激光雷達與人工對云高觀測結果的比較

莫偉強， 尹淑嫻

(東莞市氣象局，廣東東莞　523086)

?

激光雷達與人工對云高觀測結果的比較

莫偉強， 尹淑嫻

(東莞市氣象局，廣東東莞523086)

摘要：使用MTECH 8200-CHS云高儀于2014年1月18日至2015年5月31日觀測的云高數(shù)據(jù)與人工觀測進行對比分析，以檢驗儀器的性能，結果表明器測云高比目測偏高,儀器對于低云的觀測效果較好以及在夜間的觀測能力較白天好。二者差異的主要原因是由觀測范圍、數(shù)據(jù)采集時效及人工觀測受主觀影響等因素引起的。

關鍵詞：應用氣象； 云高； 激光云高儀； 目測； 東莞

云是影響天氣氣候的重要因子之一[1]。云的類型、云量以及云高在天氣氣候中所起的作用各不相同[2-4]，中、低云由于云頂對太陽輻射較強的反射而使大氣和地表降溫，而高云則相反，高云由于對太陽輻射的透射效應以及云體發(fā)射紅外輻射而使得大氣與地表升溫。如何準確、及時地獲取云的信息，對于氣候學研究、氣象預報、人工影響天氣以及國民經(jīng)濟和軍事等諸多領域都十分重要[5]。目前云的觀測主要是依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》進行人工觀測測站上空云狀、云量和云底高度，但目測存在著主觀性強、觀測不連續(xù)、觀測時次較少等的制約，對于天空中云及天氣的實時變化的觀測能力較差。在當前氣象要素觀測自動化發(fā)展形勢下，利用自動化程度高、可連續(xù)測量的云高儀來代替人工目測將成為趨勢[6]。

科技工作者先后研制出了激光雷達、激光云高儀、紅外云高儀以及毫米波云雷達等多種先進設備，可以不間斷地對云底高進行自動化觀測，并開展了對比觀測研究[5，7-8]。激光雷達是其中一種常用的氣象觀測設備，可用于測量云與氣溶膠[9-10]、氣溫[11-12]、氣體濃度[13]等多種要素的垂直廓線，其中用于測量云與氣溶膠的米散射激光雷達與激光云高儀在本質上是一樣的，都可以測量云底高度。本研究利用裝在東莞市氣象局觀測場的8200-CHS激光雷達云高儀反演的云高數(shù)據(jù)與人工目測數(shù)據(jù)進行對比分析，以檢測該設備對云高觀測的性能，為激光雷達的云高自動化觀測提供初步依據(jù)。

1觀測儀器、數(shù)據(jù)資料及處理方法

本研究使用安裝在東莞市國家基本氣象觀測場的MTECH 8200-CHS云高儀，該儀器主要使用脈沖激光測距技術，即通過測量脈沖光從云高儀發(fā)射器到達云底后向散射，再回到云高儀接收器所需要時間，從而計算出目標物的距離。其主要參數(shù)：探測高度：10～8 200 m、采數(shù)間隔30 s、采數(shù)掃描間隔30 s、輸出分辨率：3 m、精度：<7 m、激光源：InGas激光二極管(波長：905 nm)[14]。

數(shù)據(jù)資料：2014年1月18日—2015年5月31日(其中2014年12月1日—2015年1月6日因為使用不同的模式觀測，所以不作統(tǒng)計)東莞國家基本氣象站的每天08：00、11：00、14：00、17：00、20：00 (北京時，下同)，共5次定時人工觀測云高資料和位于同一地點的8200-CHS云高儀所測云高資料。

分析方法：將云高細分為h<1 000、<1 500、<2 000、<2 500 以及≥2 500 m幾個等級，以及分為低云、中云和高云3個等級2種方法。

2結果及分析

2.1總體結果

云主要分為3族10屬29類，3族分別是低云族、中云族、高云族，通常高度為低于2 500、2 500～5 000、5 000 m以上，現(xiàn)將低云族按500 m的高度劃分為幾個區(qū)域，Band0表示人工目測和器測云高在同一區(qū)域內(nèi)，Band1表示人工目測和器測云高相隔1個層次正負差500 m，其中包括在同一區(qū)域云高，有時天空無云或布滿云層，但激光脈沖無法返回，缺測表示人工目測有云，云高儀數(shù)據(jù)為“99999”或漏報，人工目測和器測云高對比見表1。從表1可以看到，8200-CHS云高儀在該時段內(nèi)所測云高的缺測率為4.1%，Band0為15.2%，Band1為8.7%，剔除云高儀的缺測數(shù)據(jù)，用有效數(shù)據(jù)來統(tǒng)計，Band0為15.8%，Band1為9.0%，Band0和Band1相加達到24.8%。

