激光云高儀云底高度對比及邊界分析

趙 靜,顧桃峰,吳 宜,吳 昊,岳海燕

(1.北京聚恒博聯科技有限公司,北京 100081;2.廣州市突發事件預警信息發布中心,廣州 511430;3.中國氣象局氣象干部培訓學院湖南分院,長沙 410125;4.成都信息工程大學電子工程學院,成都 610225;5.廣州市氣象臺,廣州 511430)

0 引言

研究表明云的變化對大氣能量分配、水汽循環變化及輻射能量分布等有著重大影響,尤其是云底高度與云的輻射強迫效應有密切關系。非黑體高云對太陽輻射的透射和云體紅外輻射在對流層和平流層低層引起增暖效應,而中低云由于較強的反射對大氣和地表產生顯著的冷卻作用[1-2]。

近年來,云底高度觀測技術多種多樣且趨于成熟,主要包括激光云高儀、紅外測云儀、毫米波云雷達等。其中激光云高儀和毫米波云雷達可以精確地獲取高時空分辨力的云的水平結構、垂直結構和云底高度,是非常有效的探測工具[3]。但在儀器應用方面,毫米波云雷達因受各種因素制約,還未在各氣象臺站中被普遍應用。而激光云高儀體積小、成本低、技術成熟、性價比高,是目前常用的一種自動化觀測儀器[4-5]。

在儀器性能方面,不少科研人員對激光云高儀進行了研究。黃興友等[6]對4臺激光云高儀(CL31,CL51,CYY-2B和中國科學院)、2部紅外測云儀(SIRIS,ZXD03)、1臺全天空成像儀及1部毫米波云雷達的觀測數據進行了對比分析,得出不同型號激光云高儀的觀測結果存在一定的差異,反映了不同儀器的反演算法和閾值設置的差異。李肖霞等[7]對4個廠家共5種型號的15臺激光云高儀的觀測數據進行了云高準確性的定量分析,得出不同型號的激光云高儀均存在漏判和誤判現象,且各儀器之間差異較大。

文章利用國防科技大學提供的Vaisala CL51和JHBL C12型激光云高儀2019-09-06/11-28共74 d的南京觀測數據,對2種設備云底高度探測性能進行分析,結合S函數,分析各設備在云底高度邊界的判定及閾值設定方面的差異,并初步得出結論。

1 設備資料與方法

1.1 設備簡介

CL51型激光云高儀是(簡稱“CL51”)基于激光雷達技術研制而成的,廣泛應用于邊界層和云層的自動化探測,垂直指向,云高最小分辨力為10 m,中心波長為910 nm,激光發射重復頻率為6.5 kHz,最大探測距離為15 km,時間分辨力為15 s;C12型激光云高儀(簡稱“C12”)垂直指向,云高最小分辨力為5 m,中心波長為905 nm,激光發射重復頻率為2.5 kHz,探測范圍為15 m～12 km,時間分辨力為1 min。2臺設備均處于同一試驗觀測場內,相距大約20 m,觀測結果可視為同一目標結果。

1.2 同層云篩選方法

文章所使用的數據為激光云高儀后向散射回波信號原始廓線數據及設備輸出的云底高度觀測結果,為方便云底高度的統計分析,規定時間一致性以選取低時間分辨力為基準,即1 min。

通過人工篩選確定同層云的共同有效樣本,選取步驟為:計算2臺設備云高數據的絕對誤差,以CL51為篩選標準,以云的層次高度為分類標準進行劃分,若CL51觀測云底高度<2500 m且2臺設備|云高絕對誤差|<1000 m,或2500 m4500 m且2臺設備|云高絕對誤差|<3000 m,則視為同一層云,記為有效樣本[8]。

1.3 云底邊界確定方法

1.3.1 氣溶膠層與云層識別方法

根據激光雷達原理,云高儀接收到來自不同高度的回波信號可表示為:

(1)

Sz=ln(z2Pz/Oz)

(2)

