ASC200型地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀云量比對分析

溫強(qiáng) 陶法,2 劉達(dá)新 胡樹貞 王依人

(1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；3 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088)

引言

云是一種可見的聚合物，停留于大氣中，由水滴、冰晶或兩者混合而成，通常覆蓋地球表面的50%，是地球大氣中水分和能量循環(huán)的主要因素，也是大氣系統(tǒng)中輻射收支平衡的重要調(diào)節(jié)者，云的年季節(jié)變化對研究全球氣候的變化和水汽收支平衡有著重要作用[1-3]。

隨著氣象觀測技術(shù)的發(fā)展，大量的新技術(shù)和新方法被采用，國內(nèi)外對云的自動(dòng)化觀測進(jìn)行了大量研究，研發(fā)了越來越多的新裝備。目前，地基云自動(dòng)化觀測裝備主要包括主動(dòng)式觀測裝備和被動(dòng)式觀測裝備。其中主動(dòng)式觀測裝備主要包括毫米波云雷達(dá)和激光云高儀等，主要用于云高的自動(dòng)化觀測[4-6]。被動(dòng)式觀測設(shè)備主要包括可見光成像儀和紅外成像儀等，主要用于云量的自動(dòng)化觀測[7-10]，利用可見光及紅外成像并通過圖像處理技術(shù)識別云，以實(shí)現(xiàn)云量的自動(dòng)化觀測[11]。上述設(shè)備具有不同的觀測原理和觀測方式，導(dǎo)致各自的觀測能力均具有一定的不足。如激光云高儀測量精度較高，但只能獲得單點(diǎn)積分云量；可見光成像儀僅能獲得白天云量，不能在夜間工作，且白天在霧霾等低能見度天氣條件下觀測誤差較大；紅外測云儀雖能進(jìn)行晝夜連續(xù)觀測，但觀測誤差較大，且對卷云的觀測能力較弱。

地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀，利用紅外和可見光雙波段聯(lián)合觀測，能夠同時(shí)進(jìn)行可見光云量和紅外云量的觀測，能夠進(jìn)行晝夜連續(xù)觀測，并且能夠彌補(bǔ)單一波段觀測方式的不足。儀器主要包含可見光成像模塊和紅外成像模塊?？梢姽獬上衲K核心是可見光成像單元，主要通過對相機(jī)加裝魚眼廣角鏡頭進(jìn)行全天空的拍攝，或直接利用廣角相機(jī)對整個(gè)天空進(jìn)行多方位及多仰角掃描，通過將掃描拍攝得到的可見光圖片進(jìn)行球面投影從而獲得全天空云圖[12]。紅外成像模塊核心是紅外探測單元，主要采用光學(xué)紅外傳感元器件，通過對整個(gè)天空進(jìn)行掃描而獲得其紅外輻射強(qiáng)度分布，通過計(jì)算得到云的輻亮度溫度，從而獲得整個(gè)天空的云高云量等信息[13]。國內(nèi)有江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司與中國科學(xué)院大氣物理研究所合作研發(fā)的WUSH-SR型雙波段云量觀測儀，將可見光成像模塊和紅外成像模塊聯(lián)合組成了雙波段云量觀測儀，并基于物理統(tǒng)計(jì)的方法編寫了雙波段云量綜合識別算法，提高了云量識別的準(zhǔn)確性。國外有美國Solmirus公司研制的全天空紅外可見光分析儀ASIVA，包含可見光成像模塊、紅外成像模塊及輻射保護(hù)模塊，該設(shè)備能夠獲取可見光通道的全天空圖像以及中紅外大氣窗區(qū)輻射校準(zhǔn)圖像，進(jìn)而獲得全天空的云量、云高及云溫度信息[14]。

地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀是可用于裝備地面氣象觀測網(wǎng)，承擔(dān)云量自動(dòng)化觀測任務(wù)的自動(dòng)化氣象觀測設(shè)備；可將觀測員從人工觀測解放出來，提升我國地面氣象觀測的自動(dòng)化水平，獲取連續(xù)的云量觀測資料，不僅能用于各種天氣預(yù)警服務(wù)，也能用于全球與區(qū)域云特征以及云與氣溶膠關(guān)系的研究。

