地基遥感垂直观测系统在气象观测业务中的应用

李厚霖

（甘肃省气象信息与技术装备保障中心，甘肃 兰州 730020）

0 引言

气象影响着人们的生活出行，同时也与社会的建设与发展息息相关。近年来，我国每年因自然灾害造成的生命财产损失中，气象灾害占比越来越高［1］。因此，对实时性的灾害天气进行监测，发布气象灾害预警信息［2］，提升防灾减灾能力成为研究热点［3］。科技进步带动着气象探测领域技术的发展，如今各类新型气象仪器被推向市场［4］，尽管采用的探测原理各不相同，但都以光电传感器作为基础。

目前，我国的探测体系主要以自动气象站和新一代天气雷达为主［5］。自动气象站只能获取到近地面的温湿度、风向风速等有限的气象数据［6］。新一代天气雷达由于静锥区的存在，无法获取到正上方不同高度的气象数据信息，且新一代天气雷达可获取的信息种类较少，一般为反射率因子与径向速度等元数据［7］。两者都存在一定的局限性。立足气象防汛减灾服务保障薄弱环节，为提高我国大气温、湿、风、水凝物和气溶胶等气象要素的垂直精细化监测能力，需要一套能够全方位探测目标区域多种气象要素的观测系统。地基遥感垂直气象观测能够通过主动或者被动遥感方式，对地面上方一定范围内大气热力和动力状态（温度、湿度、风、水凝物、气溶胶等）的变化过程进行系统性、连续性综合观测，从而有效弥补了自动气象站和新一代天气雷达的短板。

1 地基遥感垂直观测系统概述

目前我国多地建设的地基遥感垂直观测系统主要由5 种设备组成，分别是：毫米波测云雷达、微波辐射计、风廓线雷达、气溶胶激光雷达和GNSS∕MET，此外还包括与之配套的地基遥感垂直廓线集成系统和辅助设备，组成结构如图1 所示。利用该系统可以开展温度、湿度、风、气溶胶、水凝物等大气热力学、动力学基本变量的垂直结构观测。包含但不限于：水平风速、水平风向、垂直风速、云反射率因子、云垂直速度、云速度谱宽、云高、云厚、云水相态、大气温度廓线、大气相对湿度廓线、大气水汽密度廓线、气溶胶消光系数、气溶胶后向散射系数、气溶胶光学厚度、污染物混合层高度、颗粒物浓度等17 项观测项目。由于是多设备组合观测，地基遥感垂直气象观测系统各设备同址安装，集中布设，便于设备供电和数据通信。为了兼顾各设备安装及观测维护需求，还应与地面气象观测站或高空气象观测站等同址布设。各设备与地面气象观测站控制区高度距离比、最小距离、距高空气象观测站放球点距离等应严格执行相关探测环境保护规范要求，不能影响原有观测业务。

图1 地基遥感垂直观测系统组成结构

2 地基遥感垂直观测系统构成

2.1 毫米波测云仪

我国的风云系列气象卫星可以提供实时的高清晰度的云图，但是卫星云图无法获得垂直方向云内物理特征、云低分布情况及高度信息。毫米波测云仪利用云雾和弱降水对电磁波的散射作用，通过对云发射Ka波段（一般为35.000 5 GHz）的电磁波束并接收雷达回波，获得反射率因子、速度、谱宽、信噪比、功率谱等数据，生成云底高、云顶高、云厚、云量、零度层亮带、液态水含量、粒子有效半径等二次产品，来了解云的特性。云的回波参数反映了云的宏观和微观结构，如回波顶的高度、回波的体积、面积等反映云的特征尺度，回波强度反映云中粒子的大小和密度，回波强度在时间和空间上的变化反映云内微物理过程的结构和演变特征。毫米波测云仪总体分为硬件系统和软件系统两部分，结构如图2所示。

