新型地基遙感觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展和省級(jí)業(yè)務(wù)化應(yīng)用思考
——以上海市氣象局為例

彭杰 傅新姝 王曉峰

（上海市生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，上海市氣象局，上海 200030）

0 引言

迄今為止，氣象部門(mén)業(yè)務(wù)化的探測(cè)體系對(duì)于垂直方向大氣熱動(dòng)力狀態(tài)的觀測(cè)仍以每天2～4次的無(wú)線電探空為主要手段，尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度等關(guān)鍵氣象要素廓線信息的精細(xì)化、連續(xù)性的觀測(cè)[1]。這一方面制約著氣象部門(mén)對(duì)于中小尺度天氣過(guò)程垂直方向上演化特征與機(jī)理的理解和掌握，另一方面也難以滿(mǎn)足分辨率已發(fā)展至3 km、甚至1 km的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式在發(fā)展高分辨率條件下物理過(guò)程參數(shù)化方案時(shí)，對(duì)于中小尺度天氣過(guò)程精細(xì)化的觀測(cè)與分析的需求[2]，因而仍難以實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣過(guò)程，特別是對(duì)尺度小、演化快的中小尺度短臨天氣過(guò)程精細(xì)化監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的有力支撐。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)自動(dòng)化的垂直探測(cè)設(shè)備不斷涌現(xiàn)，反演方法和探測(cè)精度不斷完善和提高[2]，為實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵大氣要素廓線實(shí)時(shí)和連續(xù)的業(yè)務(wù)化觀測(cè)提供了可能手段。因此，中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心以溫、濕、風(fēng)、水凝物和氣溶膠廓線“五條廓線”的觀測(cè)與應(yīng)用為核心目標(biāo)之一，開(kāi)展了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“超大城市垂直綜合氣象觀測(cè)技術(shù)研究及試驗(yàn)”（下簡(jiǎn)：大城市觀測(cè)試驗(yàn)）專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)工作，目的在于推動(dòng)新型廓線遙感觀測(cè)儀器，特別是我國(guó)自主研發(fā)觀測(cè)儀器的業(yè)務(wù)化進(jìn)程。

上海作為首批參與大城市觀測(cè)試驗(yàn)的省級(jí)氣象部門(mén)之一，按照試驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)了多個(gè)站點(diǎn)“五條廓線”的同址觀測(cè)綜合布局，迄今為止開(kāi)展了多類(lèi)新型地基遙感儀器近3年的連續(xù)觀測(cè)，為提高省級(jí)氣象部門(mén)和基層業(yè)務(wù)人員對(duì)新型遙感儀器的觀測(cè)原理、觀測(cè)能力、維護(hù)保障要點(diǎn)等方面的認(rèn)識(shí)提供了良機(jī)。因此，本文擬從上海參與大城市觀測(cè)試驗(yàn)期間對(duì)新型地基遙感觀測(cè)的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用實(shí)踐出發(fā)，對(duì)新型遙感觀測(cè)技術(shù)進(jìn)展和省級(jí)氣象部門(mén)開(kāi)展新型遙感觀測(cè)布局站網(wǎng)建設(shè)的思路兩方面認(rèn)識(shí)加以梳理總結(jié)，希望為各省氣象部門(mén)進(jìn)一步發(fā)展地基遙感觀測(cè)體系提供參考。

1 新型地基遙感重點(diǎn)探測(cè)儀器簡(jiǎn)介

近年來(lái)，除了地面氣象站、S/C波段天氣雷達(dá)、衛(wèi)星、探空等常規(guī)觀測(cè)外，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象探測(cè)系統(tǒng)（GNSS/MET）、微波輻射計(jì)、毫米波云雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)等新型地基遙感觀測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

20世紀(jì)80年代，Nordius等[3]首次提出了利用全球定位系統(tǒng)開(kāi)展大氣水汽探測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)了基于衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)穿過(guò)大氣層時(shí)所發(fā)生的偏折和延遲信息對(duì)大氣中水汽所導(dǎo)致的濕延遲的估計(jì)，從而能夠反演出天頂方向大氣可降水量（PWV）、信號(hào)傳播方向上的斜路徑水汽含量（SWV）等。以往研究結(jié)果表明，GNSS/MET水汽資料在認(rèn)識(shí)水汽時(shí)空變化特征、降水過(guò)程預(yù)警、改善模式預(yù)報(bào)質(zhì)量等方面都有重要的應(yīng)用價(jià)值[4-13]。

