激光云高仪云底高度对比及边界分析

赵 静,顾桃峰,吴 宜,吴 昊,岳海燕

(1.北京聚恒博联科技有限公司,北京 100081;2.广州市突发事件预警信息发布中心,广州 511430;3.中国气象局气象干部培训学院湖南分院,长沙 410125;4.成都信息工程大学电子工程学院,成都 610225;5.广州市气象台,广州 511430)

0 引言

研究表明云的变化对大气能量分配、水汽循环变化及辐射能量分布等有着重大影响,尤其是云底高度与云的辐射强迫效应有密切关系。非黑体高云对太阳辐射的透射和云体红外辐射在对流层和平流层低层引起增暖效应,而中低云由于较强的反射对大气和地表产生显著的冷却作用[1-2]。

近年来,云底高度观测技术多种多样且趋于成熟,主要包括激光云高仪、红外测云仪、毫米波云雷达等。其中激光云高仪和毫米波云雷达可以精确地获取高时空分辨力的云的水平结构、垂直结构和云底高度,是非常有效的探测工具[3]。但在仪器应用方面,毫米波云雷达因受各种因素制约,还未在各气象台站中被普遍应用。而激光云高仪体积小、成本低、技术成熟、性价比高,是目前常用的一种自动化观测仪器[4-5]。

在仪器性能方面,不少科研人员对激光云高仪进行了研究。黄兴友等[6]对4台激光云高仪(CL31,CL51,CYY-2B和中国科学院)、2部红外测云仪(SIRIS,ZXD03)、1台全天空成像仪及1部毫米波云雷达的观测数据进行了对比分析,得出不同型号激光云高仪的观测结果存在一定的差异,反映了不同仪器的反演算法和阈值设置的差异。李肖霞等[7]对4个厂家共5种型号的15台激光云高仪的观测数据进行了云高准确性的定量分析,得出不同型号的激光云高仪均存在漏判和误判现象,且各仪器之间差异较大。

文章利用国防科技大学提供的Vaisala CL51和JHBL C12型激光云高仪2019-09-06/11-28共74 d的南京观测数据,对2种设备云底高度探测性能进行分析,结合S函数,分析各设备在云底高度边界的判定及阈值设定方面的差异,并初步得出结论。

1 设备资料与方法

1.1 设备简介

CL51型激光云高仪是(简称“CL51”)基于激光雷达技术研制而成的,广泛应用于边界层和云层的自动化探测,垂直指向,云高最小分辨力为10 m,中心波长为910 nm,激光发射重复频率为6.5 kHz,最大探测距离为15 km,时间分辨力为15 s;C12型激光云高仪(简称“C12”)垂直指向,云高最小分辨力为5 m,中心波长为905 nm,激光发射重复频率为2.5 kHz,探测范围为15 m～12 km,时间分辨力为1 min。2台设备均处于同一试验观测场内,相距大约20 m,观测结果可视为同一目标结果。

1.2 同层云筛选方法

文章所使用的数据为激光云高仪后向散射回波信号原始廓线数据及设备输出的云底高度观测结果,为方便云底高度的统计分析,规定时间一致性以选取低时间分辨力为基准,即1 min。

通过人工筛选确定同层云的共同有效样本,选取步骤为:计算2台设备云高数据的绝对误差,以CL51为筛选标准,以云的层次高度为分类标准进行划分,若CL51观测云底高度<2500 m且2台设备|云高绝对误差|<1000 m,或2500 m4500 m且2台设备|云高绝对误差|<3000 m,则视为同一层云,记为有效样本[8]。

1.3 云底边界确定方法

1.3.1 气溶胶层与云层识别方法

根据激光雷达原理,云高仪接收到来自不同高度的回波信号可表示为:

(1)

Sz=ln(z2Pz/Oz)

(2)

S函数可以反映地面至云层之间雾、霾、降水等引起视程障碍的气溶胶层粒子强弱变化以及云层边界和内部回波强弱等重要信息。理论上可以通过设定S函数阈值标准来初步区分气溶胶与云层,但大气层结构复杂多变,受到温度、太阳辐射和风速等因素的影响,还需做大量的试验来进一步确定云层边界。

1.3.2 云底边界的检测方法

图1 微分零交叉法示意图

2 同层云的云高数据分析

为了更好地比较2台设备云底高度的一致性,按照同层云筛选方法统计可得,C12和CL51探测到同一层云的有效样本时长共计43,160 min,图2为2台设备观测同层云云底高度散点图,图中直线为样本点的拟合线,图中显示2台设备的相关系数R2达到0.955,相关度较高,二者云底高度一致性较好。

图2 C12和CL51观测同层云云底高度散点图

文章选取2组激光云高仪采样的43,160个数据点进行对比,按照云层高度划分,进一步统计了低云、中云、高云的平均云底高(表1)。由表1可知,C12在各云层高度上观测到的云底高度结果均小于CL51,且二者差异随着云层高度的增加而增大,在高云上二者平均云底高差异达到最大,C12和CL51观测到的云平均云底高度分别为5774 m和6628 m,相差854 m。综上所述,2种设备在云底高度观测性能方面,低云观测结果基本一致,而中高云云底高度观测结果的一致性较差,差异均超过500 m;C12观测的云底高度结果明显低于CL51,这可能与2种设备对云高边界的判断不同有关。