安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研發(fā)了ASC200型地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀，為了能夠使該設(shè)備在云量自動(dòng)化觀測業(yè)務(wù)中得到更好地推廣及應(yīng)用，故對其進(jìn)行測試評估。本文利用該儀器90天連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合人工觀測云量及同類型器測云量，對該設(shè)備進(jìn)行評估和對比分析，探究其云量觀測能力，為云量自動(dòng)化觀測提供參考依據(jù)，也為云觀測自動(dòng)化業(yè)務(wù)提供了更多參選設(shè)備。

1 設(shè)備和算法

1.1 雙波段云量自動(dòng)觀測儀

ASC200型地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀(以下簡稱ASC200)主要包括可見光成像模塊、紅外成像模塊、內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)控制單元以及數(shù)據(jù)分析模塊等部分組成(圖1)，設(shè)備主要參數(shù)詳見表1。

表1 ASC200型云量自動(dòng)觀測儀主要參數(shù)

圖1 ASC200型全天空云量自動(dòng)觀測儀

可見光測云模塊采用CCD相機(jī)加裝魚眼廣角鏡頭，對全天空進(jìn)行拍攝，獲取可見光波段的全天空圖像。云量判定的核心方法為云圖的象元分割，根據(jù)云與天空顏色信息的不同，利用SegCloud神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[15-16]對云圖進(jìn)行分割及云量判定。紅外測云模塊采用紅外相機(jī)對全天空進(jìn)行拍照，獲取紅外波段(8～14 μm)的全天空圖像。利用紅外實(shí)時(shí)閾值分割算法[17-19]對紅外云圖進(jìn)行云量判定。

1.2 雙波段云量算法

無論可見光成像模塊還是紅外成像模塊，對云量的判別都不可能絕對準(zhǔn)確，它還受制于實(shí)際云的自身特性和云下大氣狀況。

白天，在能見度大于5 km時(shí)，基于統(tǒng)計(jì)方法，以可見光云量、紅外云量為自變量，實(shí)際人工觀測云量為因變量建立二元回歸分析，得到雙波段云量的最優(yōu)綜合算法。在能見度為2～5 km時(shí)，近地層氣溶膠會(huì)對可見光波段和紅外波段的云量觀測有影響，但這種影響在紅外波段隨天頂角變化呈現(xiàn)一定的系統(tǒng)變化規(guī)律，因此可得到合理可靠的訂正方法，從而解決低能見度下的云量觀測。如果能見度低于2 km，可見光和紅外波段對云的識別能力都存在局限性。夜晚，由于可見光云圖的獲取需要一定的光照條件，而在夜間只有月亮和星星的條件下，成像質(zhì)量較差，影響使用效果。然而，紅外云圖的獲取與光照無關(guān)，僅僅依賴于云的熱輻射，因此夜晚采用紅外云量。

根據(jù)時(shí)間與能見度的變化，建立以可見光云量與紅外云量為自變量的回歸模型：

y(t,v)=a0(v)+a1(v)IR(t)+a2(v)VIS(t)

(1)

其中，IR表示紅外云量，VIS表示可見光云量，y表示綜合云量，其回歸系數(shù)a0，a1，a2隨著能見度不同而變化。

由于可見光與紅外不同的輻射特性，夜晚時(shí)段或白天且能見度為2～5 km條件下，選擇以紅外云量為準(zhǔn)。其余天氣條件下，隨著能見度變化，對以紅外與可見光云量的差值作為統(tǒng)計(jì)條件的回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，建立一個(gè)隨紅外云量、可見光云量兩者對比結(jié)果而變化的雙波段綜合云量學(xué)習(xí)庫，從而獲得較為全面的全天雙波段云量計(jì)算模型。云量算法技術(shù)路線詳見圖2。

