發(fā)展中的地基大氣廓線探測

馬舒慶高玉春張雪芬曹云昌張祥坤王振會(huì)吳蕾

（1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

發(fā)展中的地基大氣廓線探測

馬舒慶1高玉春1張雪芬1曹云昌1張祥坤2王振會(huì)3吳蕾1

（1 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；2 中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京 100190；3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

最初的大氣廓線探測—無線電探空的出現(xiàn)和組網(wǎng)觀測推動(dòng)了氣象學(xué)的發(fā)展。地基遙感大氣廓線探測的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)強(qiáng)天氣過程的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)能力。地基遙感大氣廓線探測的主體技術(shù)已經(jīng)成熟，但其復(fù)雜性和應(yīng)用難度，遠(yuǎn)高于無線電探空，在應(yīng)用環(huán)節(jié)、設(shè)備研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)和多種技術(shù)的綜合集成方面都面對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)。多種大氣廓線探測技術(shù)綜合集成已成為大氣廓線探測發(fā)展的重要特征和趨勢。綜合集成一方面能夠提供更多要素，以滿足應(yīng)用需求；另一方面將改進(jìn)、完善大氣廓線探測能力，提高探測精度。

大氣廓線，地基遙感，風(fēng)廓線雷達(dá)，微波輻射計(jì)

0　引言

氣象探測種類繁多：按傳感器工作方式可以分為直接探測和遙感探測；按信號(hào)源產(chǎn)生方式可以分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感；按傳感器的位置可以分為地基、空基、天基；按儀器的技術(shù)劃分則種類更多。從描述大氣運(yùn)動(dòng)變化的角度，還可以把氣象探測歸結(jié)為氣象要素探測和天氣現(xiàn)象探測。地面到高空的氣象要素探測就是大氣廓線探測。大氣廓線探測是對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)、變化的基本量進(jìn)行探測，反映大氣的本質(zhì)和規(guī)律。數(shù)值預(yù)報(bào)模式的初始場、預(yù)報(bào)場都可以表示為不同氣象要素的空間分布，即可以表示為空間3維坐標(biāo)X、Y、Z的函數(shù)，或者說數(shù)值預(yù)報(bào)模式的初始場、預(yù)報(bào)場就是由不同空間分辨率的大氣廓線構(gòu)成。初始場的準(zhǔn)確性、代表性和可比性取決于同化技術(shù)與大氣廓線探測的準(zhǔn)確性、代表性和可比性，而初始場的準(zhǔn)確性、代表性和可比性直接影響預(yù)報(bào)場的準(zhǔn)確性。1927年，無線電探空儀的發(fā)明翻開了對(duì)大氣廓線（溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向）探測的新篇章，這種探測技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)筑了國家、洲際和全球無線電探空網(wǎng)，由此氣象學(xué)家更深刻地認(rèn)識(shí)了大氣的垂直分層結(jié)構(gòu)、冷暖氣團(tuán)、急流和大氣環(huán)流等，并進(jìn)一步建立了鋒面學(xué)說等重要的氣象學(xué)理論[1-3]。無線電探空儀對(duì)大氣廓線的探測，是大氣科學(xué)發(fā)展史上的里程碑。

無線電探空網(wǎng)受成本和地理?xiàng)l件等因素影響，國內(nèi)外氣象業(yè)務(wù)上每天實(shí)施不超過4次，間隔最少6h。用衛(wèi)星所攜帶的紅外分光計(jì)和微波輻射計(jì)進(jìn)行遙感，可以反演大氣垂直廓線參數(shù)，但垂直分辨率和精度都受到一定限制[4]，采用雙星組網(wǎng)對(duì)同一地點(diǎn)的觀測時(shí)間分辨率最高只能達(dá)到6h間隔，均不能滿足中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)和研究的需要。目前災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率平均不到30%[5]，如北京“7·21”特大暴雨事件中，發(fā)生暴雨的天氣形勢預(yù)報(bào)較準(zhǔn)確，但其強(qiáng)度、降水程度、落點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵性信息未能準(zhǔn)確預(yù)測，預(yù)報(bào)精細(xì)化程度不高。這種狀況在本質(zhì)上源于對(duì)中小尺度天氣發(fā)生發(fā)展的規(guī)律和機(jī)理掌握得不夠[6]，而首先是對(duì)大氣廓線探測能力不足。要想對(duì)中小尺度災(zāi)害性天氣進(jìn)行全面研究，充分探究其內(nèi)部動(dòng)力和熱力過程的演變，離不開準(zhǔn)確連續(xù)的大氣廓線探測[7-8]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者一直在研究地基大氣廓線遙感探測手段，以期獲取連續(xù)的大氣廓線資料，比較成熟的主要包括用微波輻射計(jì)探測大氣溫濕廓線[9-22]、用風(fēng)廓線雷達(dá)探測風(fēng)廓線[23-28]等方式。