地基微波輻射計(jì)通過(guò)測(cè)量K波段和V波段的大氣微波輻射能量，基于統(tǒng)計(jì)反演、物理反演等方法，可獲得分鐘級(jí)的大氣溫度、濕度廓線（地面～10 km）和總體水汽含量、液態(tài)水路徑，是現(xiàn)階段獲得大氣溫濕廓線較為成熟的設(shè)備。同時(shí)因地基微波輻射計(jì)具有24 h連續(xù)觀測(cè)、時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，是探空的重要補(bǔ)充。研究表明，微波輻射計(jì)資料質(zhì)量與天氣條件、工作環(huán)境等密切相關(guān)[14-19]，且已有多項(xiàng)工作從反演算法、云信息引入、質(zhì)量控制、后處理等方面開(kāi)展研究，不斷提高微波輻射計(jì)資料的質(zhì)量并擴(kuò)展其適用范圍[14-15,20-21]。與此同時(shí)，許多針對(duì)微波輻射計(jì)在高影響天氣過(guò)程熱力結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及研究、數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果改進(jìn)等方面的應(yīng)用研究也有廣泛開(kāi)展[22-26]。

風(fēng)廓線雷達(dá)通過(guò)發(fā)射無(wú)線電波，接收大氣湍流對(duì)入射信號(hào)的散射回波，可以通過(guò)調(diào)整電磁波發(fā)射方向，通過(guò)3個(gè)以上不共面的電磁波反演獲得三維風(fēng)場(chǎng)信息，包括獲得天頂方向水平風(fēng)向、風(fēng)速廓線、垂直風(fēng)速、大氣折射率結(jié)構(gòu)指數(shù)等。上海地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量評(píng)估結(jié)果顯示，風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速資料與NCEP資料的平均偏差為－0.14 m/s，均方根誤差為2.72 m/s，風(fēng)向偏差為－4.28°，有較高的可用性[27]。風(fēng)廓線雷達(dá)主要應(yīng)用于天氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征監(jiān)測(cè)及預(yù)警、降水相態(tài)和云微物理結(jié)構(gòu)特征分析、數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果改進(jìn)等方面的研究工作[28-33]。

毫米波云雷達(dá)通過(guò)發(fā)射波長(zhǎng)為3 mm（94 GHz，W波段）或8 mm（35 GHz，Ka波段）的脈沖電磁波，接收云滴或冰晶粒子的后向散射回波信號(hào)，實(shí)時(shí)獲取云的位置、回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬等信息。與X波段、S波段等探測(cè)電磁波波長(zhǎng)更長(zhǎng)的雷達(dá)相比，毫米波云雷達(dá)對(duì)云滴、霧滴等小粒子有更強(qiáng)的探測(cè)能力，在非降水云及弱降水云探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。當(dāng)前毫米波云雷達(dá)的應(yīng)用可以分為包括云底、云頂、融化層高度等的云宏觀結(jié)構(gòu)[34]分析和包括云滴譜分布、水凝物識(shí)別、云內(nèi)液態(tài)水含量等的云微觀結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)方面[35-37]。

激光雷達(dá)作為雷達(dá)技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合的主動(dòng)遙感工具，通過(guò)激光器發(fā)射納米級(jí)波長(zhǎng)（532 nm、1064 nm等）的脈沖電磁波，而后采集脈沖電磁波與大氣中各類(lèi)空氣分子、氣溶膠和云等粒子相互作用后的后向散射信息，基于不同的相互作用機(jī)制原理，采用相應(yīng)算法進(jìn)行反演以獲得大氣的相關(guān)廓線信息。常見(jiàn)的激光雷達(dá)有：基于米散射原理，主要用于云和氣溶膠探測(cè)的氣溶膠激光雷達(dá)；基于拉曼轉(zhuǎn)動(dòng)或拉曼振動(dòng)非彈性散射原理，主要用于大氣溫度探測(cè)的拉測(cè)溫激光雷達(dá)；基于多普勒頻移原理，主要用于風(fēng)向、風(fēng)速探測(cè)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)；基于空氣分析吸收特性差異，主要用于大氣氣體分子含量測(cè)量的差分吸收激光雷達(dá)；基于大氣分子瑞利光譜多普勒展寬的不同，主要進(jìn)行大氣溫度測(cè)量的高分辨率光譜測(cè)溫激光雷達(dá)等。

