Ka波段固态发射机体制云雷达和激光云高仪探测青藏高原夏季云底能力和效果对比分析

激光云高仪和云雷达是探测云底的两种设备,但其探测能力和探测结果有一定的差异,对比分析两种设备的测云效果有助于正确认识它们的探测优势,推进我国云雷达在云探测中的应用。本文提出了基于云雷达数据的云底和云顶高度分析方法,利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验云雷达、激光雷达和激光云高仪数据,统计了三种设备探测青藏高原低云、中云和高云的云底高度偏差、探测率,分析了激光云高仪探测云底偏高的原因,根据探测结果提出了固态发射机体制雷达探测青藏高原低云的优化观测模式,模拟分析了探测效果。结果表明:（1）云雷达对高云的探测能力要明显优于激光云高仪,但其对低云的探测能力有待改进,激光云高仪探测云底下部的边界层内的云雷达回波信号可能是非云降水回波;低层云的遮挡作用明显降低了激光云高仪对多层云的观测能力;与激光云高仪相比,云雷达仍然会漏掉一些高云和中云。（2）激光云高仪探测的中云和高云的云底很多在云雷达回波内部,云雷达和激光云高仪观测的云底的时空对应关系比较差。（3）增大激光发射功率和优化固态发射机体制云雷达观测模式可提高云的观测能力,微波和激光雷达数据融合可全面了解不同类型云的宏观特征。这一工作为云雷达和激光雷达数据的应用,评估激光云高仪和云雷达探测青藏高原云的能力,讨论设计优化的云观测方案,为推进我国云观测技术的发展提供了重要参考依据。     

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日—12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。     

毫米波云雷达与激光云高仪观测数据对比分析

2013年5月1日至6月8日,中国气象局气象探测中心在中国气象局大气探测综合试验基地进行了云高观测试验,试验仪器包括:(1)毫米波云雷达(35 GHz),观测数据为回波功率值,时间分辨率1 min;(2)激光云高仪,观测数据为后向散射光强度,时间分辨率为1 min;本工作对39天试验数据进行对比分析,结果表明:毫米波云雷达数据获取率要比激光云高仪的数据获取率高26%;在雾霾天气时激光云高仪的数据获取率比毫米波云雷达低51%;降水天气对激光云高仪测量云底高度的结果影响较大,对云雷达的测量的结果影响较小;毫米波云雷达和激光云高仪测得云底高度平均相差不超过300 m,比较接近。     

激光云高仪与可见光测云仪观测试验对比

选取激光云高仪观测的云高和可见光测云仪观测的云量,通过对比两种地面云观测设备观测数据在相同条件下的差异,分析不同要素对设备观测性能的影响,结果表明:在相同观测条件下,两种地基云观测设备的观测结果不同;激光云高仪和可见光测云仪受雾、霾、降水等天气现象以及云物理特性的影响,云观测数据会出现的漏报和误报的现象;激光云高仪还受自身探测高度和垂直分辨率的影响,对高云和薄云的捕获率较差。     

地基主动式云自动观测设备外场比对试验

对2015年1—5月安装在中国气象局大气探测试验基地的Ka波段毫米波测云仪(HT101)和2种型号激光云高仪(CYY-2B、HY-CL51)进行比对试验。试验期间以L波段业务探空气球的入云和出云高度为云高标准,对测云仪从云体探测率、准确性、天气适应性等方面进行分析,结果表明:(1)毫米波测云仪的云体探测率最高;(2)以探空气球入云高度为标准,毫米波测云仪云底高度探测相对偏差最小;(3)毫米波测云仪有较强的云顶高探测能力;(4)毫米波测云仪天气适应性最强,在多层云、卷云、低能见度条件下HT101探测性能优于CYY-2B、HY-CL51。     

地基红外测云仪探测能力分析

利用地基红外测云仪(WSIRCMS)在2011年11月北京观象台的连续观测数据,从总云量、云底高和天空类型3个方面初步分析其探测能力。结果表明:1该仪器能够不分昼夜同时实现云高、云量(高、中、低和总云量)和天空类型的连续自动探测;2与参考标准云量的差值在±10%以内的样本数占总样本数的72.5%,有霾存在时,对中高云的观测能力较弱,造成云量观测结果差异较大;3与激光云高仪的天顶方向的无云一致率达94.9%;在中低云情况下,云高观测结果一致性较好,高云时存在较大差异,WSIRCMS观测云高偏高;4与人工分类的天空类型一致的样本数占总样本数的82.63%,对波状云、积状云和混合云的识别能力稍低。     

基于毫米波雷达观测及探空反演的云垂直 结构对比分析

针对北京南郊观象台的Ka波段毫米波雷达以及L波段探空设备的观测原理和特点,提出了适用于各设备的云垂直结构判定方法,并基于二者2016年12月13日至2017年3月13日长达91 d的时空同步观测数据,结合激光云高仪、葵花8卫星、全天空成像仪等多源辅助数据,对探空与毫米波雷达观测结果(包括云底高、云顶高、云层数等)进行了...     