图2 毫米波测云仪结构

2.2 微波辐射计

地基微波辐射计是一种无源微波遥感型的探测仪器，可以根据大气对于不同频率微波频段辐射吸收的差异，被动选择不同微波通道来探测大气的温度湿度的变化曲线，可以把它当作一个高分辨率、高灵敏度的微波辐射接收机。通常对大气在22.2～200 GHz 的频率带中的微波辐射进行测量。一般在22.2 GHz 附近和183 GHz 附近的特征表现认为是一个水汽谐振带，在60 GHz 附近的特征表现认为是大气氧气谐振带，而在此频率带中云液态水的发射光谱并无谐振，并近似与频率的二次方成正比。地基微波辐射计通过探测大气亮温，结合物理方法和统计方法建立反演，能长期、自动、连续提供地表上空0～10 km 范围内的温湿度廓线，进而计算得出大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等并生成多种气象应用产品。地基微波辐射计具备对中小尺度大气层结的精细探测能力，可作为常规高空观测的有益补充，满足气象业务和科研的实际使用需求。微波辐射计系统包括接收单元、内部定标单元、数据采集与系统控制管理单元、集成处理器和必要的辅助单元组成和辐射计的控制管理应用软件。其中，辅助单元包括外部液氮定标组件、防雨雾干燥组件、地面气象要素观测组件、时间同步组件、机体和支架等。微波辐射计结构如图3所示。

2.3 气溶胶激光雷达

激光雷达是传统的无线电雷达技术与现代激光光源相结合的产物。气象探测激光雷达是以激光作为光源，通过遥感激光与大气相互作用产生的回波信号来反演气象参数的光电设备。激光在大气介质中传输时，会发生瑞利散射、米散射、拉曼散射、吸收、共振、荧光效应、多普勒频移等多种效应。瑞利散射与米散射属于弹性散射过程，散射波长与入射波长相同，而拉曼散射为非弹性散射过程，散射波长与入射波长不同。目前建设的气溶胶激光雷达多以355 nm、532 nm 和1 064 nm 等3 个波长为光源，通过瑞利散射、米散射、拉曼散射、吸收等与大气相互作用，产生8种回波信号来反演大气参数［8］。获取分钟级的后向散射系数、消光系数等基本观测产品，以及光学厚度、垂直能见度、混合层高度、颗粒物浓度等二级产品，能够实时监测气溶胶浓度、颗粒物分布。一般也称作三波长八通道型气溶胶激光雷达，主要由激光发射分系统、接收分系统、光电转换和数据采集分系统、电源分系统、综合控制分系统和环控分系统等组成，如图4所示。

2.4 风廓线雷达

目前风廓线雷达主要工作在L 波段，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行风场测量。大气动力和热力状态分布不均是大气湍流的主要成因［9］。大气湍流的随机运动使风、温度、湿度、气压、折射率等各类要素场呈现脉动特征。当风廓线雷达向大气层发射L 波段的电磁波束时，由于湍流脉动使大气折射率产生相应的涨落，雷达发射的电磁波信号将被散射，其中的后向散射部分将产生一定功率的回波信号。根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电磁波能产生有效后向散射的湍流涡旋尺度等于雷达波长的一半，且雷达波长需要选择在满足均匀、各向同性湍流的惯性副区内。

为减小单一波束测量带来的误差，现有的大部分风廓线雷达采用五个波束发射模式，如图5 所示。五个波束指向一般是一个垂直指向波束（也称为天顶波束），四个倾斜指向波束。四个倾斜波束一般在天顶波束的正东、正西、正南、正北四个方向，倾斜波束与天顶波束夹角一般在15°左右，当夹角过小时，两个波束的测量区域会高度重合，可能导致测量数据之间存在分歧；而当夹角过大时，两波束测量区域的相似性大大降低，数据之间不存在相关性。当风廓线雷达沿某一波束方向探测时，首先依据信号返回的时间不同进行距离库划分，由此确定上方大气回波的位置；再利用频谱分析的方法来提取每个距离库上的平均回波功率、风的径向速度、速度谱宽和探测区域内信噪比等气象信息。完成一个探测扫描周期以后，便获得了沿不同波束方向、不同距离库上的基础数据。通过对一个探测扫描周期内获取的基础数据，进行进一步分析处理，就可以得到包括风廓线风羽图在内的多种气象资料。