2 新型地基遙感觀測(cè)應(yīng)用進(jìn)展簡(jiǎn)介

2.1 新型地基遙感觀測(cè)在國(guó)內(nèi)外科學(xué)試驗(yàn)中的應(yīng)用概況

上述幾類(lèi)新型遙感觀測(cè)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于各類(lèi)長(zhǎng)期氣候觀測(cè)站、長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)基地和中短期大型科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目。在美國(guó)，能源部的大氣輻射測(cè)量計(jì)劃（ARM）自20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始在南部大平原站等多個(gè)代表性站點(diǎn)開(kāi)展以氣候變化研究為目標(biāo)的多種遙感儀器的綜合應(yīng)用；美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）近期發(fā)展了融合多種遙感儀器，以大氣邊界層和對(duì)流層中下部大氣垂直信息獲取為目標(biāo)的綜合觀測(cè)平臺(tái)－低層對(duì)流觀測(cè)系統(tǒng)（LOTOS）。在歐洲，著名的德國(guó)林登伯格氣候觀象臺(tái)的主要工作之一[38]就是開(kāi)展側(cè)重?cái)?shù)值預(yù)報(bào)模式需求和業(yè)務(wù)化觀測(cè)潛力評(píng)估的新型觀測(cè)設(shè)備的試驗(yàn)及觀測(cè)方法研究；近期德國(guó)氣象界融合了德國(guó)氣象局氣候觀象臺(tái)、德國(guó)環(huán)境局、科隆大學(xué)、波恩大學(xué)以及多個(gè)研究院所開(kāi)展的各項(xiàng)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，形成了以云和降水演化過(guò)程為研究目標(biāo)的多元遙感觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)大氣測(cè)量數(shù)據(jù)集[39]。歐洲也通過(guò)科技合作聯(lián)盟（COST）和歐洲國(guó)家氣象網(wǎng)（EUMETNET）合作的形式，構(gòu)建形成了能夠獲取對(duì)流層中下部溫、濕、風(fēng)、氣溶膠、云等信息在內(nèi)的地基廓線綜合觀測(cè)網(wǎng)。在我國(guó)，各類(lèi)新型遙感觀測(cè)也被廣泛用于“青藏高原氣象科學(xué)試驗(yàn)”“華南五省暴雨野外試驗(yàn)”“南方暴雨野外科學(xué)試驗(yàn)計(jì)劃”“長(zhǎng)江中游梅雨鋒暴雨外場(chǎng)試驗(yàn)”以及此次“超大城市垂直綜合氣象觀測(cè)技術(shù)研究及試驗(yàn)”，獲取了大量寶貴的觀測(cè)數(shù)據(jù)[36]。

2.2 新型地基遙感應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展簡(jiǎn)介

基于上述數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從儀器探測(cè)能力評(píng)估與拓展、多元觀測(cè)融合技術(shù)、天氣過(guò)程分析等方面開(kāi)展了大量研究，推動(dòng)了新型遙感觀測(cè)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

儀器探測(cè)能力評(píng)估與拓展。探測(cè)能力評(píng)估方面，以往研究發(fā)展了多項(xiàng)評(píng)估技術(shù)用于進(jìn)一步提高對(duì)新型遙感探測(cè)能力的認(rèn)識(shí)：包括利用微波輻射計(jì)對(duì)GNSS/MET大氣可降水量的精度評(píng)估[40]；基于探空資料對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)反演風(fēng)速風(fēng)向[27]、微波輻射計(jì)反演溫濕廓線的精度評(píng)估[41]；利用探空資料結(jié)合輻射傳輸模式開(kāi)展正演計(jì)算得到各波段亮溫而后用于評(píng)估微波輻射計(jì)觀測(cè)亮溫[42]；利用探空資料估算云頂、云底高度而后評(píng)估毫米波云雷達(dá)反演云頂、云底高度[43]；利用地面雨滴譜估算出地表降水回波用于評(píng)估毫米波云雷達(dá)探測(cè)回波強(qiáng)度的精度[44]等。

