, 已有的一维均匀大气辐射传输模式运算结果所得云与非云相元的判据基本适用于非均匀分布的有云大气。另一方面, 模拟结果表明我们也完全可以利用非均匀有云大气中的无云视场观测结果进行大气气溶胶等晴空大气光学特征的探测研究。     

全天空图像分析西藏羊八井2009～2010年云量特征

运用西藏羊八井观测站2009～2010年近1年的高时空分辨率全天空图像资料分析了测站上空的日间云量特征。年平均总云量统计结果为5.2;冬夏季节云量分布差别明显,夏季平均云量大,冬季小;无云、少云天气多出现在冬季上午,而夏季午后满云情况较多;1～4月及11、12月(冬半年)云量日变化特征明显,上午逐步增加,至17:00(北京时间)左右到达高值,随后逐步下降,形成白天云量渐多夜间云量消散的"循环"过程。运用该地资料还分析了运用时间概率方法估算的点云量与实际云量的差异,小时平均结果显示无云及满云天气条件下二者云量一致性较高,而对中等云量天气二者相差较大。更长时间尺度(天平均)的统计对比表明,随着统计样本增加二者差距缩小。总体来看少云天气情况下点概率云量估算低于实际天空云量,当天空多云时点概率云量则大于实际天空云量。     

近20年青藏高原云分布特征及云参数时空变化分析

准确估算云量是了解青藏高原云参数时空特征的基础。通过相关分析、回归分析、趋势分析方法,分析了近21年来青藏高原云分布的动态变化。利用MODIS云量日产品（MOD08＿D3）数据和ERA5再分析资料,分析了青藏高原不同阶段云量分布和云参数的时空特征。结果表明,高云区云量中心位于墨脱县（77.3%）,林芝（72.5%）地区云量最大,青藏高原日平均云量在过去21年间减少了0.04%。季节分布上,夏季出现水云的概率最高（31.7%）,春季出现冰云的概率最高（26.5%）。每年出现的冰云比水云高2%左右。在全球变暖背景下,青藏高原上空水汽含量呈减少趋势,云水含量呈逐渐增加趋势。年平均云水含量比大气总水汽含量高约0.01 cm,云水总含量增加约0.04 cm。本研究为理解云水资源对全球气候变化和青藏高原地区水循环的影响提供了依据。     

基于探空云识别方法的云垂直结构分布特征

云的垂直结构特征作为云重要的宏观特征之一,直接决定了云的类型,进而通过发射和吸收辐射的方式影响着地气系统的能量收支平衡,因此对云垂直结构特征的研究一直都是云物理研究的一个重要方向。作为观测云垂直结构特征的一种方式,探空气球通过获取沿路径方向高分辨率的廓线信息,采用一定反演方法从而能够较为准确的识别云的垂直结构。本文即利用我国业务布网探空站的观测资料,采用相对湿度阈值法识别云垂直结构,并同激光云高仪、“风云四号”静止卫星和毫米波云雷达对识别的云结构特征量进行了一致性检验。在此基础上,统计分析了2015～2017年单层、两层和三层云的垂直结构分布特征、日变化和季节变化特征以及全国区域分布特征,结果表明:（1）整体分布上,单层云在垂直方向上出现的高度范围介于多层云的高度范围内,并且随着云层数的增加,云在垂直方向上更为伸展,即高层云越高,低层云越低;（2）在日变化中,中午单层和多层云中最低层云的云底高度均高于早晨,而夜间单层和多层云中最高层云的云顶高度则高于早晨和中午,同时中间层云厚的变化要小于最上层和最下层云厚的变化;（3）在季节变化中,夏季云量较其他季节更多,云体发展也更为深厚,表明温暖的大气条件更有利于云的形成和发展;（4）我国云垂直结构分布特征具有明显的纬向变化趋势,从以青藏高原为中心的西南地区的云底较高云体较薄的云,逐步过渡到以东南沿海地区为中心的云底较低云体较为深厚的云,表明不同地形和气候带的差异与不同云类型的分布直接相关。     