創(chuàng)新考核導(dǎo)向機(jī)制，解決“給足力”的問題。為避免“人在心不在，手到力不到”的問題，盡可能集聚起最強(qiáng)大的攻堅(jiān)力量，強(qiáng)化了脫貧的考核權(quán)重，把促進(jìn)貧困村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)村貧困人口減少、農(nóng)村居民人均可支配收入等作為重要考核內(nèi)容，將鄉(xiāng)鎮(zhèn)和市直部門單位脫貧攻堅(jiān)考核權(quán)重均提高至60%，并設(shè)立脫貧攻堅(jiān)先進(jìn)工作獎(jiǎng)，把力量全部引導(dǎo)到脫貧攻堅(jiān)上來，引導(dǎo)到真脫貧上來。

圖2 雙波段云量算法技術(shù)路線

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2019年2月5日至5月5日，分別在中國氣象局長沙國家綜合氣象觀測試驗(yàn)基地(以下簡稱長沙站)和上海寶山國家基本氣象站(以下簡稱寶山站)組織開展云量自動(dòng)觀測儀動(dòng)態(tài)比對試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間總計(jì)90 d。試驗(yàn)期間，設(shè)備晝夜連續(xù)觀測未出現(xiàn)故障，云量采集周期為10 min一次；白天設(shè)備采集可見光云圖及紅外云圖，并輸出可見光云量值及紅外云量值，通過對可見光云量和紅外云量進(jìn)行綜合判斷輸出最終綜合云量；晚上由于可見光模塊無法工作故僅采集紅外云圖，輸出紅外云量值作為最終云量值。樣本采集實(shí)例如圖3所示。

圖3 2019年2月5日15:10 ASC200云圖樣本采集實(shí)例:(a)紅外原圖,(b)紅外紅藍(lán)云圖,(c)可見光原圖,(d)可見光紅藍(lán)云圖(紅藍(lán)云圖中，紅色表示有云區(qū)域，藍(lán)色表示天空區(qū)域；紅外云量識別結(jié)果為57%，可見光云量識別結(jié)果為82%，綜合云量最終識別結(jié)果為69%)

2.2 方法

分別選取人工云量和同類型器測云量作為參考標(biāo)準(zhǔn)開展數(shù)據(jù)比對分析。

人工云量樣本由臺(tái)站具有多年觀測經(jīng)驗(yàn)的觀測員通過人工觀測獲得，觀測時(shí)次分別為08:00、14:00和20:00。試驗(yàn)期間，選取ASC200白天(08:00及14:00)樣本進(jìn)行比對分析，包括綜合云量、可見光云量及紅外云量樣本各180個(gè)，兩站點(diǎn)云量樣本共計(jì)1080個(gè)。

由于人工云量觀測通常具有一定的主觀性，對于同一時(shí)刻的云量值，不同人員的觀測結(jié)果往往會(huì)有一定的差異性，因此人工觀測云量值不能成為考量器測云量準(zhǔn)確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)值。這里我們選取長沙站W(wǎng)USH-SR地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀作為器測云量參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，選取該設(shè)備輸出云量作為器測云量參考標(biāo)準(zhǔn)，與長沙站ASC200對應(yīng)時(shí)刻輸出云量進(jìn)行比對。本文中用到的云量的單位均為%。

3 結(jié)果及討論

3.1 ASC200與人工云量參考標(biāo)準(zhǔn)比對

長沙站及寶山站綜合云量與人工云量差值在±20%以內(nèi)的樣本分別占樣本總量的92.2%及79.4%(表2)。兩站點(diǎn)可見光云量與人工云量差值均值分別為1.4%和12.8%，紅外云量與人工云量差值均值分別為-5.4%和-9.0%，綜合云量與人工云量差值均值分別為0.7%和10.0%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示ASC200綜合云量與人工云量一致性較好。兩站點(diǎn)器測云量與人工云量差值具體分布情況如圖4及圖5所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：與人工云量相比，可見光云量整體偏高，紅外云量整體偏低，綜合云量一致性較好。另寶山站實(shí)驗(yàn)期間非滿云樣本數(shù)量偏多，導(dǎo)致器測與人工云量誤差偏高。