總體來看，儀器的缺測率較低，儀器可用性較好。器測云高比人工目測云底高度要高，其中，1 500 m以內(nèi)的云，人工目測和器測結果較接近。對于≤2 500 m的中低云云高，云高儀所測和人工目測還是有較好的一致性，而儀器>2 500 m時，二者的差異較大。

2.2不同高度的比較

將儀器和人工目測全部觀測資料及按儀器所觀測的高度分為低于2 500、2 500 ～5 000、5 000 m以上3種情況的對比，再將儀器觀測與人工觀測的云高相減求絕對值，再按絕對值分為500以下、500～1 500、1 500～3 000、3 000～5 000、>5 000 m 5個級別。得到的結果見表2，從表2中可以看到，當儀器觀測到的高度<2 500 m時，二者的相差在1 500 m以內(nèi)的占82.1%，而差值在500 m以內(nèi)的占32.6%；而當器測高度測在2 500～5 000 m時，差值在3 000 m以內(nèi)的占47%，其余的都是差值在3 000～5 000 m之間；而當器測高度>5 000 m時，二者的偏離則比較大，大部分的差值在3 000 m以外，尤其是差值在5 000 m以外的占50%。從表二中的對比可以看到，儀器對于2 500 m以內(nèi)的低云與人工有較高的吻合度，儀器對于低云的觀測能力較好，而對于5 000 m以外的高云，儀器的偏差比較大，儀器對于高云的觀測能力較差。

表2　不同高度的云儀器與人工目測的差值范圍個數(shù)

2.3不同時次比較

圖1為不同時次(08：00、11：00、14：00、17：00和20：00)人工目測與器測對比圖。從圖1中可看到，08：00和20：00器測和人工目測一致性較好，特別是20：00最為相似，其余時次離散度較大。這是由于以光學作為檢測手段的激光雷達，其接收的大氣回波信號往往很弱，且隨著探測高度的增大，回波信號強度以高度平方的倒數(shù)遞減造成的。同時，由于光電探測器件產(chǎn)生的暗電流、信號處理電路元件產(chǎn)生的熱噪聲以及天空背景光等雜散光均使得激光雷達的遠場數(shù)據(jù)很容易淹沒在噪聲之中[15]。而背景噪聲的波動具有明顯的日變化，因為白天受太陽輻射、天空輻射、熱輻射等影響，其值波動較大；晚上主要受熱輻射、燈光等的影響，其值波動較平穩(wěn)。陰天的背景噪聲相比晴天的背景噪聲整體偏低，且波動較小。

圖1　08：00(a)、11：00(b)、14：00(c)、17：00(d)和20：00(e) 8200-CHS云高儀器與人工目測云高的散點圖

2.4晴雨天氣的比較

將有雨時刻的與晴天的有效觀測數(shù)據(jù)進行對比(圖2)。從圖2中可見，雨天時(圖2a)目測曲線與器測曲線吻合度較小，而晴天(圖2b)兩曲線吻合點較多。將儀器觀測與人工觀測的云高相減求絕對值，雨天的差值較小，儀器觀測值普遍高于人工觀測值，東莞的降水云層主要是低層云降水，所以兩者差距不大，致使整個的平均對比值不大。

圖2　雨天(a)和晴天(b)8200-CHS云高儀與人工目測云高對比曲線

3差異的原因分析

通過對自動觀測和人工觀測方式的對比，可知二者差異的主要原因是：

1)觀測方式不同。人工觀測的云量云高通過人眼觀測測站整個天空視野，而激光云高儀是通過測量脈沖光測距，所測是激光發(fā)射到達的一個點。

2)數(shù)據(jù)采集時間不同。根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的要求，一般情況下，人工觀測的時間為正點前45～60 min，距正點時間約相差十多分鐘，而云高儀所測數(shù)據(jù)一般是采用正點值[16-17]。

