探空資料所測云高和激光云高儀所測云高的對比分析

何敏發(fā)　陽小群　吳福正　邱年　鄭皖生　顧衛(wèi)

摘要 ?對GTS1型探空儀資料分析云高和CL51激光云高儀所測云高進(jìn)行對比，分析兩者的云高差異。結(jié)果表明，2種探測系統(tǒng)在中云的判斷上，所測云高吻合度最高，具有較好的相關(guān)性;對低云、高云的云高判斷存在差距。要提高這2種探測系統(tǒng)對云高的測量準(zhǔn)確度，需要在地面高濕情況下，對閾值法和溫度露點法的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化;在霧霾和大雨天氣下，對激光云高儀測云性能加以提高;在低溫下對探空儀濕度傳感器的性能加以改進(jìn)。

關(guān)鍵詞 激光云高儀;云量自動觀測儀;云量;全天空圖像

中圖分類號：P414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）02-039-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.02.017

Abstract The cloud heights measured by GTS1 radiosonde and CL51 laser ceilometer were compared， and the difference of cloud heights between them was analyzed. The results showed that the two detection systems had the highest coincidence and good correlation in the judgment of middle cloud， but there was a gap in the judgment of low cloud and high cloud. In order to improve the accuracy of cloud height measurement by these two detection systems， it was necessary to optimize the application of threshold method and temperature dew point method under high humidity conditions on the ground， to improve the performance of cloud height measurement by laser cloud altimeter in fog and heavy rain， and to improve the performance of humidity sensor of sounder at low temperature.

Key words ? Laser ceilometer; Cloud automatic observer; Cloudiness; All sky image

云是大氣中熱力過程和動力過程的外部表現(xiàn)，同時也是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。全球有60%的地區(qū)被云層所覆蓋。不同高度的云對天氣氣候所起的作用也不同。高云對太陽輻射有透射效應(yīng)，由云體發(fā)射紅外輻射而使大氣和地表升溫。而中、低云云頂對太陽輻射有較強(qiáng)的反射，使大氣和地表降溫。云高的觀測方法很多，有云幕燈法、氣球測云法、激光云高儀、紅外測云儀、毫米波云高儀等。目前國內(nèi)臺站觀測云高主要使用的方法還是目測法。目測法是觀測員根據(jù)判定的云狀、當(dāng)?shù)氐暮０胃叨取⒓竟?jié)、晝夜等情況來分析判斷云高，其結(jié)果受觀測員理論水平和實踐經(jīng)驗影響很大。

我國自20世紀(jì)50年代建立起來的探空網(wǎng)到2012年已經(jīng)全部升級為L波段高空探測系統(tǒng)。它所使用的GTS1型探空儀采樣周期為1.2 s，采樣頻率每分鐘50次左右，垂直分辨率達(dá)到8 m。當(dāng)探空儀入云時，溫濕度都會有相應(yīng)變化，尤其是濕度。故可以利用探空數(shù)據(jù)中濕度和溫度的變化來判定云底高度。安徽省安慶市氣象局國家基本氣象觀測站目前安裝了一臺華云升達(dá)公司生產(chǎn)的CL51型激光測云儀。它是利用地面向上空發(fā)射激光脈沖，通過接收大氣對此光脈沖的后向散射，達(dá)到探測分析大氣在不同高度的組成成分。因為水汽成分對光的后向散射非常大，從而可以分析出云高信息。CL51型激光云高儀能比較精確地測量單點云的高度。筆者對GTS1型探空資料分析云高和CL51激光云高儀所測云高進(jìn)行對比，分析兩者的云高差異，對提高探空資料判別云高的準(zhǔn)確性有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取對比的樣本探空資料是2018年7月和9月的探空記錄。為減少激光云高儀資料由于空間不同步造成的探空記錄誤差，選取放球時間前后30 min和探空資料判斷云高最接近的云高數(shù)據(jù)作為激光云高儀的對比分析數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

探空資料分析判定云高，該文采用的是溫度露點法和相對濕度閾值法。溫度露點法是根據(jù)氣層在不同高度處，溫度露點差小于對應(yīng)閾值，即視為云層。根據(jù)Poore在1994年提供的閾值標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溫度（T）>0℃時，閾值設(shè)為1.7℃;當(dāng)-20℃≤溫度（T）≤0℃時，閾值設(shè)為3.4℃;當(dāng)溫度（T）<-20℃時，閾值設(shè)為5.2℃。

相對濕度閾值法是利用相對濕度閾值對云層進(jìn)行判斷。目前使用最為廣泛的是WR95法，其判定云層的主要條件有3個：云內(nèi)最小相對濕度大于84%;云內(nèi)的最大相對濕度大于87%;相對濕度在云底有3%的正跳變。1999年WANG Junhong將前述最小、最大相對濕度調(diào)高到90%、93%，該文也按調(diào)高后的標(biāo)準(zhǔn)處理探空數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

從圖1可以看出，GTS1型探空資料分析云高和CL51激光云高儀所測云高的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.886，相關(guān)度比較高，說明探空資料分析云高和激光云高儀所測云高的一致性比較好。

國際云圖分類將云底高度小于2 500 m定義為低云;云底高度大于2 500 m且小于4 500 m的為中云;云底高度大于4 500 m的定義為高云。對低、中、高各個云層情況對比分析如圖2所示。在3類云中，對中云的判斷上，2種探測系統(tǒng)所測云高吻合度最高，具有較好的相關(guān)性;對低云的判斷上，2種探測系統(tǒng)所測云高吻合度一般，相關(guān)系數(shù)僅0.764;對高云的判斷上，2種探測系統(tǒng)所測云高相關(guān)性最低。

對差異進(jìn)行分析可知，低云差異主要是在有雨、霧、霾等天氣情況下，水汽和氣溶膠粒子對激光有較強(qiáng)的衰減作用，使激光所測云高失準(zhǔn);在雨霧天氣時，底層濕度太大，溫濕度變化都不明顯，溫度露點法和相對濕度閾值法將難以達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。高云時，由于GTS1型探空儀濕度傳感器隨著溫度下降而有明顯遲滯，所測云高準(zhǔn)確性下降明顯。而中云時，上述影響輕微，故所得結(jié)果最為接近。

綜上所述，認(rèn)為探空資料分析云高和激光云高儀所測云高在中云時具有較好的相關(guān)性。要提高這2種探測系統(tǒng)對云高的測量準(zhǔn)確度，需要在地面高濕情況下，對閾值法和溫度露點法的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化;在霧霾和大雨天氣下，對激光云高儀測云性能加以提高;在低溫下對探空儀濕度傳感器的性能加以改進(jìn)。

3 結(jié)語

探空儀濕度傳感器在低溫下的性能提高，對云高分析意義重大。利用探空資料判別云底高度和激光云高儀所測云高進(jìn)行對比分析受時空差異和觀測原理差異影響。深入開展差異性分析，并且努力減小或消除誤差影響，從而提高探空資料判別云高的準(zhǔn)確性有十分重要的意義。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