表2 ASC200與人工云量差值在±20%內(nèi)的樣本數(shù)及占比

圖4 長沙站ASC200與人工云量差值分布

圖5 寶山站ASC200與人工云量差值分布

3.2 ASC200與器測云量參考標(biāo)準(zhǔn)比對

長沙站ASC200綜合云量與WUSH-SR云量差值在±10%以內(nèi)樣本數(shù)量為154個(gè)，占樣本總量的86%，差值在±20%以內(nèi)樣本數(shù)量為162個(gè)，占樣本總量的90.5%。ASC200綜合云量、可見光云量、紅外云量與WUSH-SR云量差值均值分別為3.2%、3.9%和-3.0%。由圖6可知長沙站ASC200綜合云量與WUSH-SR云量比對結(jié)果一致性良好。分別選取了有人工云量時(shí)次的高、中、低云量云圖樣本各一例，云圖樣本及云量值如圖7所示，ASC200云圖樣本實(shí)例顯示了與WUSH-SR識別結(jié)果較為一致。2019年4月5日14:00，ASC200綜合云量、WUSH-SR云量和人工云量依次為16%、11%和10%；2019年4月30日8:00，ASC200綜合云量、WUSH-SR云量和人工云量依次為61%、55%和50%；2019年4月19日14:00，ASC200綜合云量、WUSH-SR云量和人工云量依次為82%、85%和90%。

圖6 長沙站ASC200與WUSH-SR云量(a)、云量差(b)比對

圖7 長沙站ASC200與WUSH-SR云圖比對實(shí)例

3.3 ASC200云量觀測能力綜合分析

3.3.1 霧霾情況下云量觀測能力分析

寶山站不同天氣現(xiàn)象下云量樣本統(tǒng)計(jì)如表3及圖8所示。結(jié)果顯示，在輕霧或霾天氣條件下，若天空云量為滿云或云量較多時(shí)，器測云量結(jié)果受天氣現(xiàn)象影響較小，若天空云量較少或無云，則可見光云量觀測結(jié)果受天氣現(xiàn)象影響較大，出現(xiàn)誤判將輕霧/霾識別為云，導(dǎo)致云量偏高，而紅外云量觀測結(jié)果受霧霾影響較小。

表3 寶山站人工云量樣本天氣現(xiàn)象類型統(tǒng)計(jì)表

圖8 寶山站不同天氣現(xiàn)象下人工觀測(a)及ASC200綜合(b)、可見光(c)、紅外(d)云量與人工觀測云量差(圖中橙色區(qū)域?yàn)檩p霧及雨，藍(lán)色區(qū)域?yàn)檩p霧，紫色區(qū)域?yàn)轹?，綠色區(qū)域?yàn)橛?；紅框標(biāo)注了人工觀測低云量或無云但器測受霧霾影響而出現(xiàn)誤判較嚴(yán)重的10個(gè)樣本，其中5個(gè)樣本誤判為滿云)

圖9 寶山站ASC200輕霧天氣條件云圖樣本實(shí)例

圖10 寶山站ASC200霾天氣條件云圖樣本實(shí)例

3.3.2 對卷云的觀測能力分析

對于可見光測云系統(tǒng)，由于卷云云層稀薄，具有明顯的透光現(xiàn)象，使得全天空可見光云圖所顯示的云點(diǎn)與天空非云點(diǎn)界限不明顯，結(jié)果可能造成云量識別偏低。紅外測云系統(tǒng)對卷云的觀測能力更為有限，由于卷云云層稀疏且高度通常較高，不能將其視為黑體，使得紅外測得云點(diǎn)輻亮度溫度與周圍大氣背景環(huán)境輻亮度溫度相近，云量識別結(jié)果比人工云量偏少或無法識別[12]。

由圖11可知,2019年5月5日14:10，紅外和可見光云量為0和84%；2019年5月5日14:20，紅外和可見光云量為0和80%；2019年5月5日14:30，紅外和可見光云量為0和72%；3個(gè)觀測時(shí)次的紅外云量對卷云的識別均出現(xiàn)誤判。由圖12可知，紅外云量觀測系統(tǒng)對于卷云的觀測能力較弱，在可見光云量觀測系統(tǒng)識別為滿云的情況下，紅外云量觀測系統(tǒng)云量識別率偏低，而在可見光云量觀測系統(tǒng)識別云量不為滿云的情況下，紅外云量觀測系統(tǒng)對卷云幾乎無法識別。紅外測云系統(tǒng)對卷云云量的識別與實(shí)際云量差異較大，而可見光測云系統(tǒng)對卷云云量的識別接近人工觀測云量，顯示其對卷云的觀測能力有所提高。