激光云高仪试验数据对比分析

文章介绍了2014年6-10月在北京市观象台和长沙气象局开展的激光云高仪的对比观测试验和结果。参与此次为期3个多月试验的仪器来自4个厂家、共5种型号的15台仪器参加了对比试验,试验采用了HY-CL51型激光云高仪与CYY-2B型激光云高仪的测量结果作为标准云高,人工观测结果辅助判断,提出了云高标准值的确定方法和云高有效观测样本的选取方法,测试了不同型号激光云高仪的各项性能。结果表明:不同型号的激光云高仪均存在漏判和误判现象,雾、霾天气对仪器的漏判和误判会造成较大的影响,部分型号的仪器样本准确率整体较高,各项性能指标能够达到业务要求。     

激光云高仪测云底高度产品的检验与评估

基于2021年1月1日-10月31日阳江超级观测站布设的Vaisala CL51激光云高仪和无线电探空对低云、中云、高云3类云的云底高度观测的结果进行对比检验.结果表明:两个仪器观测到的月平均云底高度结果中云的时空一致性较高,低云和高云云高仪分别高估了 0.84和1.15 km,并且低云云底高度随月份变化两个仪器呈相反趋势;云高仪在无降水时探测能力最好,随降水增加对中、高云云底高度高估程度也随之增加,日累计降水量级超过25 mm时探测能力迅速减弱;低层高湿条件下,云高仪测得的平均云底高度为1.792 km,可能为高湿度层顶;剔除低层高湿样本后,无降水时RMSE从1.3下降到1.24,归一化偏差从0.56下降到0.52;对于仅有云高仪观测到云的样本,云高仪误将湿区顶判断成云底以及探空计算云底算法阈值选取所致.     

基于激光云高仪的北京沙尘气溶胶特征分析

利用激光云高仪对2015年春天北京沙尘天气过程进行连续观测,结合常规地面气象要素、能见度和PM_(10)颗粒物质量浓度变化分析了两次沙尘天气过程中浮尘、扬沙和沙尘暴三类天气现象时气溶胶后向散射系数的时空分布特征,分析了云高仪后向散射系数与PM_(10)颗粒物质量浓度的相关性。结果表明:激光云高仪能够监测沙尘气溶胶粒子的时空变化,扬沙和沙尘暴期间后向散射系数随高度的增加而减小,后向散射系数在0.005 km~(-1)·srad~(-1)以上的沙尘层厚度约500 m;云高仪的近地面大气后向散射系数变化趋势与PM_(10)颗粒物浓度变化相同,10、50和100 m高度上的后向散射系数与PM_(10)颗粒物质量浓度的相关系数均在0.82以上。     

毫米波云雷达杂波质控方法研究

基于广州市气象局观测场的HMB-KPS型Ka波段毫米波云雷达、C12小型激光云高仪和地面气象自动站2019年11月至2020年10月的观测数据,对毫米波云雷达数据进行质量控制,结果表明:云雷达的杂波主要分布在3 km以下尤其是1 km以下近地层,大部分杂波的回波强度Z＜-10dBz、退偏振比LDR＞-20dB,且杂波的...     

激光云高仪探测中国东南沿海云分布特征

利用Vaisala CL51激光云高仪对厦门地区2016年1月1日至2020年12月31日5年的云探测数据,采用时间占比算法计算出云分数,并对云层、云高以及云分数分布规律进行统计分析。结果表明:中国东南沿海云层结构以单层云为主(占比43.59%),双层云为辅(占比16.42%),三层以上云出现的概率相对较低(占比5.25%)。观测期间以中低云为主,与其他季节相比,夏季的云分布密度的集中度较小,存在较大云底间距。高云更可能出现在18时至次日06时的时段内,夏季尤为显著,表现出明显的日变化特征。     

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.     

能见度自动仪与人工观测资料对比分析

根据国家气象中心制定的《对比观测期间监测资料评估技术方法》,对2008年嘉兴气象观测站能见度仪资料与人工观测能见度进行对比分析,结果表明,能见度仪资料与人工观测值在低能见度多发季节(秋、冬、春季)相关较好,而夏季(能见度总体较高)则相反。对能见度进行分级后的比较得出,低能见度(2km)时能见度仪观测效果较好,和人工观测值之间的对比差值及粗差率低、一致率高,具有很好的代替作用,而随着能见度的逐渐升高(2～5 km,5 km),两者之间的差距加大,能见度仪的可替代性降低。最后通过比较两种数据的各项统计指标发现,能见度仪数据序列离散度较低,精密度及精确度都要高于人工观测值,通过订正后未来有望取代人工观测。     

