全天空红外云探测在航空气象中的应用

利用合肥新桥机场温湿度、云高、能见度以及全天空云图仪数据资料, 分析了 2019 年 7 月至 2020 年 4 月机 场上空各类云的红外特征以及云、雾演变规律。结果表明: (1) 在云判别上, 云底高度越高, 红外云图上表现亮度越暗, 反之亦然。且不同类型的云具有各自独有的红外特征。 (2) 不同高度的波状云最大云块平均最短直径表现为层积云云 块是高积云的 2∼4 倍, 高积云是卷积云的 2∼4 倍。碎层云主要呈现出团状, 具有蓬松棉花状结构; 而碎雨云相对破碎, 一般为烟带状或散片状。 (3) 云与雾有明确的转化过程。辐射雾一般发生在云层刚散开期间, 天空至少一半为晴空的 时段, 且雾逐步抬升为云, 并持续消散。当天空形成不均匀缺口, 表明雾开始消散, 其可作为能见度迅速回升的一个重 要指标。非对流降水云层演变呈现出云高由高到低, 云层由分散纹理状变为均匀层状, 降水前期均会出现“均匀层状”, 地面相对湿度呈现出陡增现象。     

主被动结合的云激光雷达测量系统数据融合分析

云高、云量的自动化仪器定量观测对于气象业务非常重要,不同数据的有效融合分析对于气象业务来说意义重大。云测量系统硬件上集成了激光云高仪、全天空成像仪探测模块,使得云高、云量的观测数据在时间、地点上高度统一,结合激光云高仪的剖面数据和全天空成像仪的云二维分布数据做了初步融合分析,进行精确的云高判别、云量反演与云种分类研究。通过数据融合,利用全天空图像可以消除了云高仪在雾霾天气下对云底的误判,同时利用云高数据可以估计全天空云的空间分布而对云进行了更精确的分类。实际上,将云高、云量数据融合分析是气象业务观测的发展方向。     

用于反演云底高度的峰值面积积分算法

反演云底高度是激光云高仪最重要的应用之一,而找到一种能够有效反演不同类型云的云底高度算法是激光云高仪测云的关键。对于厚度比较大的云层测量可根据信号强度和脉冲宽度不同于噪声和气溶胶信号将其分选出来,而薄云的测量往往由于信号强度弱、脉冲宽度小而被忽略掉,为此提出了一种峰值面积积分算法反演云底高度。该算法通过对云回波信号进行面积积分,叠加放大信号中的云层信息,以峰值和面积积分值作为判断准则,通过选取合适的阈值,将云层与噪声、气溶胶区分开来,进而反演出云底高度。经实验验证表明,该算法能可靠地反演半导体激光云高仪探测范围内不同类型云的云底高度。     

云参数对AIRS亮温模拟计算的影响试验

由于云污染对大气红外遥感的严重干扰,大量红外资料遭到了舍弃。为 了充分同化红外资料,提高初始场精度和改善数值预报效果,利用通用辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM) 模拟了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温,并分析了云类型、云层含水量、云厚度和云顶高度等云参数对AIRS亮温的 影响。结果表明：(1)由于云层对红外辐射的截断作用,只有高于云顶的大气才会对辐射亮温产 生影响;(2)随着云层积分含水量的增加,亮温逐渐减小,但其减速放缓,直至不变;有效半径较 大的粒子对辐射的散射作用较强,相应亮温较小;(3)若云顶高度固定不变,云厚度的变化 则不会对亮温产生影响;若云底高度固定不变,云层越厚,相应的亮温越小;(4)地面通道亮温 对云顶高度的变化比较敏感,云顶以上通道的亮温不受云顶高度变化的影响。     

云底高度的激光云高仪、红外测云仪以及云雷达观测比对分析

为了比较几种自动化测云仪器的性能,中国气象局气象探测中心在南京信息工程大学的气象探测基地首次组织了一次为期近5个月的比对试验,试验仪器包括四台激光云高仪、两部红外测云仪、一台全天空成像仪以及一部毫米波云雷达。对其中大部分仪器取得的三个月云底高度数据进行了初步的分析,结果表明：三台激光云高仪测量结果比较一致;两部红外测云仪在测量低云时一致性稍差;云雷达与激光云高仪测量的最低层云底高度数据一致性较差,但与红外测云仪的测量结果匹配较好。     

夜间天空背景及云层红外辐射测量分析

采用中波、长波红外热像仪对夜间无云天空背景及云层背景红外辐射亮度进行了测量。无云天空背景中波波段辐射亮度在0.58~1.30 W·m-2·sr-1,长波波段辐射亮度在6.61~15.29 W·m-2·sr-1。由于夜间条件下无太阳辐射影响,相同俯仰观测角条件下,0°~360°各个方向天空背景辐射亮度基本一致。从无云区到有云区,随着云层厚度的增加,其辐射亮度逐渐增大。相对于无云背景,中波波段云层中心辐射亮度增加了1.5%,长波波段云层中心辐射亮度增加了14.2%,长波波段云层对天空背景辐射影响更加显著。     

利用新型经验函数模拟云底亮温及误差分析

Stephen在2008年提出了一种新型亮温经验函数,为反演云底高提供了一种无需计算大气中实时水汽含量的新方法.利用SBDART模式和Stephen亮温函数比较系统地研究了不同天顶角、水汽、云、气溶胶、能见度等气象要素条件下,云底红外亮温Tb随天顶角的变化情况,并对其进行误差分析.模拟结果显示,水汽、云、天顶角及能见度小于5 km时对Tb影响较大,不同气象要素条件下,Stephen亮温函数模拟的云底亮温与SBDART模拟结果相近,所以,采用Stephen亮温函数模拟云底亮温具有可行性.     

