可见光_红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高_苏源.pdf

第 18 卷 第 2 期2023 年 3 月大 气 与 环 境 光 学 学 报JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICSVol.18 No.2Mar.2023可见光可见光/红外全天空成像仪和云雷达红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高联合反演云高苏 源 1,吴林林 2*,陶 法 3,胡树贞 3,程 欣 1(1 合肥市气象局,安徽 合肥 230041;2 安徽省人工影响天气办公室,安徽 合肥 230031;3 中国气象局气象探测中心,北京 100081)摘要:为解决大部分设备无法单独获取全天空云底高度的问题，基于中国气象局大气探测基地可见光/红外天空成像仪和毫米波云雷达2019年6月的灰度值与云底高度数据，利用辐射传输模式计算地面814 m波段向下红外辐射随天顶角的变化关系，并根据红外波段测得的天顶云底灰度值与非天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系，从而反演得到全天空云底高度。结果表明：(1)相比于全天无云的情形，在一天的相同时间时，全天有云时的天顶灰度值较高。(2)当云底高度为2000 m以上且云层较厚时，云底高与红外模块所测灰度值的相关性明显好于云层较薄的低云。(3)2019年8月12日的个例验证结果显示，反演云高与通过云雷达测得的实际云高相关系数为0.956，而与取天顶附近约30天顶角得到的云高相关系数为0.9508。关 键 词:全天空成像仪;云雷达;灰度值;云底高中 图 分 类 号:P414.9+1 文 献 标 识 码:A 文章编号:1673-6141(2023)02-089-010Joint inversion of cloud height by visible/infrared full sky imager and cloud radarSU Yuan 1,WU Linlin 2*,TAO Fa 3,HU Shuzhen 3,CHENG Xin 1(1 Hefei Meteorological Bureau National Basic Weather Station,Hefei 230041,China;2 Weather Modification Office of Anhui Province,Hefei 230031,China;3 Meteorological Observation Center,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China)AbstracAbstract t:In order to solve the problem that most of the equipments cannot obtain the whole sky cloud base height independently,based on the grey value and the cloud base height data measured by the visible/infrared sky imager and the millimeter wave cloud radar measured at the China Meteorological Administration Atmosphere Detection Base in June,2019,the relationship between the downward infrared radiation of ground in 8-14 m band iand the zenith angle is calculated using Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer mode,and then according to the linear relationship between the gray value DOI:10.3969/j.issn.1673-6141.2023.02.001基金项目:合肥市气象科研项目、合肥市气象局自立课题(HFZL202206)作者简介:苏 源(1978-),女,北京人,高级工程师,主要从事大气综合探测方面的工作及研究。E-mail:收稿日期:2021-07-22;修改日期:2021-08-25*通信作者。E-mail:大 气 与 环 境 光 学 学 报18 卷of the zenith cloud base measured in the infrared band and the cosine gray value of the zenith angle at the non-zenith position,the cloud base height of the whole sky is retrieved.The results show that,(1)compared with that in cloudless day,the zenith gray value is higher when there is cloud all day at the same time during a day.(2)When the cloud base height is more than 2000 meters and the cloud base is thick,the correlation between the cloud base height and the gray value measured by the infrared module is significantly better than that of the low clouds with thin cloud layer.