大氣垂直廓線探測技術(shù)及其衍生產(chǎn)品概述

大氣垂直結(jié)構(gòu)對天氣系統(tǒng)的形成、演變以及氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有決定性作用[1]。準(zhǔn)確獲取大氣垂直廓線信息，對理解大氣物理過程、提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率、評估氣候變化趨勢及制定防災(zāi)減災(zāi)策略至關(guān)重要。通過地基、空基、天基等平臺可實現(xiàn)對大氣溫壓濕風(fēng)、云水含量及氣溶膠分布等參數(shù)垂直分布特征的精確測量?；诖?，對大氣垂直廓線探測關(guān)鍵技術(shù)進行綜述，并淺談其衍生產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)中的具體應(yīng)用及重要意義。

1大氣垂直廓線探測綜述

1.1地基遙感技術(shù)

氣象地基遙感垂直觀測系統(tǒng)是由Ka波段毫米波測云儀、風(fēng)廓線雷達、微波輻射計、GNSS氣象觀測、氣溶膠激光雷達輔以集成控制系統(tǒng)構(gòu)成的大氣垂直觀測系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)利用遙感的觀測方式，獲得一定高度的大氣主要氣象要素，實現(xiàn)大氣動力、熱力、水汽和氣溶膠要素的同址連續(xù)分鐘級觀測。為實現(xiàn)垂直觀測科學(xué)布局，我國引進國際先進的觀測系統(tǒng)模擬試驗（OSSE）和預(yù)報對觀測的敏感性試驗（FSOI），從觀測布局密度、觀測要素、觀測高度3個方面開展研究，最終得出適宜我國垂直觀測的布局設(shè)計結(jié)論[3]。截至2024年，31個省區(qū)市共已建設(shè)290套垂直觀測站，其中風(fēng)廓線雷達216部，微波輻射計114部，毫米波測云儀129部，氣溶膠激光雷達76部，平均間隔 200km ，東部和西南則達到 150km 網(wǎng)間間隔[4]。

1.1.1 Ka波段毫米波測云儀

Ka波段毫米波測云儀主要利用云粒子對毫米波的散射特性，根據(jù)雷達接收的回波功率和多普勒頻移，獲得照射體粒子的反射率因子、徑向速度、速度譜寬和云粒子半徑[5。毫米波云雷達基本產(chǎn)品包括云反射率因子、徑向速度、速度譜寬、信噪比(圖1)，其時間分辨率為 1min ，垂直分辨率達 30m ，探測高度為150～15000m 除此之外，還可獲得導(dǎo)出產(chǎn)品一云底高度、云頂高度和云層厚度。通過毫米波云雷達的觀測，不僅可得到云的宏觀結(jié)構(gòu)，還能觀察到微觀物理特征參數(shù)，在垂直方向上可精細(xì)獲取云系的發(fā)展演變過程。且相較于其他體制的云觀測，毫米波云雷達觀測具有探測精度高、天氣適應(yīng)性強、探測要素多、成本低、壽命長、體積小等優(yōu)點。

1.1.2 風(fēng)廓線雷達

風(fēng)廓線雷達以晴空大氣湍流對人射電磁波的散射回波作為探測基礎(chǔ)，采用多普勒雷達探測收發(fā)技術(shù)求解得到大氣三維風(fēng)場。風(fēng)廓線雷達基本產(chǎn)品包括水平風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2 、信噪比、譜寬(圖2)，其時間分辨率為 6min ，垂直分辨率 120m (低模式)和 240m (高模式)，探測高度為150～6000m 風(fēng)廓線雷達利用多普勒效應(yīng)，可以對測站上空的風(fēng)場信息進行高時空分辨率的連續(xù)探測，實時地提供大氣水平風(fēng)場、垂直氣流等氣象要素隨高度分布變化的信息，極大地彌補了傳統(tǒng)測量方式在高空風(fēng)觀測時空密度不夠的缺陷[6-7]。