探測(cè)能力拓展方面：以往研究基于新型地基遙感直接探測(cè)的基數(shù)據(jù)和反演產(chǎn)品的基礎(chǔ)上通過(guò)新的反演技術(shù)開(kāi)發(fā)，開(kāi)展了對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的深度發(fā)掘，主要包括基于毫米波云雷達(dá)的融化層識(shí)別技術(shù)[45]、過(guò)冷水識(shí)別技術(shù)[46-47]、液態(tài)水含量反演技術(shù)[48]、云中水物質(zhì)類(lèi)型判別技術(shù)[49]、云分類(lèi)技術(shù)[50]、基于GNSS/MET的三維水汽層析技術(shù)[4]、基于全天空儀的云類(lèi)別人工智能識(shí)別技術(shù)[51]等。

多元觀測(cè)融合技術(shù)。由于探測(cè)原理的局限性，目前各類(lèi)主流新型地基遙感觀測(cè)在使用場(chǎng)景上都存在一定的局限性，而通過(guò)多元觀測(cè)手段的融合應(yīng)用能夠形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和缺陷彌補(bǔ)。目前發(fā)展的多種新型遙感觀測(cè)融合應(yīng)用技術(shù)主要包括：基于微波輻射計(jì)對(duì)整層液態(tài)水含量的約束，提高毫米波云雷達(dá)反演液態(tài)水含量廓線的準(zhǔn)確性[48]；利用毫米波云雷達(dá)降水譜優(yōu)化降水期間風(fēng)廓線雷達(dá)功率譜，通過(guò)降水譜和湍流譜的分離，實(shí)現(xiàn)降水期間風(fēng)速和風(fēng)向更為準(zhǔn)確的反演[33]；結(jié)合激光雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)開(kāi)展過(guò)冷水的識(shí)別[46]；利用風(fēng)廓線雷達(dá)研究毫米波云雷達(dá)衰減特性[52]等。中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心在開(kāi)展本次大城市觀測(cè)試驗(yàn)期間，就梳理整合了目前主流的多類(lèi)新型地基遙感融合應(yīng)用技術(shù)，建立了包括基數(shù)據(jù)質(zhì)控、協(xié)同質(zhì)控、單產(chǎn)品質(zhì)控、綜合質(zhì)控和融合產(chǎn)品的垂直廓線系統(tǒng)綜合質(zhì)控及產(chǎn)品加工觀測(cè)系統(tǒng)，在發(fā)展多元新型地基遙感觀測(cè)業(yè)務(wù)化綜合應(yīng)用體系中邁出了重要一步。

天氣過(guò)程分析技術(shù)。前人也利用各類(lèi)新型地基遙感開(kāi)展了短時(shí)強(qiáng)降水[53]、暴雨[36]、污染[54]等天氣過(guò)程分析以及邊界層高度反演[55]、低空急流識(shí)別[56]和邊界層湍流特征[57]分析等方面的研究。