圖11 2019年5月5日寶山站ASC200卷云云圖樣本實(shí)例

圖12 寶山站2019年3—4月ASC200部分卷云樣本可見光云量與紅外云量比對

3.3.3 常規(guī)觀測條件下云量觀測能力分析

在能見度良好且云量較高的條件下，可見光云量觀測系統(tǒng)的云量識別結(jié)果偏高(或識別為滿云)；而紅外云量觀測系統(tǒng)對云邊界的識別能力較弱，識別結(jié)果偏低；通過雙波段綜合云量觀測系統(tǒng)獲得的綜合云量結(jié)果與人工云量參考標(biāo)準(zhǔn)值更為一致，如圖13和圖14所示，顯示雙波段云量觀測系統(tǒng)觀測能力優(yōu)于單一波段云量觀測系統(tǒng)。2019年4月8日14:50，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為86%、72%、100%和85%；2019年4月8日15:00，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為86%、73%、100%和90%；2019年4月8日15:10，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為86%、73%、100%和85%。2019年2月25日09:40，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為68%、58%、79%和70%；2019年2月25日09:50，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為77%、65%、89%和80%；2019年2月25日10:00，綜合、紅外和可見光和人工云量依次為70%、62%、79%和75%。

圖13 長沙站2019年4月8日ASC200部分云圖樣本實(shí)例

3.4 存在問題

在晴空或低云量情況下，對于部分可見光云圖，ASC200將太陽周圍天空區(qū)域(圖15a～d)以及云圖邊緣區(qū)域(圖15e～h)誤識別為云，導(dǎo)致云量識別結(jié)果偏高。此外，鏡頭前方的防塵罩也會(huì)導(dǎo)致可見光和紅外圖像的云識別差異[19]。

圖15 長沙站2019年4月5日ASC200可見光云圖部分錯(cuò)誤識別樣本

而對于云量比對分析，人工觀測及標(biāo)準(zhǔn)器存在個(gè)別誤判，但并未對云量整體的比對分析造成較大的影響；另由于比對參考標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度有限，未能夠?qū)σ归g云量進(jìn)行有效分析。

4 結(jié)論

本文通過對比2019年2—5月ASC200型地基雙波段全天空云量自動(dòng)觀測儀的試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出如下結(jié)論。

(1)ASC200長沙站和寶山站綜合云量樣本與人工云量參考標(biāo)準(zhǔn)差值在±20%以內(nèi)的分別占樣本總量的92.2%和79.4%，長沙站綜合云量樣本與器測云量參考標(biāo)準(zhǔn)差值在±20%以內(nèi)的占樣本總量的90.5%，差值在±10%以內(nèi)的占樣本總量的86%。ASC200綜合云量樣本與人工及器測云量參考標(biāo)準(zhǔn)一致性良好。

(2)驗(yàn)證了可見光云量觀測系統(tǒng)在霧霾等天氣條件下觀測能力較弱，紅外云量觀測系統(tǒng)對卷云的觀測能力較弱。

(3)在能見度良好的觀測條件下，與人工云量參考標(biāo)準(zhǔn)相比，可見光云量觀測系統(tǒng)的云量觀測結(jié)果偏高，紅外云量觀測系統(tǒng)的云量觀測結(jié)果偏低；而通過雙波段綜合云量觀測系統(tǒng)獲得的云量結(jié)果與人工云量參考標(biāo)準(zhǔn)更為一致，顯示雙波段云量觀測系統(tǒng)觀測能力優(yōu)于單一波段云量觀測系統(tǒng)。

致謝:豐富而連續(xù)的全天空圖像資料及數(shù)據(jù)來之不易，衷心感謝長沙國家綜合氣象觀測試驗(yàn)基地、寶山國家基本氣象站以及安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所相關(guān)工作人員在全天空云像儀從儀器運(yùn)輸、架設(shè)、日常觀測到資料整理的大力支持與幫助。