1　主要地基遙感大氣廓線探測技術(shù)

大氣廓線探測的方法眾多，從聲波到無線電波，從毫米波長電磁波到微米波長電磁波，都有相應(yīng)的探測方法和技術(shù)。無線電聲學(xué)探測系統(tǒng)（RASS）探測大氣溫度廓線，激光雷達(dá)探測大氣溫度、濕度和風(fēng)，紅外輻射計(jì)探測大氣溫度、濕度廓線，微波輻射計(jì)探測大氣溫度、濕度廓線，風(fēng)廓線雷達(dá)探測風(fēng)廓線等。由于對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)天氣的適應(yīng)能力等方面的原因，目前以天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用為目標(biāo)的成熟廓線探測儀器設(shè)備包括探測溫度濕度廓線的微波輻射計(jì)和探測風(fēng)廓線的風(fēng)廓線雷達(dá)。本文主要討論這兩種廓線探測系統(tǒng)。

1.1風(fēng)廓線雷達(dá)

大氣湍流主要是由大氣動(dòng)力和熱力狀態(tài)的不均勻分布引起的。當(dāng)風(fēng)廓線雷達(dá)向大氣層發(fā)射一束無線電波時(shí)，由于湍流脈動(dòng)使大氣折射率產(chǎn)生相應(yīng)的漲落，雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)將被散射，其中的后向散射部分被風(fēng)廓線雷達(dá)接收。這種由于大氣折射率不均勻引起的回波信號(hào)與大氣中的云雨質(zhì)點(diǎn)回波散射有所不同，稱之為晴空散射。風(fēng)廓線雷達(dá)以晴空大氣作為主要探測對(duì)象，利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場等要素的探測。風(fēng)廓線雷達(dá)由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、頻綜、信號(hào)處理器、終端和電源等部分構(gòu)成。

風(fēng)廓線雷達(dá)采用的天線技術(shù)、發(fā)射機(jī)技術(shù)、接收機(jī)技術(shù)、頻綜技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等電子技術(shù)已經(jīng)成熟。風(fēng)廓線雷達(dá)有多種不同類型，根據(jù)天線技術(shù)，可以分成有源天線風(fēng)廓線雷達(dá)（如有源相控陣天線風(fēng)廓線雷達(dá)）和無源天線風(fēng)廓線雷達(dá)（如COCO天線風(fēng)廓線雷達(dá)）。有源天線風(fēng)廓線雷達(dá)波束控制更靈活，無源天線風(fēng)廓線雷達(dá)有較高的價(jià)格性能比。目前兩種天線體制并存。根據(jù)發(fā)射機(jī)，可以分為集中發(fā)射風(fēng)廓線雷達(dá)和分布式發(fā)射風(fēng)廓線雷達(dá)，兩種發(fā)射體制分別與無源和有源天線類型相對(duì)應(yīng)。根據(jù)接收機(jī)，可以分為模擬接收機(jī)風(fēng)廓線雷達(dá)和數(shù)字接收機(jī)風(fēng)廓線雷達(dá)，由于數(shù)字接收機(jī)具有穩(wěn)定性高、動(dòng)態(tài)范圍大、線性好的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代模擬接收機(jī)。風(fēng)廓線雷達(dá)中體現(xiàn)氣象特征的核心技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)，包括相干積累、頻譜分析、非相干積累和速度合成。相干積累、頻譜分析是風(fēng)信息提取的基礎(chǔ)。相干積累和頻譜分析能否獲得良好的處理增益，取決于風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)相干性，這種相干性由頻綜、發(fā)射、接收及采樣的特性決定。目前國內(nèi)外風(fēng)廓線雷達(dá)的頻綜、發(fā)射、接收及采樣的特性都能滿足相干性的要求。

1.2微波輻射計(jì)

地基微波輻射計(jì)通過測量60GHz附近不同頻帶微波輻射強(qiáng)度或亮度溫度分布反演溫度廓線，通過測量22GHz附近或183GHz附近不同頻帶微波輻射強(qiáng)度或亮度溫度分布反演濕度廓線。微波輻射計(jì)主要由天線、接收機(jī)、信號(hào)處理器、終端、氣象傳感器、伺服和電源等部分構(gòu)成。