短時(shí)強(qiáng)降水和暴雨分析方面：GNSS/MET能夠反演高精度的整層大氣可降水量，因此被用于對(duì)于地區(qū)大氣水汽總量日變化研究[10]、入梅診斷與預(yù)測(cè)[11]、以及局地降水前大氣水汽的變化，PWV的陡增急升現(xiàn)象對(duì)降水具有較好的指示意義[58]。微波輻射計(jì)反演的低層液態(tài)水含量對(duì)地面降水具有良好的指示作用[59]；利用微波輻射計(jì)觀測(cè)溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度等資料計(jì)算的各類(lèi)不穩(wěn)定指數(shù)對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣有很好的預(yù)警指示作用[60]，同化至中尺度模式后，對(duì)于降水強(qiáng)度的預(yù)報(bào)也有較為明顯的改進(jìn)[26]；風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)信息能夠較好的揭示暴雨發(fā)生發(fā)展過(guò)程中高低空急流的強(qiáng)度、垂直風(fēng)切變等天氣學(xué)分析特征[36]，同時(shí)也能夠結(jié)合微波輻射計(jì)資料，通過(guò)不同高度渦度、散度、對(duì)流有效位能、動(dòng)力參數(shù)構(gòu)建出對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生的預(yù)警指標(biāo)。毫米波云雷達(dá)對(duì)融化層的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[45]也能夠?yàn)榻邓l(fā)展的微物理過(guò)程以及雷達(dá)觀測(cè)的降水類(lèi)型識(shí)別和降水定量估計(jì)提供重要的參考，同時(shí)也是云中水物質(zhì)分類(lèi)，粒子等效半徑和（液態(tài)或冰態(tài)）水含量反演算法的基礎(chǔ)；利用微波輻射計(jì)反演溫濕廓線和風(fēng)廓線雷達(dá)反演水平風(fēng)廓線構(gòu)造的新型探空對(duì)于強(qiáng)天氣發(fā)生的判別具有良好的短臨預(yù)報(bào)意義[61]。

污染天氣過(guò)程分析方面：激光雷達(dá)/激光云高儀觀測(cè)的大氣后向散射系數(shù)可以用來(lái)反映氣溶膠濃度的垂直分布，因此多用于大氣邊界層高度的反演分析[55]，而近地層的后向散射系數(shù)也可用于反演近地層的PM2.5濃度[62]。風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的大氣折射率結(jié)構(gòu)指數(shù)Cn2因能反映出大氣湍流的強(qiáng)弱，也被用于研究大氣邊界層的湍流結(jié)構(gòu)特征[57]和對(duì)流邊界層高度的判別[63]。

3 省級(jí)業(yè)務(wù)化應(yīng)用站網(wǎng)布局建設(shè)思路

結(jié)合上海自身發(fā)展需求的調(diào)研表明，高影響天氣預(yù)報(bào)預(yù)警能力提升、區(qū)域高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式發(fā)展、氣象服務(wù)能力提升以及衛(wèi)星遙感觀測(cè)能力提升等方面，都對(duì)新型遙感觀測(cè)所能提供的高時(shí)空分辨率大氣要素廓線信息提出了需求。主要有以下幾方面：第一，對(duì)城市背景的災(zāi)害性天氣預(yù)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)依賴(lài)于對(duì)城市及周邊地區(qū)能量、物質(zhì)交換過(guò)程與異常機(jī)理、大氣物理化學(xué)過(guò)程及相互作用等方面的認(rèn)識(shí)。因此，發(fā)展地基遙感觀測(cè)能力，對(duì)地氣能量和物質(zhì)交換過(guò)程、大氣邊界層垂直混合過(guò)程、云雨物理過(guò)程、對(duì)流層－平流層相互作用等多種過(guò)程開(kāi)展精細(xì)化監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)解決關(guān)鍵觀測(cè)要素不全、大氣垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)不足、時(shí)效性不夠的問(wèn)題，滿(mǎn)足對(duì)高影響天氣機(jī)理的研究需求。第二，區(qū)域天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式正處于向3 km乃至1 km高分辨率發(fā)展的關(guān)鍵階段，需要綜合地基遙感觀測(cè)技術(shù)和其他各類(lèi)氣象觀測(cè)手段開(kāi)展針對(duì)性科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)，建立高影響天氣過(guò)程的綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)集，為發(fā)展適用高分辨率條件下次網(wǎng)格物理過(guò)程的參數(shù)化方案提供約束和參考。第三，針對(duì)專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)、災(zāi)害頻發(fā)區(qū)、關(guān)鍵區(qū)等特定地區(qū)，特定時(shí)段（如重大活動(dòng)期間）開(kāi)展精細(xì)化立體監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取邊界層結(jié)構(gòu)、對(duì)流強(qiáng)度、云三維結(jié)構(gòu)、污染物濃度等大氣特征參數(shù)的精細(xì)化監(jiān)測(cè)結(jié)果，提供給城市運(yùn)行、重大活動(dòng)服務(wù)等城市管理部門(mén)、航空、新能源開(kāi)發(fā)利用等行業(yè)用戶(hù)和公眾，提升氣象保障能力。第四，根據(jù)各省份自身下墊面環(huán)境、氣候背景、天氣條件等方面的特征，發(fā)展建立針對(duì)性、系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性的地基遙感觀測(cè)系統(tǒng)用于星地校驗(yàn)，在提高氣象衛(wèi)星觀測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)，強(qiáng)化氣象衛(wèi)星產(chǎn)品在省級(jí)氣象部門(mén)的應(yīng)用和支撐能力。