晴空与有云大气辐射分布的数值模拟及其对全天空图像云识别的应用

全天空图像自动云识别的研究相对来说是一项较新的研究领域。当前国际上较为通用的全天空图像云识别方法主要依靠图像蓝红灰度值对比的阈值方法进行判断。然而非洁净大气中气溶胶的增多给云识别增加了难度,同时太阳高度角不同天空色度分布情况也不同。文中利用Libradtran辐射传输模式,计算了不同能见度不同太阳高度角情况下3个典型波长(450,550,650nm;蓝/绿/红)无云及有云大气的天空辐亮度分布情况,并进行了比较分析。结果表明,相同太阳高度角情况下,无云及有云大气中蓝红比值随能见度的下降呈单调下降趋势。在特定的云光学厚度和能见度情况下,天空色度彼此呈现出类似的分布状况。全天空图像阈值判断云识别自适应算法的建立需要与太阳高度角、地面能见度联系起来。当前尚无法建立一个判断阈值随太阳高度角以及能见度变化的函数关系式。较为可行的办法是建立典型能见度、典型太阳高度角情况下的辐射信息库,在具体云识别时,首先确定太阳高度角,而后根据天空辐射比情况确定天空能见度,并利用辐射信息标准库做云或非云判别。该工作为全天空云识别算法提供判别依据,同时建立云识别随能见度和太阳高度角变化的判别信息库。     

具有“双对流云线”特征的北京局地暴雨初步分析

2009年7月13日北京出现了一次罕见的有双“对流云线”现象的局地暴雨,对此记载并主要采用雷达资料四维变分同化系统(VDRAS)得到的分析场资料进行了初步分析,结果表明: 在高空槽、低层风场辐合的有利天气尺度背景下,在北京西南部与河北交界处,由于地形作用首先出现数个对流单体;同时由于北京城区南部存在伴随中尺度风场辐合的温度梯度带,为单条对流云线的形成提供了重要条件,因而出现了对流单体呈东东北-西西南走向线状排列的形态,单条对流云线形成。在出现单条对流云线后,强降水开始发生,对流云线两侧由于强降水产生的边界层冷池出流与环境场风场形成辐合,其中南侧出流与环境场的偏南风产生狭长辐合线,北侧出流与附近雷暴冷池及雷暴高压产生的西北气流产生辐合,同时这两条辐合线阻挡削弱了环境场对原对流云线的能量和水汽输送,从而原对流云线减弱消失,在其两侧新生出两条新的对流云线。在对流云线两侧冷池出流附近,如果环境场存在较强的温度梯度、湿度梯度以及风场辐合,则可以激发出走向与环境风场垂直相交的两条平行分布的对流云线。伴随较强垂直上升速度的边界层辐合线对对流风暴的新生有显著的动力学指示意义,时效约30～60 min。      

农桐间作田的太阳辐射分布特征探讨

以试验区实测资料为基础，根据泡桐的树形特征和太阳辐射在树冠中的传播特性，建立了晴、昙、阴不同天气条件下各种密度农桐间作田内太阳辐射的分布模式，较好地体现了间作地辐射日变化趋势。并分析了影响辐射分布的因素，为配置合理的间作模式提供依据。     

北京大气气溶胶光学特性的综合遥感和分析

本文根据激光和光度计的综合探测资料,分析了1983年11月至1984年12月北京大气柱气溶胶光学厚度、谱分布、折射率以及粒子浓度的高度分布等气溶胶光学特性,研究这些参数在不同季节下的变化规律,着重研究春季的情形。     

北京地区大气能见度变化规律及影响因子统计分析

1990～ 2 0 0 0年北京地区大气能见度的统计分析表明 ,大气能见度有明显的年际变化、季节变化和日变化特征。冬、春、秋三季及全年日平均年际变化表现为 2 0世纪 90年代中期能见度较好 ,前期和末期能见度较差 ,2 0 0 0年能见度迅速好转 ;夏季能见度年际变化在 1997年以前与其他季节相反 ,1995年能见度最差。大气能见度与同期地面气象条件和主要污染物浓度的相关性比较表明 ,春、夏、秋三季以空气湿度、PM10 和风速为主要影响因子 ,冬季以PM10 、SO2 、空气湿度和风速为主要影响因子。能见度与相对湿度和空气污染物浓度呈反相关 ,与风速的相关性较为复杂 (有时呈正相关 ,有时呈反相关 ) ;高湿度 (相对湿度 f≥ 80 % )、小风速 (地面风速u≤ 2m·s-1)和雾是造成低能见度的主要气象条件 ;污染物浓度对能见度的影响以冬季最为明显 ,秋季次之 ,夏季最差     