全天空红外测云系统辐射传感器的替代定标

为了实现全天空红外测云系统辐射传感器业务运行过程中的定标,提出了一种以晴空辐射为标准辐射场的替代定标方法.根据SBDART辐射传输模式计算出的晴空大气向下红外辐射以及辐射传感器对天空观测的输出量化值,利用线性回归方法确定出传感器全场各像元的响应率和偏移量.定标结果分析表明,响应率不确定度为2.03 DN unit/(W·m-2·sr-1),偏移量具有明显的正态分布特征,为空间随机噪声.标准黑体检验表明温度反演平均误差不超过±1.5℃,能够满足系统定量化应用的要求.     

激光雷达探测合肥云层高度方法研究及分析

为了通过雷达回波信号廓线图准确确定云底、云峰、云顶高度,采用微分识别法着重分析了多峰时如何判别单层云和多层云,介绍了雷达结构系统,讨论了2008年5月期间合肥地区云层的高度、厚度、光学厚度的激光雷达探测结果,并进行了理论分析和实验验证。为验证方法的可行性,将雷达和芬兰Vaisala云高仪(探测距离0km～7km)对准同一片云,取得了实测数据,并进行了对比分析。结果表明,用微分法所得云高数据与Vaisala在7km以下较吻合,7km以上所测的卷云和SAGEⅡ所测的卷云高度基本一致,且实验所测合肥上空的高层卷云基本上都是薄卷云,云峰主要分布在9km～12km范围之内。这一结果对以后研究云层高度反演、并与卫星数据进行校验对比是有帮助的。     

探测天顶角与太阳天顶角对卫星红外探测的影响

为了分析不同探测环境对卫星红外探测的影响,推导了倾斜探测路径下目标与背景在探测器入瞳处的辐照度对比度计算公式。计算了目标在海天背景下不同温度、不同高度、不同太阳天顶角、不同探测天顶角条件下,目标与背景在0.75~14μm波段的红外单色辐射照度对比度。分析指出:太阳天顶角对红外探测的影响主要在2.7μm以下波段,探测波长大于2.7μm可不考虑太阳的影响。目标在5 km以下、探测天顶角在60°以上继续增加时,探测波段变窄,不可探频段增宽;目标在10km以上,探测天顶角变化对探测影响很小。这些结论可用于指导卫星红外探测波段选择与探测结果分析。     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for (A)TOVS, RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

红外高光谱资料云检测方法研究

从红外高光谱资料的特点和应用现状出发,通过用晴空时观测光谱和背景光谱偏差矢量最小原理研究了特定云状下不同云量、云高和云水含量对观测光谱的影响,提出了一种新的红外高光谱资料云检测方法。从云污染视场中检测出不受云影响的通道,并用通过辐射传输模式(Radiative Transfer for(A)TOVS,RTTOV)模拟的大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)资料和实测数据进行了方法可行性和有效性验证。结果表明,该方法能有效地提高云污染区域红外高光谱资料的利用率,可为有云覆盖情况下的大气参数反演提供有效途径。     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

双成像云底高测量系统的研究

云天自动化观测是气象业务发展必然的趋势。现有的云自动化观测仪器,价格昂贵,测量精度差,很难满足气象业务发展的要求,基于双目成像原理的可见光成像测云高和红外成像测云高相结合方案能够很好的解决白天和夜间云高的测量,本文分析了系统作用距离,给出了作用距离、目标辐射温差和大气影响因素三者之间的关系,并与现有云高测量设备进行了对比分析,通过试验实现了云底高的测量。     

地基大气背景红外光谱辐射特性测量

用傅里叶变换红外光谱辐射计(FTIR)在地面测量了较高分辨率(1 cm-1)下的大气向下背景光谱辐射,获得了长波红外5~14μm波段的大气背景辐射光谱。研究了大气背景红外光谱辐射与整层大气透过率的关系。从实验数据中研究了不同波段大气背景辐射随观测天顶角的变化。结果表明:地基大气向下的长波背景辐射亮温随着整层大气透过率的增大而减小;大气背景辐射随观测天顶角增大而增大;在大气窗口区,大气背景辐射随观测天顶角变化较快,在强吸收波段,大气背景辐射随观测天顶角几乎不变化。     

地基35 GHz测云雷达回波强度的衰减订正研究

为了订正大气和云对毫米波雷达信号的衰减,选取了层状云、降水性层状云及对流云个例,进行了衰减订正试验.根据雷达反射率因子Z与衰减系数k的经验关系,采用分级逐库订正法进行订正.结果表明,对于回波强度比较弱的层状云来说,订正后数据可靠性较高; 对于降水回波来说,雨水及传播路径中的丰富水汽都会造成毫米波信号的严重衰减,因此降水云的衰减订正难度大.经过订正后,虽然还存在误差,但对毫米波雷达数据的质量有明显改善.