地基微波輻射計(jì)，按照接收機(jī)通道工作方式，可以分為串行接收微波輻射計(jì)和并行接收微波輻射計(jì)。串行接收微波輻射計(jì)，通過依次改變接收機(jī)本振頻率來實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶亮度溫度的探測；并行接收微波輻射計(jì)有多個(gè)接收通道，同時(shí)探測多個(gè)頻帶亮度溫度。串行接收微波輻射計(jì)由于接收通道少，接收機(jī)體積小。并行接收微波輻射計(jì)有多個(gè)接收通道同時(shí)接收，不同頻帶亮度溫度資料的時(shí)間一致，反演誤差小。按照信號(hào)檢測方式，微波輻射計(jì)可以分為直接檢波微波輻射計(jì)和變頻后檢波微波輻射計(jì)。直接檢波微波輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是本機(jī)不產(chǎn)生高頻信號(hào)，變頻后檢波微波輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是接收通道可以復(fù)用。

微波輻射計(jì)探測大氣溫度、濕度廓線的準(zhǔn)確性決定于兩個(gè)環(huán)節(jié)：1）各個(gè)頻帶微波輻射亮溫的測量；2）由亮溫反演大氣溫度、濕度廓線。國外成熟的微波輻射計(jì)（如HATPRO和MP3000）在各個(gè)頻帶微波輻射亮溫的測量上達(dá)到較高水平，能滿足無云天氣反演大氣溫度、濕度的要求。在無云天氣條件下反演出的大氣溫度、濕度廓線能夠滿足天氣分析的需要。國內(nèi)研制的微波輻射計(jì)，受到元器件技術(shù)性能的限制，微波輻射亮溫的測量與國外存在一定的差距[29]。

2　地基遙感大氣廓線探測存在的問題

遙感探測相對(duì)于傳感器直接與被測物質(zhì)接觸的測量或遙測，設(shè)備的復(fù)雜性、環(huán)境的約束性和不確定性都要高得多，存在的問題也更多。地基遙感大氣廓線探測的問題可以分為三類：1）應(yīng)用中的問題，包括設(shè)備工作參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、資料和應(yīng)用目標(biāo)的時(shí)空匹配、廓線探測氣象要素匹配；2）設(shè)備工程問題，包括設(shè)備質(zhì)量保障、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理方法的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測和維護(hù)；3）與探測原理相關(guān)的問題，包括微波輻射計(jì)有云和降水條件下的準(zhǔn)確探測問題、風(fēng)廓線在降水條件下的準(zhǔn)確探測問題。考慮到篇幅和問題的突出，下面只展開討論地基遙感大氣廓線探測中與探測原理相關(guān)的問題。

圖1　微波輻射計(jì)探測與探空對(duì)比圖Fig. 1 Comparison chart of microwave radiometer with radiosonde under cloudless condition（a） and cloud condition（b）

2.1微波輻射計(jì)有云和降水條件下的準(zhǔn)確探測問題

微波輻射計(jì)可以連續(xù)探測大氣溫度、濕度廓線。在無云時(shí)，探測性能良好，溫度、濕度廓線與同時(shí)次探空溫度、濕度廓線趨勢一致，相對(duì)差值也較?。▓D1a）；但在有云天氣時(shí)，受云的影響，溫度、濕度探測誤差加大，趨勢也與同時(shí)次探空不一致（圖1b），其主要原因在于有云情況下微波吸收系數(shù)分布存在不確定性。

地球大氣微波輻射傳輸方程可寫為：

2.2風(fēng)廓線在降水條件下的準(zhǔn)確探測問題

圖2　風(fēng)廓線雷達(dá)的多普勒速度譜Fig. 2 Doppler velocity spectrum of wind profiler radar： （a） Clear sky； （b） Precipitation

風(fēng)廓線雷達(dá)整體技術(shù)已非常成熟，但工作在UHF波段的風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)降水粒子非常敏感，因此，在降水條件下特別是在對(duì)流性降水條件下風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)性能會(huì)受到影響。Wuertz等[25]分析了降水對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測精度的影響，發(fā)現(xiàn)在均勻性降水條件下誤差為2m/s，是晴空條件下的誤差的兩倍，在隨時(shí)間和空間變化劇烈的降水條件下，其探測誤差達(dá)到4m/s以上。

在晴空，風(fēng)廓線雷達(dá)測得的徑向速度v是大氣的運(yùn)動(dòng)分量，如圖2a中的va。而當(dāng)有降水粒子存在時(shí)，由于其后向散射信號(hào)常常大于大氣湍流的散射，按照風(fēng)廓線雷達(dá)檢測多普勒譜中最大信號(hào)的方法，就有可能測得降水粒子下落速度分量vr，如圖2b，由此造成測風(fēng)和垂直速度誤差。

