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。     

激光雷达观测珠海市云底高度研究

年6月20日～7月20日, 利用中国海洋大学研制 的车载多普勒激光雷达系统在珠海市国家气候观象台(N22° 4’,E113°12’)进行了大气观测实验,探测垂直高度范围为0.3～20.0〖JP ＋ 2〗km,共获得有效垂直探测数据56组。根 据激光雷达回波信号特点,以微分零交叉法为基础,通过在反演云底过程中设置3种阈值和 相邻云层间大气 的洁净程度决定是否融合为同一层等措施改进算法。最后,对不同时刻、代表不同光学特性 的回波廓线进行了 反演,反演的云底高度最小值和最大值分别为0.55km和13. 51km 。结果表明,本文算法能够实现较为准确的云底探测,报告精度为10m ,具有良好的应用前景。     

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。     

测风激光雷达应用于机场能见度及云底高探测

直接探测多普勒测风激光雷达通过探测大气后向散射信号的多普勒频移来反演风速。分析了上述后向散射信号在大气能见度和云底高探测上应用的可行性。选择了Klett方法反演大气能见度,并设计了分段计算云底高的流程。根据上述算法编写了反演程序并对激光雷达数据进行处理。与外场观测记录对比,得出了反演结果与目测基本吻合的结论。     

那曲夏季云宏观特征的毫米波雷达资料研究

为提高毫米波雷达对高原地区云宏观参数的观测能力,提出一种改进的反演方法,对比了该方法结果与激光云高仪(CL31)、Himawari-8卫星(HW8)观测结果的差异,并研究了那曲夏季空中云宏观参数的垂直分布和日变化特征.结果表明,提出的方法可以改善以往云边界检测法的云层错位和距离旁瓣回波影响的不足.雷达反演的云底比CL3...     

FY-4A卫星云底高度预测算法

云底高度是重要的云物理参数。由于被动遥感卫星无法精确获取云底信息,结合主动被动遥感卫星的各自优势预测FY-4A卫星云底高度,针对多层云和卷云的云底高度预测精度不足,同时加入ERA5气象数据。引入基于树结构概率密度估计贝叶斯优化算法优化XGBoost模型,实现FY-4A云底高度预测,并与其他方法比较。结果表明,此算法优化的XGBoost模型可实现高维度、多超参数全局快速寻优,且在加入气象数据后,多层云和卷云的云底高度预测精度提升较大。     

基于随机森林算法的FY-4A云底高度估计方法

基于2017年8月至10月FY-4A的云顶高度、云光学性质等上游产品和A-Train系列卫星星载毫米波雷达和激光雷达主动探测的云底高度资料,利用随机森林算法建模,提出了FY-4A对最上层云云底高度的估计算法,并用2017年11月独立样本对算法进行了检验与评估.结果表明,该算法可以有效实现对最上层云云底高度的估计,与星载主动探测结果相比,平均绝对偏差为1. 29 km,相关系数为0. 80.对单层云的估计结果相对较好,而多层云存在时云底高度的估计结果一般偏小.     

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。     

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。     

激光云高仪控制器的设计

云高测量有多种方法,采用激光技术实时观测云高是发展的方向,国内外也已经有了激光云高仪（计）的样机或初级产品。从实用要求上看,激光云高仪需在野外环境全天候自动连续运行,而目前的产品在环境适应、工作稳定、自动化程度、数据的可靠性以及体积、能耗、成本等诸多问题还需要努力优化和改进。对其中的核心技术单元——激光云高仪控制器进行了全新的技术开发,使上述问题得到了综合性改进。介绍了激光云高仪控制器的总体结构和初步技术参数,并简述了其数据采集与处理,数据显示与存储,自控过程和软件部分。     

可见光/红外全天空成像仪和云雷达联合反演云高

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8～14μm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。     

基于NOAA16-AVHRR数据反演中纬度陆地上空云类型及云顶高度信息

以NOAA16-AVHRR数据为数据源,使用分裂窗技术反演得到云类型信息.根据11 μm通道亮温图与分裂窗通道(11 μm和12μm通道)之间的亮温差值图构建二维直方图.通过选择合适的直方图阈值,保证了所反演的中纬度陆地上空云类型信息的有效性.根据大气垂直温度数据,分析11 μm通道亮温图,获得中纬度陆地上空云顶高度信息.通过相隔大约10 km的两台便携式全自动激光雷达(PAL)系统获得同步云信息数据.将卫星反演结果与PAL的双点观测结果进行比较,其结果显示出很好的一致性.     

基于SOM聚类的台风云型模式发现

Dvorak等人提出的基于卫星云图的云型和云系特征的热带气旋强度估计方法已被世界气象组织推荐给全球使用.本文尝试从历史数据中自动发现典型的云型模式,实现Dvorak模板图像的自动选取、匹配和识别.采用SOM对12000多幅红外云图进行聚类,采用提出的局部统计信息等特征,分析了某些距离作为相似性度量存在而只能发现球形簇的缺点;对不同的特征和相似性度量进行了对比试验,并分析了SOM拓扑误差和量化误差.从实验结果可以看出,局部熵特征有着最小的量化误差,但聚类准确度较低.原始图像作为输入特征时,有着较高的聚类准确度及拓扑保持度.局部统计信息特征比局部熵特征量化误差大,但有着更高的聚类准确度.这些结论为采用无监督聚类方法来发现云型模式并找到最佳的特征和较好的相似性度量以取得更好的结果提供了重要的参考,也有助于避免目前云图自动化分析研究中对特征和度量选取的随意性.     

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.     

珠海2009年夏季激光雷达探测大气边界层高度数据处理

2009年6月20日~7月20日,中国海洋大学利用研制的可移式多普勒激光雷达系统在珠海市国家气候观象台（N22º 4’54”,E113º 12’50”）进行了为期一月的大气观测实验。报道了可移式多普勒激光雷达系统及观测实验,介绍了大气边界层高度检测原理及应用。利用一阶导数方法,对该系统实测数据进行了大气边界层高度检测和分析,讨论了有云存在时如何同时检测云高和大气边界层高度问题。实验结果表明,该区域和时间周期内的大气边界层高度范围在0.3~1.2km之间,平均高度为0.66km。     

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。