基于上述需求，上海目前初步建立了以寶山國(guó)家基本氣象站為中心，以世博氣象站、松江國(guó)家氣象站、崇明東灘站為輔的地基遙感布網(wǎng)格局（圖1）。布設(shè)的各類(lèi)設(shè)備包括地基微波輻射計(jì)、毫米波云雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、GNSS/MET、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、全天空云量?jī)x、微型與雷達(dá)、雨滴譜儀、太陽(yáng)光度計(jì)、氣溶膠激光雷達(dá)、激光云高儀等，并于2019—2021年布設(shè)了5部X波段相控陣?yán)走_(dá)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多站點(diǎn)大氣溫、濕、風(fēng)、氣溶膠廓線和區(qū)域云雨三維結(jié)構(gòu)的遙感觀測(cè)。

圖1 上海地基遙感觀測(cè)網(wǎng)（圖中紅色空心五角星標(biāo)示出寶山氣象站位置，藍(lán)色空心五角星標(biāo)示出世博氣象站、松江氣象站和崇明東灘氣象站位置）Fig.1 The layout of ground-based remote sensing network in Shanghai (The red hollow star shows the location of Baoshan Meteorological Station and the blue hollow stars show the locations of World Exposition Meteorological Station,Songjiang Meteorological Station and Chongmingdongtan Meteorological Station)

4 大城市觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)新型地基遙感系統(tǒng)建設(shè)的啟示

1）加強(qiáng)科學(xué)規(guī)劃。大型觀測(cè)試驗(yàn)投入大，探索與嘗試的比重也較大，而省級(jí)業(yè)務(wù)部門(mén)在開(kāi)展觀測(cè)系統(tǒng)和體系的建設(shè)時(shí)，更注重儀器的實(shí)用性和投入產(chǎn)出比。因此，在當(dāng)前各類(lèi)新型地基遙感儀器建設(shè)費(fèi)用仍相對(duì)較高的前提下，需要深刻吸取過(guò)去很多儀器還未發(fā)揮作用就退出業(yè)務(wù)體系的教訓(xùn)，在充分做好前期科學(xué)規(guī)劃、布局論證、模擬試驗(yàn)和建設(shè)必要性、布設(shè)效果評(píng)估研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展建設(shè)。

2）建立專(zhuān)人專(zhuān)管模式。鑒于新型地基遙感儀器原理復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用工作中研究比重仍較高的現(xiàn)狀，應(yīng)考慮以“專(zhuān)人專(zhuān)管，一臺(tái)儀器成就一名科學(xué)家”的思路，在重點(diǎn)、大型新型地基遙感儀器上配備專(zhuān)人組建團(tuán)隊(duì)把握維護(hù)管理、數(shù)據(jù)收集、研究應(yīng)用的全鏈路，通過(guò)長(zhǎng)期培養(yǎng)專(zhuān)家的方式推進(jìn)新型地基遙感系統(tǒng)的建設(shè)。

3）逐步完善配套保障體系建設(shè)。多數(shù)新型地基遙感體系尚未進(jìn)入業(yè)務(wù)觀測(cè)體系，因此其元數(shù)據(jù)采集、管理維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的采集與分發(fā)等配套保障體系存在不同程度的缺失，需要在觀測(cè)體系的建設(shè)中逐步完善，搭建好新型地基遙感觀測(cè)儀器從科學(xué)試驗(yàn)到準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行再到業(yè)務(wù)化應(yīng)用中的關(guān)鍵一環(huán)。