1.1.3 微波輻射計

地基微波輻射計作為無線電探空探測的一種有效補充，采用被動遙感方式，利用大氣中不同成分和狀態(tài)對微波輻射的不同吸收和發(fā)射特性，被動接收站點上空大氣微波輻射信號，反演出 0.05～10.00km 的溫度、相對濕度、水汽密度、液態(tài)水含量等參量，實時輸出對流層范圍內(nèi)的大氣溫濕廓線、大氣柱積分水汽含量等數(shù)據(jù)產(chǎn)品[8。微波輻射計基本產(chǎn)品包括K、V通道亮溫(圖3)，其時間分辨率為 2min ，垂直分辨率隨高度變化， 0～500m 分辨率 ?50m，2000～10000m 分辨率 ?250m ，探測高度為 0～10km 除此之外，還可獲得導(dǎo)出產(chǎn)品：溫度、相對濕度、水汽密度廓線、積分水汽總量、積分液水含量。由于微波能夠穿透云層，因此微波輻射儀在云層覆蓋的情況下也能進行觀測。不受天氣條件限制的優(yōu)勢，使得微波輻射儀能夠全天候連續(xù)觀測，對提高天氣預(yù)報準(zhǔn)確率，特別是降水預(yù)報準(zhǔn)確率具有關(guān)鍵作用。

1.1.4 GNSS氣象觀測

GNSS氣象觀測即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測，其探測水汽的原理是導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的載波信號在穿過大氣層時受到大氣的折射而延遲，大氣延遲又可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項延遲，通過對電離層延遲和靜力延遲的毫米數(shù)量級訂正，得到毫米數(shù)量級的濕項延遲，濕項延遲與大氣可降水量建立嚴(yán)格的正比關(guān)系，從而實現(xiàn)大氣可降水量探測。

GNSS氣象觀測基本產(chǎn)品包括大氣可降水量產(chǎn)品和天頂延遲產(chǎn)品(圖4)，張克非等提出地基GNSS技術(shù)不僅可以提供天頂對流層延遲和大氣可降水量等二維水汽產(chǎn)品，還可以提供斜路徑對流層延遲、斜路徑水汽含量、水平梯度和三維水汽密度等三維廓線信息[9]。地基GNSS技術(shù)直射信號應(yīng)用于測量大氣可降水量、電離層電子濃度等，反射信號應(yīng)用于探測積雪深度、土壤濕度、植被含水量等，具有全天候、高精度、低成本、易維護和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1.1.5 氣溶膠激光雷達

激光雷達作為一種主動探測儀器，通過發(fā)射激光束并檢測其與大氣中氣溶膠粒子相互作用后的散射光，來測量氣溶膠的濃度、尺寸分布以及垂直分布特征。氣溶膠激光雷達基本產(chǎn)品包括消光系數(shù)和后向散射系數(shù)、光學(xué)厚度、退偏振比(圖5，其時間分辨率為1～30min ，平均有效探測高度 ?10km 氣溶膠激光雷達具有可長期進行全天時監(jiān)測的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣溫度、氣溶膠顆粒物、大氣分子等的探測，對邊界層污染擴散、云物理過程研究及大氣成分分析具有重要意義。

1.2北斗探空技術(shù)

探空氣球作為傳統(tǒng)的大氣垂直探測手段，搭載溫壓濕風(fēng)等傳感器，通過無線電遙測方式將觀測數(shù)據(jù)傳回地面站，獲取從地面到 30km 高度的大氣廓線。與飛機、雷達等其他高空氣象探測手段相比，探空氣球攜帶的探空儀能直接“接觸”大氣信息，其獲得的數(shù)據(jù)通常被認(rèn)為最準(zhǔn)確，也因此被當(dāng)作其他高空氣象探測系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。中國氣象局從2016年開始牽頭組織開展新型北斗智能探空系統(tǒng)的研制，創(chuàng)新性提出了內(nèi)外2個探空氣球嵌套的模式[10-1]。雙球可實現(xiàn)一次放球獲取“上升一平漂一下降”三段式探空觀測數(shù)據(jù)。平漂零壓氣球、多通道雙向通信接收設(shè)備等重點難點技術(shù)的攻克，成功解決了平流層測溫和下降段測風(fēng)、平漂軌跡預(yù)測和觀測資料質(zhì)量控制等業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題，2024年已開啟北斗與L波段探空平行對比觀測，預(yù)計2025年北斗探空將正式進入業(yè)務(wù)運行。

