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。     

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。     

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。     

地基热红外云高观测与云雷达及激光云高仪的相互对比

2008年5月至12月中美（美国能源部大气辐射测量（ARM）计划）联合利用ARM移动观测设施（AMF）在安徽省寿县进行了大气辐射综合观测试验,地基云参数观测仪器主要有:（1）云雷达（ARM W-band (95 GHz) Cloud Radar）,观测结果为反射率廓线,时间分辨率为2 s;（2）云高仪（Vaisala Ceilometer）,观测结果为云底高度和后向散射廓线,时间分辨率为15 s.两者均为天顶方向观测.扫描式全天空红外成像仪（SIRIS-1型）于11月27日～12月30日在寿县参加了观测,观测方式为全天空扫描,时间间隔为15分钟.三种云观测仪器共并行观测16天.利用全天空红外成像仪测得的天空红外亮温和同步观测的地面气象数据进行了等效云底高的反演.以全天空红外成像仪天顶方向观测时间前后15次云雷达反射率廓线的平均廓线,云高仪12次观测中有云时次云底高的平均值分别作为同步观测结果,利用平均反射率廓线进行了各层云的云底、云顶、回波峰值高度和回波积分值的提取和计算.三种观测仪器以10 km云底高为限,共同步观测1661次,其中云雷达、红外成像仪和云高仪分别观测到云:428,287,225次.本文分3种情况:（1）全部有云观测情况,（2）单层云,（3）双层及三层云,分别进行了三个仪器观测云高的对比.对比结果:情况（1）,云雷达与云高仪、云雷达与红外成像仪的相关系数分别为0.6和0.82;情况（2）,三者共同观测75次,云雷达与红外成像仪相关系数为0.85,与云高仪相关系数为0.53,标准差分别为0.88 和1.61 km;情况（3）,红外成像仪云底高绝大多数在云雷达观测的最上、最下层云之间,有时接近上层云,有时接近下层云.对比结果显示,地基热红外对于观测中低云高具有稳定、可靠、经济和便捷等优势,但观测结果较云雷达系统偏高.文中同时提出了初步的校正方法.     

毫米波云雷达与探空测云数据对比分析

应用中国气象局大气探测综合试验基地2015年8—12月数据,对Ka波段毫米波云雷达与L波段探空云底高、云顶高及云垂直结构的探测进行对比分析,从分析结果可以看出,毫米波云雷达发射的电磁波能够穿透厚度较大的云层,探测出云垂直结构,所探测的云底高和云顶高与L波段探空结果保持良好的一致性。进一步分析一些云底、云顶高度差异较大的个例,得知与探空气球的漂移造成地域偏差和L波段探空相对湿度探测的误差相关。研究结果表明,Ka波段毫米波云雷达不仅探测能力强,探测精度也较高,是地基云探测的一种有效手段。     

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。     

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.     

毫米波云雷达及探空反演的云垂直结构对比分析

利用2021年9月9日—2022年1月31日泾河国家基本气象站毫米波云雷达（简称云雷达）的反射率因子及L波段探空雷达的温度、相对湿度数据,根据时空匹配方法,对比分析了二者探测和识别云的垂直结构特征（包括云底高度、云顶高度、云层数）的一致性。结果表明：云雷达和探空数据对低、中、高的单层云、双层云及临近降水云的垂直结构的识别结果基本一致;二者对于单层云的云底高度以及双、多层云的云顶高度识别一致性更好,探空识别的云底高度整体略高于云雷达的。引起二者识别云层数不一致的原因：一是因为低层相对湿度较大以及探空识别云算法的敏感性;二是当云体的结构松散时,加上探空漂移作用导致二者识别的云体不一致。在二者识别云层一致的情况下,识别单层云的垂直结构的差异是由于探空仪在低温条件的低敏感以及云雷达对高层薄云的探测能力引起;对于双层和多层云,主要是由于时空匹配方法对于短时间内垂直结构显著变化的云的识别还需要进一步改进。     

基于云雷达、C波段连续波雷达和激光云高仪融合数据的华南夏季云参数统计分析

利用湖北省襄阳市2019—2021年3 a云高仪观测资料,统计云出现频率、云层数和云底高度等指标,对该地区云的宏观特征进行分析,结果表明：(1) 襄阳市全年云系覆盖率较高,3 a平均云出现频率为61.3%。云出现频率呈现夏季高于冬季的季节变化特征,以及白天低、夜间高的日变化特征。(2) 云层数以单层云为主(78.3%),尤其在冬季(80.1%)。多层云分布中,双层云所占比例最大(18.5%),且多层云出现频率随云层数增加而降低;多层云出现频率夏季高、冬季低,主要与夏季水汽相对充足、温度较高使得对流旺盛等因素有关。(3) 云底高度在1.0 km以下的云,1月份出现频率为26%,云系分布较为分散,7月份达40%,云系相对集中;而云底高度在1.0~3.5 km之间的云,1月份出现频率达57%,云系分布较为集中,7月份为24%,云系相对分散。(4) 所有的对流性降水云,出现在6—8月的占83.3%,傍晚前后出现对流性降水的概率最大;云底高度上,对流性降水云平均云底高度较所有降水云平均结果更低,低云所占比例更大。

     

新型激光云高仪CT—12K简介

CT－12K云高仪是芬兰VAISALA公司生产的新一代激光测云仪，它具有结构清晰，测量精确，便于维护等优点，我国现有多个机场用其作为云层自动观测设备。下面介绍一下它的测量原理和工作过程。1测量原理CT－12K云高仪是通过测量一束光脉冲从发射端发出后，经云底反射被接收端检测到，这一过程所需的时间来确定云层高度。云高与反射延迟时间的关系为：h一Ct／2………………………………（）其中c为光速（一2．9979XIO‘m／s）实际上．由于大气中微粒的大小、密度及云层厚度的不同，在各个高度上都会有部分反射，因此实际的问波信号加留1…     