北京一次突发性降雪的云场结构特征分析

本文对利用三重嵌套的高分辨率中尺度模式对北京一次突发性降雪过程进行了数值模拟。重点分析伴随降雪过程的云各微物理含量构成和云场三维图像的演变特征,初步分析表明：此次降雪过程中云中的主要成份是冰晶粒子,雪其它粒子的含量较少,冰晶粒子含量随时间呈由高空向低空增加的趋势,它在降雪过程中起重要作用;云的三维结构图也清楚地反映云顶有不断降低和向下伸展过程,这与冰晶粒子的增长和沉降有关。     

北京北郊冬季低空大气气溶胶分析

文章分析了2001年1月10～16日和2月20日～3月2日两时段北京北郊中国科学院大气物理研究所325 m高的气象塔上距地面320、100和8 m 3个高度所采得的气溶胶样品的物理化学特征.计算了气溶胶的TSP浓度、化学组分及其分布和粒度谱.探讨了气象条件对气溶胶浓度及其来源和分布的影响.初步发现在所测的高度范围内,气溶胶TSP的浓度随高度的增高而下降,70%以上浓度分布在细粒组(d<2.1 μm).气溶胶中浓度最高的前20个元素是S、Fe、Ca、Al、K、Na、Mg、Zn、P、Ti、Pb、Ba、Mn、Cu、V、As、Cr、 Rb、Sb和Br.挥发性元素主要分布在细粒组,元素浓度随高度增加而减少.气溶胶的离子浓度也有相同的分布特征.风速变小、层结呈现稳定,尤其逆温以及大气湿度升高均为气溶胶浓度升高的因素.人为排放源是大气气溶胶的主要贡献者.导致北京严重空气污染的气溶胶源地以北京当地及其周边邻近地区的污染源为主.     

北京燕山地区声回波探测资料的统计分析

近十几年来,许多国家用声雷达长时间的连续观测资料为厂区、城区和山区污染状况的预评价和污染事件的监测和预告服务,并进行了边界层气候和污染气候方面的研究。如何更有效而合理地使用声雷达的长时间连续观测资料,并从中获得有规律性的结果,是十分重要的问题。我们于1984年5月26日至6月23日,10月6日至12月12日,1985年1月8日至2月8日,4月11日至26日四个季节,     

2012年7月北京一次大暴雨过程的湿Q矢量和湿位涡分析

利用NCEP 1°×1°的6 h再分析资料和常规气象观测资料,对2012年7月21日发生在北京地区的一次大暴雨天气过程进行非地转湿Q矢量(Q*)和湿位涡等物理量诊断分析,研究暴雨期间Q*散度、锋生函数和湿位涡的时空分布特征,以及它们与强降水之间的关系。结果表明,Q*在850 hPa高度层上对暴雨表现出良好的诊断特性,冷、暖气流的汇聚加强了锋生作用,强锋生中心出现几小时后即出现暴雨。暴雨区位于Q*辐合区内,Q*散度对6 h后暴雨的落区有很好的指示意义。暴雨落区基本位于MPV1正、负值交界处的等值线密集带上以及MPV2负值区内。暴雨区上空,从近地面到对流层低层的对流性不稳定与条件性对称不稳定同时存在,两者共同作用,这很可能是此次暴雨的中尺度对流系统发生发展的重要条件之一。     

庐山地区不同海拔高度降水雨滴谱特征分析

利用2010年7月30日架设在庐山的0TT-Parsivel激光雨滴谱仪收集的一次对流云降水雨滴谱资料,对不同海拔高度的降水微物理参量进行比较分析,以探讨降水微物理特征在垂直高度上的差异.结果表明,庐山地区夏季对流性降水,具有时间短、强度大的特点,数浓度、雨强和含水量等微物理参量值普遍较大,雨滴最大直径约为10mm.降...