2大氣垂直廓線探測的具體應(yīng)用與意義

2.1天氣預(yù)報與氣象服務(wù)

大氣垂直廓線數(shù)據(jù)對捕捉大氣不穩(wěn)定性和觸發(fā)機制以及追蹤對流云發(fā)展、預(yù)測降水強度等至關(guān)重要，準(zhǔn)確的大氣垂直廓線數(shù)據(jù)有助于提高數(shù)值天氣預(yù)報模型（NumericalWeatherPrediction，NWP）初始場的準(zhǔn)確性，從而改善天氣預(yù)報的精度和時效性；其全天候連續(xù)性觀測的特點有助于短臨預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警。近年，新型垂直觀測產(chǎn)品已經(jīng)在冬奧會和亞運會等重大活動中提供氣象服務(wù)保障；在黃淮霧霾、北京冰雹、臺風(fēng)暴雨、地震泥石流等災(zāi)害性天氣中有效提升了災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警和服務(wù)能力，大大降低了氣象災(zāi)害帶來的損失。

2.2 氣候變化研究

高時空分辨率的大氣垂直探測是獲取長期連續(xù)大氣垂直氣象要素的重要步驟，對理解氣候變化機制、分析大氣中溫室氣體的垂直分布變化、云系結(jié)構(gòu)的變化及其對輻射平衡的影響等有著重要意義，是評估氣候變化趨勢及制定應(yīng)對策略的關(guān)鍵支撐。

2.3空氣質(zhì)量監(jiān)測與污染防控

大氣垂直廓線探測技術(shù)對監(jiān)測大氣污染物(如PM_2.5. 臭氧等)的垂直分布、傳輸路徑及沉降過程具有重要作用。結(jié)合氣溶膠激光觀測儀、風(fēng)廓線小時風(fēng)羽圖和地面站監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建三維空氣質(zhì)量模型，為精準(zhǔn)施策、減少污染排放提供科學(xué)依據(jù)，幫助政府和環(huán)保機構(gòu)更好地實施空氣質(zhì)量管理計劃。

3大氣垂直廓線探測面臨的挑戰(zhàn)與未來發(fā)展方向

盡管大氣垂直廓線探測技術(shù)研發(fā)取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，隨著氣候變化和城市化進程的加速，大氣環(huán)境變得更加復(fù)雜多變，對探測技術(shù)的精度、時空分辨率和覆蓋范圍提出了更高的要求；另一方面，數(shù)據(jù)同化技術(shù)、算法優(yōu)化及計算能力的提升仍需持續(xù)加強，以提升觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，更好地整合多源觀測數(shù)據(jù)，提高數(shù)值天氣預(yù)報模型的準(zhǔn)確性和時效性。

未來，大氣垂直廓線探測技術(shù)的發(fā)展方向?qū)ǎ旱谝?，技術(shù)創(chuàng)新與集成，繼續(xù)推進激光雷達、微波輻射計、無人機及衛(wèi)星遙感等技術(shù)的創(chuàng)新，探索新技術(shù)(如量子雷達、太赫茲雷達)在氣象觀測中的應(yīng)用潛力，同時加強多源觀測數(shù)據(jù)的集成與融合；第二，智能化與自動化，利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理和分析的智能化水平，實現(xiàn)觀測設(shè)備的自動化運維和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，降低運維成本，提高觀測效率。

4結(jié)束語

大氣垂直廓線探測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對提升氣象預(yù)報準(zhǔn)確率、提高災(zāi)害性天氣預(yù)警能力、深化氣候變化與災(zāi)害研究、加強空氣質(zhì)量監(jiān)測具有重要意義。簡要概述了大氣垂直廓線探測技術(shù)及其衍生產(chǎn)品應(yīng)用，但未能涵蓋所有細(xì)節(jié)和技術(shù)進展。隨著科技的不斷發(fā)展，相信未來會有更多創(chuàng)新技術(shù)和方法應(yīng)用于大氣垂直廓線探測領(lǐng)域，為氣象科學(xué)和氣象服務(wù)的發(fā)展注入新的活力。

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