地基双波段测云系统及其对比试验

针对地基测云系统中云在可见光波段与红外波段中表现出的不同特性,用双站数字式云高仪所测云高进行标校,结合地面实时观测天顶红外辐射亮温及地面环境参数,分析地面到云层底大气对红外辐射亮温的影响,从中发现利用天空红外辐射亮温来遥感云底高度的可行性,研发地基双波段测云系统。该系统以对流层大气的垂直温度递减率为理论基础,建立云层底到地面的温度递减梯度参数K,根据递减梯度参数反演天顶方向的云高。该算法不依赖于探空数据,通过实时定标形式得出符合仪器所在地的云底高反演公式。通过与维萨拉激光云高仪CL31进行数据对比分析得出,地基双波段测云系统反演结果具有较高的准确性。     

激光云高仪和红外测温仪的云高观测性能比较分析

基于2016年8月13日—2017年7月31日激光云高仪(CL51)和搭配红外测温仪的微波辐射计(MWR-IRT)的云底高度(CBH)观测资料,对比分析CL51和MWR-IRT的CBH观测结果的差异,探讨不同天气条件下CL51和MWR-IRT的云高观测性能。结果表明:CL51和MWR-IRT对中低云的识别结果较为一致,对高云识别存在一定差异;云天时,CL51和MWR-IRT观测的CBH较为一致,统计均值分别为1.91 km和2.03 km,二者相关系数为0.65;与MWR-IRT相比,CL51观测的高云较高、低云较低;不同天气条件下CL51和MWR-IRT的观测结果表现不同,雾天和重度霾时其观测结果差异较大,轻雾天时其观测差异有所降低,非雾/霾天、雾霾天、轻度霾天、中度霾天时两者观测结果较为一致。     

面向业务应用的上海地区毫米波云雷达观测质量评估

基于宝山国家基本气象站部署的毫米波云雷达2019年的观测数据,辅以激光雨滴谱、微雨雷达、探空资料、风云四号卫星产品、地面雨量计等多元观测数据,从探测稳定性、探测能力、基数据和产品数据探测合理性等方面开展了毫米波云雷达观测质量评估。结果表明:毫米波云雷达在试验期间仅出现单次软件故障,且基数据全年获取率高于95％,探测稳定性较好;毫米波云雷达各高度最小可测回波强度位于-40～-20 dBZ,并随高度呈现出与理论相符的指数递减;9 km高度以下最小回波强度变化小于2 dB,最小回波探测能力稳定性较高,在降水率达到4～5 mm/h时,毫米波云雷达会出现强衰减导致的虚假晴空区。虽然多部毫米波云雷达的基数据存在差异,但与地面雨滴谱计算回波强度和微型雨雷达观测回波强度具有一致的垂直分布及时间演变特征。毫米波云雷达探测云顶云底高度与探空资料估算云顶云底高度、风云四号卫星反演云顶高度具有一定的一致性。拼接缝和距离旁瓣虚假回波是较为直观且能够对业务化应用产生直接影响的问题。     

北京城市大气混合层与气溶胶垂直分布观测研究

2002年3～10月在北京大学利用微脉冲激光雷达(MPL)观测了气溶胶时空变化。提出一种反演混合层高度的方法,这种方法减小了仪器订正的误差,反演的混合层高度与探空测量结果有很好的一致性。利用该方法计算了观测期间晴天无云天气条件下的混合层高度,分析了混合层高度及其增长率的日变化、季节变化,初步研究了混合层高度和近地面气溶胶分布的相互关系,分析了表征大气扩散能力的通风系数的日变化。结果表明,利用MPL监测城市混合层是可行的和优越的。     

激光测云仪及其常见故障分析

目前,国内民航机场气象自动观测系统云高仪部分多采用芬兰ＶＡＩＳＡＬＡ公司的ＣＴ１２Ｋ激光测云仪。该设备具有可靠性高,测量数据准确,实时性好等优点。因为飞机进近位置上空的云高对飞行安全有直接影响,所以ＣＴ１２Ｋ云高仪一般安装在跑道两头距离起飞线１ｋｍ处...     

FY 2F卫星和毫米波云雷达云高观测的个例对比分析

风云二号静止卫星上装载有可见光、水汽、中长波红外等探测通道,其中红外通道资料可提供卫星云顶温度数据。基于FY-2F静止卫星云顶温度资料,结合局地实时探空数据对北京南郊和朝阳站点上空云层进行云高反演,并展开与地基毫米波云雷达探测云顶高关系的对比,分析3种不同云厚(薄云、适中、厚云)条件下的云高观测结果。研究结果表明,二者云顶高匹配度受几何云厚的影响,其吻合度呈现出厚云最佳,薄云最差的特征。