S函數可以反映地面至云層之間霧、霾、降水等引起視程障礙的氣溶膠層粒子強弱變化以及云層邊界和內部回波強弱等重要信息。理論上可以通過設定S函數閾值標準來初步區分氣溶膠與云層,但大氣層結構復雜多變,受到溫度、太陽輻射和風速等因素的影響,還需做大量的試驗來進一步確定云層邊界。

1.3.2 云底邊界的檢測方法

圖1 微分零交叉法示意圖

2 同層云的云高數據分析

為了更好地比較2臺設備云底高度的一致性,按照同層云篩選方法統計可得,C12和CL51探測到同一層云的有效樣本時長共計43,160 min,圖2為2臺設備觀測同層云云底高度散點圖,圖中直線為樣本點的擬合線,圖中顯示2臺設備的相關系數R2達到0.955,相關度較高,二者云底高度一致性較好。

圖2 C12和CL51觀測同層云云底高度散點圖

文章選取2組激光云高儀采樣的43,160個數據點進行對比,按照云層高度劃分,進一步統計了低云、中云、高云的平均云底高(表1)。由表1可知,C12在各云層高度上觀測到的云底高度結果均小于CL51,且二者差異隨著云層高度的增加而增大,在高云上二者平均云底高差異達到最大,C12和CL51觀測到的云平均云底高度分別為5774 m和6628 m,相差854 m。綜上所述,2種設備在云底高度觀測性能方面,低云觀測結果基本一致,而中高云云底高度觀測結果的一致性較差,差異均超過500 m;C12觀測的云底高度結果明顯低于CL51,這可能與2種設備對云高邊界的判斷不同有關。

表1 C12和CL51平均云底高對比

3 云層識別個例分析

利用C12與CL51的原始回波信號作S函數偽彩圖,由C12的S函數分析結果得出,2 km以下為氣溶膠層,00:00—09:00地面輻射冷卻增強,部分低空水汽凝結析出,貼地面形成霧,09:00后低空水汽上升,使得氣溶膠濃度增強,逐漸形成云。C12云高儀S函數分析結果顯示了氣溶膠演變成云的過程,并進一步通過S函數設定閾值初步識別云與氣溶膠,并在分析圖中標記輸出。2 km以上,在15:00—24:00時段觀測到了層云垂直結構信息,云層輪廓清晰,云底相對連續且起伏變化不大。由CL51云高儀S函數分析結果得出,1 km以下回波信號未檢測出任何有效信息,1 km以上分別觀測到氣溶膠形成的低云及4 km左右的層云結構。設備算法識別的云高結果顯示CL51未檢測出云底高度,出現云檢測算法漏判的情況。

利用南京市氣象局L波段探空數據進一步驗證分析,作溫濕廓線,采用相對濕度閾值法判斷在3～5 km處確實有云存在[11]。由于L波段探空氣球施放地位于激光云高儀試驗基地西北方向,相距約10 km,根據探空氣球漂移情況分析,當探空氣球上升到4 km左右時,水平向東漂移約為1.5 km,僅將探空反演云層作為云層識別驗證。

經上述分析可知,CL51設備對弱小信號的檢出率較低,且存在明顯的漏判現象,云檢測算法還有待提高;C12云高儀探測靈敏度較高,對弱小信號的檢出率較高,可探測近地面氣溶膠層細小粒子,反映其內部垂直結構的特征演變信息[12]。

4 云底邊界個例分析

針對C12云底高度觀測結果比CL51觀測結果偏低的現象,首先考慮云底邊界閾值的判定,S函數閾值的選取與云層邊界的確定及氣溶膠層云與云層的劃分相關。為進一步確定云底高度觀測結果的差異,從上述統計樣本中分別挑選低、中、高云樣本代表性個例進行云底高度邊界的分析。