3　多種探測技術(shù)綜合是地基大氣廓線探測發(fā)展的方向

為獲取時(shí)空分辨率均較高的大氣廓線，歐美等國家均開展了相關(guān)綜合觀測計(jì)劃。美國能源部出資成立大氣輻射測量（ARM）計(jì)劃，建立先進(jìn)的地面測站來研究云的形成過程以及其對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊?，其基礎(chǔ)是大氣廓線及各種要素的綜合觀測，用以研究降水、云、氣溶膠、地表通量對(duì)全球氣候變化的影響[30]。ARM計(jì)劃耗資4.6億美元在各地建立觀測站，于1992年開始收集觀測數(shù)據(jù)[31]，并于近年來針對(duì)溫度濕度廓線及云垂直結(jié)構(gòu)開展了全面研究，包括用微波亮溫三維層析反演水汽密度[32]，基于一維變分方法的地基毫米波輻射計(jì)反演極地溫濕廓線[33]，建立地基微波輻射計(jì)觀測網(wǎng)并提供將近20年的觀測資料[34]，利用大氣輻射傳輸模型反演方法研究云的光學(xué)厚度等屬性[35]，基于地基遙感方法探測極地單層云[36]，結(jié)合氧A波段和雷達(dá)觀測反演層云的垂直結(jié)構(gòu)[37]等。

2001年，歐盟通過了COST 720研究計(jì)劃，由德國、英國、荷蘭等國家，提出了“綜合地基遙感探空站”的概念，通過試驗(yàn)包括風(fēng)廓線、微波輻射計(jì)、雷達(dá)等多種綜合遙感手段，提供站點(diǎn)上空溫度、濕度、風(fēng)和水凝物的垂直廓線[38]。該計(jì)劃中的溫濕云廓線（TUC）試驗(yàn)于2003/2004年冬季在瑞士實(shí)施[39]，包括基于地基微波輻射計(jì)的溫濕廓線反演[32]，以及云的垂直結(jié)構(gòu)探測研究[40]。

為密切關(guān)注并便于交流大氣廓線探測的相關(guān)研究，國際上每隔三年舉行一次對(duì)流層廓線探測國際研討會(huì)（ISTP），該系列會(huì)議從1988年開始舉辦。2012年，ISTP大會(huì)針對(duì)大氣溫度、濕度廓線探測進(jìn)行了深入討論，包括利用地基微波輻射計(jì)觀測網(wǎng)獲取對(duì)流層濕度廓線[41]、蘭佩杜薩島上基于微波輻射計(jì)的連續(xù)溫濕廓線探測[42]，以及根據(jù)晴空下常規(guī)探空計(jì)算得到的亮溫修正了微波輻射計(jì)溫度廓線的長期系統(tǒng)誤差[43]等多方面的研究工作。

國內(nèi)針對(duì)大氣垂直觀測也獨(dú)立開展和參與了國際相關(guān)研究。2010年，WMO在中國陽江組織了第八屆國際探空比對(duì)試驗(yàn)，開展了包括探空儀和多種遙感設(shè)備在內(nèi)的觀測儀器設(shè)備對(duì)同一區(qū)域的綜合觀測試驗(yàn)，進(jìn)行了多種觀測儀器設(shè)備綜合觀測方法的研究，著重分析了探空儀在高空出入云的溫濕特性，評(píng)估了高層云紅外輻射對(duì)溫度傳感器的影響以及濕度傳感器的系統(tǒng)偏差，并通過不同設(shè)備觀測資料之間的對(duì)比，改進(jìn)和完善了部分遙感儀器的關(guān)鍵算法[44]。2012年，中國科學(xué)院大氣物理研究所開始開展大氣成分綜合探測系統(tǒng)的研制工作，通過該系統(tǒng)獲得準(zhǔn)連續(xù)的大氣溫度、濕度、風(fēng)場、大氣溫室氣體與污染氣體、云和氣溶膠的高垂直分辨率的廓線觀測資料，并通過集成反演算法的建立實(shí)現(xiàn)對(duì)全大氣層相對(duì)完整的同時(shí)觀測，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣垂直結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)變化與成分輸送的研究。2013年8月，中國氣象局氣象探測中心在吉林白城同時(shí)布設(shè)了微波輻射計(jì)、業(yè)務(wù)用L波段探空系統(tǒng)、芬蘭維薩拉RS92探空系統(tǒng)、系留氣球探測系統(tǒng)、地基導(dǎo)航衛(wèi)星遙感水汽（GNSS/MET）系統(tǒng)、100m氣象塔分層探測和激光測云儀等高空觀測系統(tǒng)，開展了為期一個(gè)月的綜合比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)溫度廓線、相對(duì)濕度廓線、水汽密度廓線、總水汽量和云底高度等要素進(jìn)行了綜合分析比對(duì)，試驗(yàn)結(jié)果表明在無云情況下微波輻射計(jì)探測溫濕廓線結(jié)果準(zhǔn)確度較高，而有云情況下微波輻射計(jì)的溫濕廓線反演結(jié)果相對(duì)較差。中國氣象局氣象探測中心與中科院空間中心等單位，針對(duì)改進(jìn)微波輻射計(jì)有云和降水條件下的準(zhǔn)確探測問題以及風(fēng)廓線在降水條件下的準(zhǔn)確探測問題，基于W波段毫米波固態(tài)功率器件技術(shù)、W波段毫米波發(fā)射接收鏈路技術(shù)、K與V波段微波信號(hào)直檢技術(shù)、信號(hào)處理及廓線反演技術(shù)等，在已有的工作基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多波段微波遙感結(jié)合的大氣廓線探測系統(tǒng)。