3)人工觀測受主觀影響較大，器測有時測不到所需部位，無法全面反映天空的真實情況，再加上儀器測定受污染物、降水物等的影響很大，也容易產(chǎn)生誤差[18]。

4)由于東莞降水主要來自低層云，雨天時器測與人工觀測值平均對比差值比晴天小。

4結論

通過安裝在東莞市氣象局觀測場的MTECH 8200-CHS云高儀所觀測的云高數(shù)據(jù)與同一地點的人工觀測的云高數(shù)據(jù)對比分析，得出以下結論：

1)儀器的缺測率較低，儀器可用性較好，但器測云高比目測云底高度要高，其中，1 500 m以內(nèi)的云，人工目測和器測結果較接近。

2)儀器對于2 500 m以內(nèi)的低云與人工有較高的吻合度，儀器對于低云的觀測能力較好，而對于5 000 m以外的高云，儀器的偏差比較大，儀器對于高云的觀測能力較差，器測的云高比人工偏高較多。

3)在夜間儀器的觀測和人工目測一致性較好，白天離散度較大。

參考文獻:

[1]楊大生.基于星載云廓線雷達觀測資料對中國地區(qū)云屬性參量的時空分布特征分析[D]．北京：中國科學院，2009．

[2]Hahn C J，Rossow W B，Warren S G．ISCCP cloud properties associated with standard cloud types identified inindividual surface observations[J]．Journal of Climate，2001，14(2001)：11-28．

[3]Hartmann D L，Ockert-Bell M E，Michelsen M L.The effect of cloud type on earth’s energy balance：Globalanalysis[J].Journal of Climate，1992，5(10)：1157-1171．

[4]Wang Zhien，Sassen K．Cloud type and macrophysical property retrieval using multiple remote sensors[J].Journal of Applied Meteorology，2001，40(10)：1665-1683．

[5]章文星，呂達仁.地基熱紅外云高觀測與云雷達及激光云高儀的相互對比[J].大氣科學，2012，36(4)：657-672.

[6]高太長，劉磊，趙世軍，等.全天空測云技術現(xiàn)狀及進展[J].應用氣象學報，2012，21(1)：101-109.

[7]黃興友，夏俊榮，卜令兵，等.云底高度的激光云高儀、紅外測云儀以及云雷達觀測比對分析[J].量子電子學報，2013，30(1)：73-78.

[8]胡樹貞，馬舒慶，陶法，等.地基雙波段測云系統(tǒng)及其對比試驗[J].應用氣象學報，2012，23(4)，441-450．

[9]Comstock J M，Ackerman T P.Ground-based lidar and radar remote sensing of tropical cirrus clouds at NauruIsland：Cloud statistics and radiative impacts[J].Journal of Geophysical Research Atmospheres，2002，107(D23)：AAC 16-1-AAC 16-14．

[10]Devara P C S，Raj P E，Dani K K，et a1.Mobile lidar profiling of tropical aerosols and clouds[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2008，25(8)：1288-1295．

[11]吳永華，胡歡陵，胡順星，等.激光雷達探測平流層中上部大氣密度和溫度[J].量子電子學報，2000，17(5)：426-431．

[12]吳永華，胡歡陵，胡順星，等.瑞利-拉曼散射激光雷達探測大氣溫度分布[J].中國激光，2004，31(7)：851-856．

[13]張寅超，胡歡陵，邵石生，等.北京市大氣S02，NO2和O3的激光雷達監(jiān)測實驗[J].量子電子學報，2006，23(3)：346-350．

[14]8200-chs User Guide Installation Handbook Maintenance Handbook Troubleshooting Guide[Z].北京：天諾基業(yè)有限公司，2012.

[15]楊成武，劉文清，張玉鈞.激光云高測量去噪算法研究[J].光散射學報，2012，24(1)：98-103.

[16]李勇增，鄭細華.如何應用衛(wèi)星云圖和雷達回波觀測夜間云[J].廣東氣象， 2008，30(2)：65-66.

[17]劉小容，羅錫浪.如何提高地面氣象測報質量[J].廣東氣象，2008，30(6)：62.

[18]朱補全，梅士龍.能見度自動儀與人工觀測資料對比分析[J].浙江氣象，2010，31(2)：25-28.

收稿日期：2015-10-08

基金項目：廣東省氣象局科研項目(2012C02)

作者簡介：莫偉強(1981年生)，男，碩士研究生，工程師，主要從事氣象服務、氣象探測工作。E-mail：sharkmo@qq.com

中圖分類號：P49

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.01.014

莫偉強， 尹淑嫻.激光雷達與人工對云高觀測結果的比較[J].廣東氣象，2016,38(1)：57-60.