分析2019-09-15 C12和CL51激光云高儀距離矯正信號(S函數)強度隨時間、高度變化偽彩圖以及所示云底高度邊界可知,00:00—05:00時段500 m以下近地面水汽含量較高,空氣濕度較大,500 m以上觀測到濃積云,云底高度逐漸減小,向下發展增加低空水汽含量,至05:00左右形成降雨。05:40左右,低空水汽向上抬升,云層向上穩定發展,但云底邊界并不明顯,直至11:00左右與下方的氣溶膠層邊界逐漸分割,上方形成云底高度在1500 m左右的層云。CL51給出的云底高度處于云粒子后向散射強消光位置,而C12給出的云底高度位于云層邊界,兩種設備對云底高度的判定方法有明顯差異。按照云粒子后向散射強度峰值位置確定云底高度,發現此時云底高度位于S函數強消光位置。結合廓線后向散射云高邊界識別與云底高度對比曲線,調整S函數閾值后的C12云底高度與CL51云底高度更為接近,相關系數R2由原來的0.912變為0.973,標準差(以CL51作為標準,計算C12相對誤差的標準差)由原來的0.183降至0.166(表2),反映出C12選取S函數強消光位置作為云底高度與CL51給出的云底高度一致性更好,誤差更小。

表2 樣本個例C12云底邊界閾值調整前后相關性與標準差

分析2019-10-18(高層樣本個例)和2019-11-07(中層樣本個例)C12和CL51激光云高儀距離矯正信號(S函數)強度隨時間和高度變化偽彩圖以及所示云底高度邊界可知,11:00前,高空中有一層云底高度在5000～6000 m、云體均勻成層的卷層云,12:00—17:00時段2000 m處,氣溶膠層頂消光強度增強,部分氣溶膠成云。調整S函數閾值后,C12云底高度比原云底高度平均提高了約573 m,與CL51云底高度幾乎一致,對應較好,這與層云云體結構有關。11:00前4000 m左右有一層連續高積云,云體厚薄不一,輪廓分明,11:00以后演變成稀疏松散的卷云。C12云底高度包裹云層邊界良好,CL51云底高度處于云回波中心。將C12云底高度調整至云回波中心后,云底高度曲線位于C12原云底高度和CL51云底高度曲線之間,比較散碎,整體對應關系不如層云結構云體。調整閾值后的C12與CL51云底高度相關性指標仍然比調整前高,再次反映出C12與CL51在云底高度邊界判定方法上的差異;調整閾值后的C12與CL51云底高度標準差指標略增大,說明相對誤差的離散程度增大,2種設備單條廓線后向散射強度有細微差異,這可能與設備激光脈沖能量相關。

5 結束語

文章對2019-09-06/11-28 Vaisala CL51型和JHBLC12型激光云高儀的測云資料進行對比分析,得出結論:

1)C12設備探測靈敏度高,對弱小信號的檢出率較高,CL51對弱小信號檢出率較低,這是造成二者云觀測結果不一致的直接原因。CL51可能出現明顯的連續漏判,在云檢測算法上還有待改進。

2)2種設備在云底高度觀測性能方面,整體數據一致性較好,相關系數R2高達0.955,尤其低云觀測結果基本一致。中高層云底高度觀測結果的一致性略差,差異均超過500 m。C12的云底高度觀測結果明顯低于CL51,這可能與兩種設備對云底高度邊界的判定有關。

3)在S函數分析上,2種設備的S函數圖形云層結構信息基本一致,CL51-S函數圖形把近地面氣溶膠層濾波處理掉,只保留云層信息,而C12-S函數圖形能清晰地看出從地面到高空氣溶膠和云層的垂直結構分布及時空演變過程,有利于開展監測和追蹤大氣邊界層的研究。

4)通過分析3個不同云層高度的樣本個例,可以得出C12和CL51對氣溶膠層和云層邊界劃分閾值的選取不同,CL51選取云的峰值位置作為云底,這使得云底高度已在云回波內;C12選取云回波上升起點作為云底高度的判斷依據。調整C12云層邊界選取閾值后,C12給出的云底高度與CL51給出的云底高度一致性較好,層云相關性高達0.991。

綜上所述,C12激光云高儀在設備探測性能、云底高度觀測性能及云底邊界判定等方面優勢較為突出,在弱小信號檢出率算法上優于CL51。