4　小結(jié)

最初的大氣廓線探測—無線電探空的出現(xiàn)和組網(wǎng)觀測推動(dòng)了氣象學(xué)的發(fā)展。地基遙感大氣廓線探測的發(fā)展將會(huì)推動(dòng)對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)強(qiáng)天氣過程的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)能力。

地基遙感大氣廓線探測基本走完了單項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展階段。無論風(fēng)廓線雷達(dá)還是微波輻射計(jì)，從電子學(xué)和工程學(xué)的角度，主體技術(shù)都趨于成熟，風(fēng)廓線雷達(dá)測量徑向速度的準(zhǔn)確性達(dá)到10-1m/s的量級(jí)，能夠提取噪聲電平以下20～30dB的大氣湍流信號(hào)；成熟的微波輻射計(jì)測量微波輻射亮溫的精度達(dá)到0.3K左右。

地基遙感大氣廓線探測進(jìn)入了多種技術(shù)綜合應(yīng)用階段。綜合應(yīng)用可以提供多氣象要素大氣廓線資料，能更完整的描述大氣狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)。通過多種技術(shù)綜合集成還可以有效改進(jìn)地基遙感探測的適應(yīng)性，擴(kuò)展其對(duì)氣候的適應(yīng)范圍，例如，使微波輻射計(jì)不僅在無云天氣能有效探測，而且在有云天氣也能有效探測；改善風(fēng)廓線雷達(dá)降水天氣的探測能力。因此，多種地基遙感大氣廓線探測的結(jié)合，不僅擴(kuò)大氣象要素的覆蓋，還將提升探測能力。

地基遙感大氣廓線探測的復(fù)雜性和應(yīng)用難度，遠(yuǎn)高于無線電探空。因此，在應(yīng)用環(huán)節(jié)、設(shè)備研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)和多種技術(shù)的綜合集成方面都存在需要解決的問題。在正確認(rèn)識(shí)地基遙感大氣廓線探測基礎(chǔ)上，通過不斷努力，地基遙感大氣廓線探測一定會(huì)發(fā)揮令人振奮的作用。

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Developing Ground-Based Remote Sensing of Atomospheric Profile

Ma Shuqing1, Gao Yuchun1, Zhang Xuefen1, Cao Yunchang1, Zhang Xiangkun3, Wang Zhenhui2, Wu Lei1
（1Meteorological Observation Centre of China Meteorological Administration， Beijing 100081 2 Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044 3 National Space Science Center， CAS， Beijing 100190）

The emergence of radiosonde and networking promote the development of meteorology. The development of groundbased remote sensing of atmospheric profile will promote the understanding of the evolvement of meso- and micro-scale weather systems and severe weather, and improve the ability of forecasting these systems. The main technologies of ground-based remote sensing of atmospheric profile have been mature， but it is more complex and difficult than radiosond. There are many problem needed to be solved in the aspect of application, research and development, comprehensive integration and so on. Comprehensive integration of varieties of technologies has become the characteristics and trend of the development of atmospheric profile detection. On one hand it will provide more elements to meet the application requirements, on the other hand it will improve the ability of atmospheric profile detection and improve the detection accuracy.

atmospheric profile， ground-based remote sensing， wind profiler， microwave radiometer

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.011

2015年6月9日；

2015年8月31日

馬舒慶（1956—），Email: msqaoc@cma.gov.cn