毫米波云雷达与激光云高仪气象探测性能对比分析_顾桃峰.pdf

第 43 卷第 1 期2023 年 1 月Vol.43，No.1Jan.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae毫米波云雷达与激光云高仪气象探测性能对比分析顾桃峰1，岳海燕2，伍光胜1，*，张志坚1，胡涵成3，蒲冬阳4，罗语嫣5，蔡英琪11.广州市突发事件预警信息发布中心，广州 5114302.广州市气象台，广州 5114303.成都信息工程大学光电工程学院，成都 6102254.成都信息工程大学电子工程学院，成都 6102255.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225摘要：为评估毫米波云雷达及激光云高仪的探测性能，选取广州市气象局KA波段毫米波云雷达和激光云高仪云高观测数据，通过对比两种测云设备在相同条件下的差异，分析不同要素对观测设备的影响，结果表明：毫米波云雷达与激光云高仪同时探测到有云时，二者在云底高度观测上吻合程度较高，相关系数为0.98；在数据获取率上，云雷达对高云的探测能力明显优于激光云高仪，但在对低云的探测能力上还有待提高，和激光云高仪相比，云雷达对低云和中云的识别能力有待提高；对于多层云的观测，低层云的遮挡降低了激光云高仪对中高层云的观测，激光云高仪探测的中高层云多数在云雷达的回波内部.对于不同强度的降水，日降水量越多，该天所测得的高、中云层回波就越少.通过边界层高度与污染物的关系分析可以得出，边界层高度与PM2.5浓度呈反比.这些研究能够对毫米波云雷达和激光云高仪的探测能力进行评估，为后续选择设备提供参考，也推动了云观测技术的发展.关键词：毫米波云雷达；激光云高仪；云底高度文章编号：0253-2468（2023）01-0275-09 中图分类号：P41 文献标识码：AComparative analysis of meteorological detection performance between millimeter-wave cloud radar and AltimeterGU Taofeng1，YUE Haiyan2，WU Guangsheng1，*，ZHANG Zhijian1，HU Hancheng3，PU Dongyang4，LUO Yuyan5，CAI Yingqi11.Guangzhou Emergency Warning Information Release Center，Guangzhou 5114302.Guangzhou Meteorological Observatory，Guangzhou 5114303.School of Photoelectric Engineering，Chengdu University of Information，Technology，Chengdu 6102254.School of Electrical Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 6102255.School of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225Abstract：In order to evaluate the detection performance of millimeter wave cloud radar and laser cloud altimeter（Altimeter），this paper selected the observation data of KA band millimeter wave cloud radar and Altimeter of Guangzhou Meteorological Bureau，and analyzed the influence of different elements on the observation equipment by comparing the differences between the two cloud measurement equipment under the same conditions.The results show that：When both millimeter wave cloud radar and Altimeter detect clouds at the same time，they have a high degree of coincidence in the observation of cloud base height，and the correlation coefficient is 0.98.In terms of data acquisition rate，the detection ability of cloud radar for high clouds is obviously better than that of Altimeter，but the detection ability of low clouds needs to be improved.Compared with Altimeter，the recognition ability of cloud radar for low and middle clouds needs to be improved.For the observation of multi-layer clouds，the occlusion of low layer clouds reduces the observation of middle and high layer clouds by Altimeter，and most of the middle and high layer