5 討論與展望

綜上所述，各類(lèi)新型地基遙感觀測(cè)展現(xiàn)出了對(duì)天氣過(guò)程精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征的探測(cè)能力，為提升對(duì)天氣過(guò)程精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)提供了有力支撐，具有在未來(lái)中小尺度預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中應(yīng)用的良好潛力，是大氣探測(cè)體系未來(lái)發(fā)展中的重要領(lǐng)域和方向之一。從進(jìn)一步發(fā)展新型遙感觀測(cè)技術(shù)和省級(jí)氣象部門(mén)做好新型遙感觀測(cè)科學(xué)布局的角度出發(fā)，做好以下幾方面工作可進(jìn)一步發(fā)揮新型遙感觀測(cè)對(duì)精細(xì)化監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和服務(wù)的支撐能力。

1）強(qiáng)化儀器標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制技術(shù)。與傳統(tǒng)的地面和探空觀測(cè)業(yè)務(wù)相比，新型地基遙感儀器的觀測(cè)原理和應(yīng)用技術(shù)都更為復(fù)雜，觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制也更難。即使是已經(jīng)業(yè)務(wù)化的風(fēng)廓線雷達(dá)，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量也難以做出直觀的判別，而尚未業(yè)務(wù)化的微波輻射計(jì)和毫米波云雷達(dá)等儀器更是存在廠家型號(hào)眾多、定標(biāo)周期不夠明確、同類(lèi)儀器探測(cè)結(jié)果差異大等問(wèn)題。因此，進(jìn)一步強(qiáng)化儀器的標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展質(zhì)量控制技術(shù)，是開(kāi)展新型遙感業(yè)務(wù)化應(yīng)用的重要前提。

2）研發(fā)多儀器融合應(yīng)用技術(shù)。進(jìn)一步研發(fā)多類(lèi)新型地基遙感的融合應(yīng)用，提升單個(gè)儀器的觀測(cè)能力是未來(lái)大氣廓線觀測(cè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。近期可期的幾方面技術(shù)主要有：研發(fā)風(fēng)廓線雷達(dá)和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)融合技術(shù)，利用激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)改善風(fēng)廓線雷達(dá)低層風(fēng)精度差的問(wèn)題，獲取更為全面的風(fēng)廓線觀測(cè)。研發(fā)毫米波云雷達(dá)/全天空儀和微波輻射計(jì)融合技術(shù)，將毫米波云雷達(dá)和全天空儀提供的云觀測(cè)信息納入微波輻射計(jì)的反演過(guò)程，提高微波輻射計(jì)在云天條件下對(duì)溫濕廓線的反演精度。研發(fā)微波輻射計(jì)、激光測(cè)溫測(cè)濕雷達(dá)等溫濕廓線探測(cè)儀器的深度融合技術(shù)，在拓寬儀器應(yīng)用場(chǎng)景的同時(shí)提升探測(cè)精度。

3）基于需求和充分謀劃的科學(xué)布局。我國(guó)幅員遼闊，各省份氣象部門(mén)所關(guān)心的重點(diǎn)天氣各不相同。因此做好新型遙感觀測(cè)站網(wǎng)布局工作的前提是開(kāi)展充分調(diào)研，基于歷史統(tǒng)計(jì)，明確重點(diǎn)天氣過(guò)程的頻發(fā)區(qū)和預(yù)報(bào)、預(yù)警的核心要素，而后根據(jù)新型遙感的實(shí)際探測(cè)能力，開(kāi)展多儀器的合理配置部署，最后形成科學(xué)的布局設(shè)計(jì)。

4）強(qiáng)化人員培訓(xùn)。鑒于新型遙感的復(fù)雜性，需要進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)探測(cè)和應(yīng)用人員的培訓(xùn)與指導(dǎo)，提高業(yè)務(wù)人員對(duì)各類(lèi)新型地基遙感儀器技術(shù)特點(diǎn)的理解和認(rèn)識(shí)程度，掌握其在不同天氣條件下優(yōu)勢(shì)和局限性，才能夠真正應(yīng)用和發(fā)揮好新型地基遙感的作用。