(3)The case verification on August 12,2019 shows that the correlation coefficient is 0.956 between the inversion cloud height and the actual cloud height measured by cloud radar,while the correlation coefficient between the inversion of cloud height and the cloud height obtained by taking the zenith angle of about 30 near the zenith is 0.9508.K Keyey wordswords:all-sky imager;cloud radar;grey value;cloud base height0 引 言云是大气中水蒸气凝结成的小液滴或小冰晶体,是漂浮在空气中的可见聚合物的混和体。在地球大气环境系统中,云是调节气候的一个重要因素1。云的变化对于辐射和全球气候的影响非常重要,由于云在时空分布上的变化非常复杂2,因此云的研究越来越受到研究人员的普遍关注,在天气分析与预报、人工影响天气以及民生、经济等领域也变得越来越重要3。近年来,云高的研究,包括云雷达与激光云高仪对云高的对比研究4,5以及云雷达、全天空成像仪与激光雷达对云高的对比等6,也越来越受到众人的关注。云底高度决定了云的种类以及降水概率的大小5,也是影响地球辐射收支的重要参数之一7。如何准确地得到天空中云的宏观分布,是大气探测亟需解决的课题。云底高度是云物理学研究中最基本、最重要的参数之一。目前对云底高度的探测方式繁多,但由于探测原理不同,导致不同方法获得的云高观测数据相差较大。因此对不同方法获得的测量结果进行对比验证,系统地比较和分析其精度和差异,原则上需要对数据进行修正,以提高多源云基高度观测资料的相似性和一致性8。对于云底高度和厚度,激光测云仪和云雷达都只能对天顶方向的云进行观测,而无法进行全天空云高的测定。国内对于利用双波段全天空成像仪和云雷达反演全天空云高的研究还相当匮乏。本研究所在场地为中国气象局气象探测中心北京南郊大气探测综合试验探测基地,基于国产Ka波段毫米波测云仪和可见光/红外全天空成像仪的数据,以毫米波云雷达观测的云底高度为参考,与可见光/红外全天空成像仪反演的云高进行比对验证,对云雷达测得的云高与红外波段得到的灰度值进行拟合,分析两者的相关特性,再根据辐射传输模型模拟计算地面814 m波段向下红外辐射随天顶角的变化关系,最后利用全天空云底灰度值反演云高并进行对比验证。1 观测设备和理论基础1.1 可见光/红外全天空成像仪所使用的可见光/红外全天空成像仪是由中国科学院大气物理研究所和江苏省无线电科学研究所有限公司合作推出的可见光/红外全天空红外扫描成像系统,如图1所示,主要包括两个模块:可见光成像模块和814 m红外成像模块。利用该成像仪采集全天空立体图像,得到4023个点的红外亮温,继而得到全天空90第 2 期苏 源,等:可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高红外辐射的分布,再经过辐射标定修正等处理9,最后反演得到云底高度以及云量信息。其中红外模块系统的响应时间为120 ms,温度精度为0.1,可连续在2085的环境条件下工作。该红外波段模块具有较小的视场角,D:S=34:1(D为传感器头部到被测物的距离,S为测量点直径的大小),考虑云体一般较大,该设备完全满足对云体温度的测量要求。1.2 毫米波云雷达所使用的毫米波云雷达是由中国气象局气象探测中心、西安华腾微波有限责任公司和成都信息工程大学联合研制的YLU1型Ka波段毫米波测云仪(对顶式雷达),如图2所示,它可以穿透云层,得出云体的整体结构信息10,该云雷达是探测云层三维精细结构的重要工具11。表1为该毫米波云雷达性能指标。图 1 可见光/红外全天空成像仪。(a)可见光成像仪;(b)红外全天空成像仪Fig.1 Visible/infrared full sky imager.(a)Visible light imager;(b)infrared full sky imager图 2 YLU1型Ka波段毫米波云雷达Fig.2 YLU1 Ka-band millimeter-wave cloud radar91大 气 与 环 境 光 学 学 报18 卷1.3 观测资料获取所用资料包括2019年6月所有有云的天气条件下,在中国气象局南郊综合试验基地中的可见光/红外双波段全天空成像仪与毫米波云雷达连续并行观测的资料,表2为上述设备获取的主要参数。其中有云天数为19天,每10 min获得一组数据。红外传感器遥感的天空图像,其像元亮度值是灰度值,是无单位的整数数值。将分别从以下五个方面进行比对分析:1)全天有云和全天无云的两天在一天中同一时间有云和无云条件下灰度值的对比。2)天顶红外亮温值(灰度值)与天顶方向毫米波云雷达云高值的相关性。3)选取云厚一定的条件下,从云高 1000 m、1000 m 云高 6000 m三种情况,对云雷达获取的云底高度与双波段全天空成像仪的灰度值进行相关性分析,以对云高和灰度值进行质控。4)通过做线性回归,结果应用在个例上。5)根据天顶云底灰度值与不在天顶位置的天顶角余弦灰度值之间的线性关系,反演得到非天顶位置的云底高度。1.4 向下红外辐射反演云高理论基础从地面向天空任意方向观测,在热红外波段(814 m)均可感测到来自该方向的热辐射。在814 m表 1 毫米波云雷达性能指标Table 1 Performance indicators of millimeter-wave cloud radarParameterRadar typeRadar systemScanning wayWorking frequency/GHzAntenna scanning modeAntenna aperture/mPeak tran