表1 C12和CL51平均云底高对比

3 云层识别个例分析

利用C12与CL51的原始回波信号作S函数伪彩图,由C12的S函数分析结果得出,2 km以下为气溶胶层,00:00—09:00地面辐射冷却增强,部分低空水汽凝结析出,贴地面形成雾,09:00后低空水汽上升,使得气溶胶浓度增强,逐渐形成云。C12云高仪S函数分析结果显示了气溶胶演变成云的过程,并进一步通过S函数设定阈值初步识别云与气溶胶,并在分析图中标记输出。2 km以上,在15:00—24:00时段观测到了层云垂直结构信息,云层轮廓清晰,云底相对连续且起伏变化不大。由CL51云高仪S函数分析结果得出,1 km以下回波信号未检测出任何有效信息,1 km以上分别观测到气溶胶形成的低云及4 km左右的层云结构。设备算法识别的云高结果显示CL51未检测出云底高度,出现云检测算法漏判的情况。

利用南京市气象局L波段探空数据进一步验证分析,作温湿廓线,采用相对湿度阈值法判断在3～5 km处确实有云存在[11]。由于L波段探空气球施放地位于激光云高仪试验基地西北方向,相距约10 km,根据探空气球漂移情况分析,当探空气球上升到4 km左右时,水平向东漂移约为1.5 km,仅将探空反演云层作为云层识别验证。

经上述分析可知,CL51设备对弱小信号的检出率较低,且存在明显的漏判现象,云检测算法还有待提高;C12云高仪探测灵敏度较高,对弱小信号的检出率较高,可探测近地面气溶胶层细小粒子,反映其内部垂直结构的特征演变信息[12]。

4 云底边界个例分析

针对C12云底高度观测结果比CL51观测结果偏低的现象,首先考虑云底边界阈值的判定,S函数阈值的选取与云层边界的确定及气溶胶层云与云层的划分相关。为进一步确定云底高度观测结果的差异,从上述统计样本中分别挑选低、中、高云样本代表性个例进行云底高度边界的分析。

分析2019-09-15 C12和CL51激光云高仪距离矫正信号(S函数)强度随时间、高度变化伪彩图以及所示云底高度边界可知,00:00—05:00时段500 m以下近地面水汽含量较高,空气湿度较大,500 m以上观测到浓积云,云底高度逐渐减小,向下发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,云层向上稳定发展,但云底边界并不明显,直至11:00左右与下方的气溶胶层边界逐渐分割,上方形成云底高度在1500 m左右的层云。CL51给出的云底高度处于云粒子后向散射强消光位置,而C12给出的云底高度位于云层边界,两种设备对云底高度的判定方法有明显差异。按照云粒子后向散射强度峰值位置确定云底高度,发现此时云底高度位于S函数强消光位置。结合廓线后向散射云高边界识别与云底高度对比曲线,调整S函数阈值后的C12云底高度与CL51云底高度更为接近,相关系数R2由原来的0.912变为0.973,标准差(以CL51作为标准,计算C12相对误差的标准差)由原来的0.183降至0.166(表2),反映出C12选取S函数强消光位置作为云底高度与CL51给出的云底高度一致性更好,误差更小。

表2 样本个例C12云底边界阈值调整前后相关性与标准差

分析2019-10-18(高层样本个例)和2019-11-07(中层样本个例)C12和CL51激光云高仪距离矫正信号(S函数)强度随时间和高度变化伪彩图以及所示云底高度边界可知,11:00前,高空中有一层云底高度在5000～6000 m、云体均匀成层的卷层云,12:00—17:00时段2000 m处,气溶胶层顶消光强度增强,部分气溶胶成云。调整S函数阈值后,C12云底高度比原云底高度平均提高了约573 m,与CL51云底高度几乎一致,对应较好,这与层云云体结构有关。11:00前4000 m左右有一层连续高积云,云体厚薄不一,轮廓分明,11:00以后演变成稀疏松散的卷云。C12云底高度包裹云层边界良好,CL51云底高度处于云回波中心。将C12云底高度调整至云回波中心后,云底高度曲线位于C12原云底高度和CL51云底高度曲线之间,比较散碎,整体对应关系不如层云结构云体。调整阈值后的C12与CL51云底高度相关性指标仍然比调整前高,再次反映出C12与CL51在云底高度边界判定方法上的差异;调整阈值后的C12与CL51云底高度标准差指标略增大,说明相对误差的离散程度增大,2种设备单条廓线后向散射强度有细微差异,这可能与设备激光脉冲能量相关。

5 结束语

文章对2019-09-06/11-28 Vaisala CL51型和JHBLC12型激光云高仪的测云资料进行对比分析,得出结论:

1)C12设备探测灵敏度高,对弱小信号的检出率较高,CL51对弱小信号检出率较低,这是造成二者云观测结果不一致的直接原因。CL51可能出现明显的连续漏判,在云检测算法上还有待改进。

2)2种设备在云底高度观测性能方面,整体数据一致性较好,相关系数R2高达0.955,尤其低云观测结果基本一致。中高层云底高度观测结果的一致性略差,差异均超过500 m。C12的云底高度观测结果明显低于CL51,这可能与两种设备对云底高度边界的判定有关。

3)在S函数分析上,2种设备的S函数图形云层结构信息基本一致,CL51-S函数图形把近地面气溶胶层滤波处理掉,只保留云层信息,而C12-S函数图形能清晰地看出从地面到高空气溶胶和云层的垂直结构分布及时空演变过程,有利于开展监测和追踪大气边界层的研究。

4)通过分析3个不同云层高度的样本个例,可以得出C12和CL51对气溶胶层和云层边界划分阈值的选取不同,CL51选取云的峰值位置作为云底,这使得云底高度已在云回波内;C12选取云回波上升起点作为云底高度的判断依据。调整C12云层边界选取阈值后,C12给出的云底高度与CL51给出的云底高度一致性较好,层云相关性高达0.991。

综上所述,C12激光云高仪在设备探测性能、云底高度观测性能及云底边界判定等方面优势较为突出,在弱小信号检出率算法上优于CL51。