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。     

Cloud Base Height and Effective Cloud Emissivity Retrieval with Ground-Based Infrared Interferometer

Based on ground-based Atmospheric Emitted Radiance Interferometer (AERI) observations in Shouxian, Anhui province, China, the authors retrieve the cloud base height (CBH) and effective cloud emissivity by using the minimum root-mean-square difference method. This method was originally developed for satellite remote sensing. The high-temporal-resolution retrieval results can depict the trivial variations of the zenith clouds continu-ously. The retrieval results are evaluated by comparing them with observations by the cloud radar. The comparison shows that the retrieval bias is smaller for the middle and low cloud, especially for the opaque cloud. When two layers of clouds exist, the retrieval results reflect the weighting radiative contribution of the multi-layer cloud. The retrieval accuracy is affected by uncertainties of the AERI radiances and sounding profiles, in which the role of uncertainty in the temperature profile is dominant.     

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。     

Verification and Correction of Cloud Base and Top Height Retrievals from Ka–band Cloud Radar in Boseong,Korea

In this study,cloud base height(CBH) and cloud top height(CTH) observed by the Ka-band(33.44 GHz) cloud radar at the Boseong National Center for Intensive Observation of Severe Weather during fall 2013(September-November) were verified and corrected.For comparative verification,CBH and CTH were obtained using a ceilometer(CL51) and the Communication,Ocean and Meteorological Satellite(COMS).During rainfall,the CBH and CTH observed by the cloud radar were lower than observed by the ceilometer and COMS because of signal attenuation due to raindrops,and this difference increased with rainfall intensity.During dry periods,however,the CBH and CTH observed by the cloud radar,ceilometer,and COMS were similar.Thin and low-density clouds were observed more effectively by the cloud radar compared with the ceilometer and COMS.In cases of rainfall or missing cloud radar data,the ceilometer and COMS data were proven effective in correcting or compensating the cloud radar data.These corrected cloud data were used to classify cloud types,which revealed that low clouds occurred most frequently.     

The First Observed Cloud Echoes and Microphysical Parameter Retrievals by China's 94-GHz Cloud Radar

By using the cloud echoes first successfully observed by China's indigenous 94-GHz SKY cloud radar, the macrostructure and microphysical properties of drizzling stratocumulus clouds in Anhui Province on 8 June2013 are analyzed, and the detection capability of this cloud radar is discussed. The results are as follows.(1) The cloud radar is able to observe the time-varying macroscopic and microphysical parameters of clouds,and it can reveal the microscopic structure and small-scale changes of clouds.(2) The velocity spectral width of cloud droplets is small, but the spectral width of the cloud containing both cloud droplets and drizzle is large. When the spectral width is more than 0.4 m s-1, the radar reflectivity factor is larger(over –10 dBZ).(3) The radar's sensitivity is comparatively higher because the minimum radar reflectivity factor is about–35 dBZ in this experiment, which exceeds the threshold for detecting the linear depolarized ratio(LDR) of stratocumulus(commonly –11 to –14 dBZ; decreases with increasing turbulence).(4) After distinguishing of cloud droplets from drizzle, cloud liquid water content and particle effective radius are retrieved. The liquid water content of drizzle is lower than that of cloud droplets at the same radar reflectivity factor.     

基于美国AMF寿县观测的云特性研究

美国能源部大气辐射观测计划移动观测ARMAMF（atmospheric radiation measurement mobile facility）2008年首次在我国寿县开展综合观测,为研究云特性提供了很好的资料平台。本文在此次云雷达等观测资料基础上,研究了寿县秋末冬初云高、云厚、云量及其辐射特性,结果发现,寿县有76．3％的观测日有云出现,54．0％的观测时间有云覆盖,中云（以下简称M云）和高云（以下简称H云）出现频率占全部云系的76．7％,天气系统对寿县云系形成有较大影响;云底高度大于3km的降水性云（以下简称P云）出现频率占全部P云的67．7％,是云底高度小于3kmP云的5．3倍,发生在下午的降水占全部P云的47．8％,气溶胶可能对P云的这种分布有较大影响;云和气溶胶减少地面短波辐射的日均值达一99．1W／m。,其中气溶胶减少约占25．1％。不同高度和厚度云对地面辐射通量的影响有较大差异,P云产生最大的冷却效应（一201．9W／m。）,厚度小于2km的H云对地面辐射通量的减少量最少（一32．9w／m。）。另外,用地面单点云辐射观测与中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）资料估计结果对比发现,两种资料有较大差异,差异可达-1．9～-36．9W／m。     

CloudSat云底高度外推估计的可行性分析

云底高度对于全球辐射平衡以及航空飞行均具有重要影响。针对CloudSat与MODIS主、被动观测的优缺点,本文提出了利用MODIS云分类信息进行CloudSat云底高度外推估计的技术。首先使用MODIS和CloudSat数据,利用回归分析方法比较了基于云类型（CSAT）与基于距离（MSAT）的云底高度估计方法的优劣。此外,分析了中国及周边地区CloudSat各类云云底高度的均一性特征。最后,利用CloudSat各类云云底高度的统计特征,建立了一种基于云类型和距离权重的云底高度估计方法,并对该方法进行了验证和分析。结果表明,利用该方法得到的MODIS各类云云底高度估计误差的标准差均小于1.5 km,除了积雨云在观测点与待测点距离大于400 km的估计误差均值稍大于1.5 km外,各种情况下其他各类云的云底高度估计误差的均值均小于1.5 km。