激光云高仪和红外测温仪的云高观测性能比较分析

作者:周伶俐;徐桂荣;吴栋桥;王斌;张文刚; 刊名:暴雨灾害 上传者:孔祥东

【摘要】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。

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引言云是世界气象组织规定的需要观测的气象要素之一,云观测包括云高、云量及云状。其中,云高观测是指云底高度(Cloud Base Height,CBH)观测,CBH作为描述云宏观变化的重要天气和气候参数,既是影响地气系统净辐射变化的敏感参数[1],也是决定降水概率和降水类型的关键参数[2]。多年来,国内云高观测一直以人工目测为主,不仅观测时次少,且观测结果受人为因素影响较大,因此有必要研发出可以实时自动观测云的仪器。目前,有多种地基云高观测设备[3],如激光云高仪、红外测温仪、云雷达、探空仪等。对比这些云高观测设备发现:探空观测时次少,成本高,不易操作;云雷达能观测到云垂直结构信息,但成本高、维护困难;激光云高仪和红外测温仪采用全天候无人值守的观测模式,能输出高时空分辨率的CBH产品,其成本相对较低,且易于维护[4-5],是相对理想的业务化云高观测设备。云高观测早已在一些国家业务化,如美国1990年代就已实现云观测业务自动化,其观测用的就是由芬兰Vaisala公司生产的激光云高仪。国内,直到2012年才在全国布设了8个业务试点站进行云高观测,观测设备为CYY-2型激光云高仪和HY51型激光云高仪[6]。由于多种原因,国内仍未完全实现云高观测业务化,说明云高观测业务化过程中仍存在一些没有解决好的问题,其中就包括对激光云高仪和红外测温仪的云高观测性能的进一步分析。对激光云高仪的观测性能,已有科研人员通过多种CBH观测设备的对比分析总结出该仪器观测CBH的若干优缺点。章文星等[7]分析地基热红外、云雷达及激光云高仪16 d的试验数据表明,地基热红外对中低云观测效果较好,对云层较薄的高层云误差较大;激光云高仪对低云观测效果较好,对中高层云观测不稳定。李思腾等[8]基于毫米波云雷达和激光云高仪39 d观测数据的对比分析指出,观测非降水云时,云雷达和云高仪观测高、中、低各层云回波底高的一致性较好,最大差值不超过300 m,相关系数达0.88。吴翀等[9]通过Ka波段毫米波云雷达、激光雷达和激光云高仪在青藏高原夏季1个月的对比试验表明,激光云高仪观测低云的效率高于云雷达,但对中云和高云的观测能力弱于云雷达。上述研究表明,不同观测设备在云底高度观测上存在差异,不同云观测设备各具优缺点,尚无一种云观测设备具有绝对优势。另外,以往的对比观测试验因受观测条件限制,如观测周期短、获取数据有限等,对激光云高仪云高观测性能的认识也有差异,因此还需通过更多对比试验来验证激光云高仪云高观测性能。红外辐射测云的技术要领是通过测量云的红外辐射强度得到云的实际温度和高度。章文星等[10]利用Modtran 4.0模式证明了红外亮温反演云底高的可行性,其缺点是需用实时温湿廓线进行大气修正。微波辐射计(配载红外测温仪)联合红外测温仪的云底温度和微波辐射计的温湿廓线,可自动输出高时空分辨率的CBH产品。对比分析微波辐射计和GPS无线电探空观测的温湿廓线发现,两者在非降水时系统偏差较小[11]。另外,徐桂荣等[12]对比分析微波辐射计和激光云高仪观测的CBH发现两者一致性较好,其偏差为0.55 km。这表明微波辐射计(配载红外测温仪)反演CBH是可行的,同时探测性能与激光云高仪存在差异,然而上述文献文中并未对这种差异作详细探讨。因此,基于微波辐射计(配载红外测温仪)与激光云高仪长期观测数据,分析和比较激光云高仪和红外测温仪的云高观测异同,有助于深入认识这两种探测设备的云高观测性能。2016年8月—2017年7月中国气象局武汉暴雨研究所在暴雨监测外场试验(咸宁)基地对微波辐射计(配载红外测温仪)

参考文献

引证文献

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