风廓线雷达的发射功率，以及大气折射率、湍流能量等决定了雷达的最大探测高度。风廓线雷达的回波信号较弱，且随着高度的增加，能够探测到的反射率迅速减小。一般降水粒子对10 cm 波长（也就是S 波段新一代多普勒天气雷达）雷达信号的反射率是10-11～10-8m-1；而对风廓线雷达来说，对流层上部晴空天气情况下比较常见的大气对雷达信号的反射率为10-19～10-16m-1。因此极强的弱信号检测能力是对风廓线雷达的基本要求。

2.5 GNSS∕MET

导航卫星的信号自上而下穿越大气层时，受到对流层的影响发生折射，导致传播路径弯曲并产生了信号延时。在气象学中，利用折射量可以推算出大气折射率，通过折射率与温度、气压和水汽等多种参量之间的函数关系，可以估算出大气层中的水分分布情况。GNSS∕MET 正是利用这个原理持续接收卫星信号并解析计算，基于直射信号可以探测大气上方电离层中电子浓度，基于反射信号可以探测地表土壤湿度、积雪深度、植被含水量、大气中水汽含量与分布等信息，且具有全天候、高精度、高时空分辨率、自校准和低成本等优点。GNSS∕MET 一般由室内设备和室外设备组成，主要包括墩标、GNSS 天线、通信线缆、防电涌设备、UPS、GNSS接收机等。

2.6 垂直廓线集成系统

地基遥感垂直廓线集成系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件部分包含数据交换模块、系统融合处理分机模块、视频监控分机模块、环境分机模块、短信模块等，整体构造采用模块化设计，各模块之间独立运行、互不干扰。支持多种气象观测设备及附属设备接口类型，满足数据传输要求，传输稳定。系统通过数据交换模块获取毫米波测云仪、地基微波辐射计、风廓线雷达、GNSS∕MET、气溶胶激光观测雷达的数据，完成数据的传输、存储及融合处理；融合处理后数据通过数据交换模块传输至业务系统及数据中心。地基遥感垂直廓线集成系统结构如图6 所示。

图6 地基遥感垂直廓线集成系统结构

3 地基遥感垂直观测系统在业务中的应用

位于甘肃省酒泉市的地基遥感垂直观测系统于2021 年进行了设计规划，2022 年5 月相关设备运抵酒泉国家基准气候站并于9 月初完成了安装测试，开始试运行。在此期间，笔者参与了安装测试与验收，并从试运行至今负责系统建设的维护与评估。试运行期间，酒泉市气象局利用地基遥感垂直观测系统，多次对酒泉市内的对流天气风场和大气湍流特征进行了追踪，结果表明该系统对中小尺度对流系统发展研判和强天气预警能力明显提升。

地基遥感垂直观测系统的建立实现了区域内多要素全天候立体化监测，弥补城市气象观测的不足。可以获得城市大气边界层内热动力状态及演变过程，提高城市上空对流云和降水触发演变规律及城市“雨岛效应“机理研究能力，提升城市局地强降水监测预警能力。此外，该系统改善数值模式初值场，获取精细化、多维度、多参数的初始场，为暴雨洪涝、大风沙尘等灾害天气预警提供更有效监测，为交通、旅游、文物保护等专业气象服务产品的研发和改进提供更翔实的数据支撑。该系统还有助于提高祁连山边坡地带风场、水汽环流、云降水形成及边界层污染机理研究能力，增加了干旱半干旱地区气候变化研究手段，助力了祁连山生态保护和修复工作。

4 结语

地基遥感垂直观测系统弥补了气象探测业务中的短板，为天气分析、数值预报、环境监测、云微物理研究和人工影响天气等领域提供重要的基础支撑。虽然该系统目前还存在探测区域有限，数据过于庞大且质量控制不及时等不足，但随着全国布网的开展和新技术的发展，将来一定能够为精细化数值预报和人工影响天气作业提供强有力的支撑。