clouds detected by Altimeter are inside the echo of cloud radar.For the precipitation of different intensity，the more daily rain it rains，the less echo of high and middle clouds measured by Altimeter can get.Through the analysis of the relationship between boundary layer height and pollutants，it can be concluded that the DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0407顾桃峰，岳海燕，伍光胜，等.2023.毫米波云雷达与激光云高仪气象探测性能对比分析 J.环境科学学报，43（1）：275-283GU Taofeng，YUE Haiyan，WU Guangsheng，et al.2023.Comparative analysis of meteorological detection performance between millimeter-wave cloud radar and Altimeter J.Acta Scientiae Circumstantiae，43（1）：275-283收稿日期：2022-08-31 修回日期：2022-10-20 录用日期：2022-11-15基金项目：广东省科技计划项目（科技创新平台类）（No.2019B121201002）；广州市科技计划项目（No.202206010016）；广州市气象局大城市智慧观测与数据应用创新团队项目作者简介：顾桃峰（1982），高级工程师，E-mail：；*责任作者，E-mail：环境科学学报43 卷boundary layer height is inversely proportional to the concentration of PM2.5.These studies can evaluate the capabilities of millimeter wave cloud radar and Altimeter，provide reference for the subsequent selection of equipment，and promote the development of cloud observation technology.Keywords：millimeter wave cloud radar；laser cloud altimeter；cloud base height1引言（Introduction）云与大气的动力过程、热力过程、水汽循环、能量收支等密切相关，是影响天气气候的重要因子之一.其中云底和云顶高度是重要的云宏观物理特征参数，与云的类型、云对辐射影响等密切相关，云底的高低决定了云的分类和降水概率，因此研究不同条件下的云底高度及其演变规律，有助于天气系统的分析.传统云垂直探测结构包括云底高、云顶高、云厚度、云层数等相关信息，目前对云垂直结构观测的主要设备主要包括红外可见光测云仪、无线电探空、云雷达、激光云高仪等，对于它们的探测能力，国内外学者进行了相关试验比对分析工作（Hollars et al.，2004；胡树贞等，2012；黄兴友等，2013；李思腾等，2015；李肖霞等，2016；赵静等，2017），并在气象业务中开展了实际应用.毫米波云雷达利用云粒子对电磁波的散射特性，通过分析云的雷达反射率因子回波强度可以解析云的宏观和微观信息，其优势在于可以穿透云层或者降水云，探测到多层云而不失真（曹念文等，2012；闫宝东等，2013）.激光云高仪具有便携、实时监测、动态范围大等特点，用其对地面可见云观察，可以得到较好的效果.将二者相比较，毫米波云雷达利用云粒子对激光束的米散射效应，对低云以及云层浅薄或只含小粒子的云探测性能良好，而当有比较浓厚的低云出现或降水比较强时，激光云高仪由于波长短衰减严重很难穿透并探测到其上层云的情况，同时其会受到雾霾天气、降水等影响.不同的探测设备因原理体制不同或多或少有不同的探测缺陷，例如：激光云高仪由于波长衰减严重很难对上层云进行观测，而云雷达很难对薄云进行有效测量.因此，多种云观测设备的联合观测，以及多种云观测数据的融合处理来综合确认云底高度的方法是近年来气象观测试验的主要应用手段.黄兴友等（2013）对4台激光云高仪、2部红外测云仪、1台全天空成像仪以及1部云雷达的观测数据进行对比分析，云雷达与激光云高仪观测的最低层云底高度数据一致性较差，但与红外测云仪观测结果匹配较好.李思腾等（2015）对中国气象局大气探测综合试验基地毫米波云雷达和激光云高仪的观测试验数据分析，发现毫米波云雷达数据获取率比激光云高仪高，且二者测得的云底高度平均相差不超过300 m.本文利用部署于广州市气象局的HMB-KPS型Ka波段双偏振毫米波云雷达和C12型激光云高仪的同步对比观测数据，通过个例分析和统计分析方法，分析毫米波云雷达与激光云高仪的云底高度对应关系及数据获取探测能力，为云雷达和激光云高仪联合观测提供数据基础.2资料来源（Data source）云雷达探测设备是由航天新气象科技有限公司研制的Ka波段毫米波测云仪.该雷达采用全固态、双偏振、脉冲多普勒体制，能够连续探测获取20 km高度范围内的云、雪、雨等气象目标的回波强度Z，径向速度Vr，、速度谱宽Sw和退偏振因子LDR的垂直廓线，并反演生成云底高、云顶高、云厚、云状识别和分类、云粒子相态、液态水含量等二次产品.该型雷达采用边界层、中云、卷云、降水4种观测模式循环探测.结合卷云、层云、降水等不同气象目标的特性，4种探测模式选取不同的脉冲宽度、相干积累数和非相干积累数等工作参数，通过对回波强度、径向速度、SN