成都双流航空港云底高度及地表太阳辐射特征分析

云底高度是重要的云宏观物理参数,地表太阳辐射占据全球辐射平衡的重要地位。云底高度与太阳辐射的定量化研究有利于加深对气象的理解,进而改进精细化城市气象预报;对成都地区云底高度及太阳辐射的综合观测还可以加强对该地区云情况的了解与太阳辐射资源利用。基于成都双流航空港地区2021年9月至2023年2月的地基观测数据,对云底高度与地表太阳辐射特征进行研究,结果表明:季节循环上,成都双流航空港地区夏季云底高度较高,秋冬较低且数值接近,该区域天空大部分时间被云覆盖,与附近其他地区云特征类似。由于云的遮盖,该地区太阳辐射数据整体较低,太阳总辐射在夏季较高,约为540 W/m^(2),秋冬较低,平均在340 W/m^(2)以下。四季太阳总辐射日变化趋势相近,均在12:00-14:00达到最高点且直接辐射均低于散射辐射。研究在评估和预测成都地区云特征及太阳辐射资源方面具有一定参考价值。

利用地面观测评估ERA5云底高度产品

云底高度对天气预报和飞行保障有着重要作用,但目前十分缺乏高时空分辨率的云底高度资料。本文利用中国东部地区云底高度的地面观测对ERA5再分析资料的云底高度进行评估,基于地面观测和ERA云底高度的小时平均偏差对ERA进行了初步订正和验证,综合分析了中国地区的云底高度分布特征。分析发现,ERA5再分析数据中的云底高度比观测值整体偏低,其中高估了低云的云底高度,低估了中、高云云底高度,且中、高云云底高度的偏差较大。另外,在有降水的条件下,ERA5数据中低云云底高度的准确性比无降水条件下的相对较高,但中、高云云底高度的准确性却更低。综合地面观测和ERA5数据云底高度的日变化和月变化分析发现,在我国东部地区,白天的云底高度整体低于夜间,峰值出现在夜间22:00(北京时间,下同),谷值出现在上午09:00,秋季和冬季的ERA5云底高度月变化与地面观测资料较为一致。基于日变化分析获得的小时平均偏差对ERA5数据的云底高度进行订正和验证,分析发现,2010~2019年间,中国地区的云底高度呈现自西北向东南逐渐降低的分布特征;中国南部、东北地区和青藏高原区域的云底高度相对较低,其中,青藏高原夏季和秋季的云底高度较低,春季和冬季较高,而沙漠地区在四个季节的云底高度都较高。

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。

地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究

本文利用Modtran4.0模式比较系统地研究了不同强度(以地面能见度表示)和不同类型气溶胶情况下,晴空和各种云所形成的天空红外亮温Tb(InfraredBrightnessTemperature)随地面观测天顶角的变化,从中发现利用Tb观测来遥感云底高度CBH(CloudBaseHeight)的可行性,以及定量分析气溶胶层的影响.并且根据模拟计算结果,推出了由地面温度和湿度来计算晴天和不同CBH的中低云天天顶Tb的统计算式,以及由观测Tb和地表温、湿值反演CBH的方法.从模式计算和试验的初步结果可以看出:对于低云和中云,地基观测的Tb对CBH的变化有相当的敏感性,因此可以用于CBH的反演.地面气溶胶(能见度和气溶胶类型)对天空背景Tb有明显的影响,必须加以订正.但由于其影响对不同天顶角的贡献有一定的规律性,因此有可能得到较好的订正.

云底高度的地基毫米波云雷达观测及其对比

对2014年11月20日-12月31日中国气象局大气探测综合试验基地Ka波段毫米波云雷达、Vaisala CL51激光云高仪、L波段高空探测系统观测的云底高度进行对比分析。结果表明:在低能见度条件下,毫米波云雷达对云的探测能力明显优于激光云高仪,随着能见度的增加,两设备云探测能力差距在减小;毫米波云雷达与激光云高仪同时观测到有云时,二者观测的云底高度相关系数为0.92;毫米波云雷达与探空观测云底、云顶高度的相关系数分别为0.93和0.78;云雷达观测的云底高度均略低于激光云高仪和探空,云雷达观测的云顶高度略高于探空。

中国降水云云底高度的估算和分析

基于国家气象信息中心发布的622个气象站点1960—2013年的降水量、气压、气温、水汽压和相对湿度等日数据及249个气象站点2013年8月25日至9月25日02、08、14和20时数据,利用中国气象局、Barnes和(Georgakakos的经验公式来计算抬升凝结高度从而近似降水云云底高度,归纳出中国降水云云底高度的时空分布特征。结果表明:(1)在整体、季节(除冬季外)、小时和降水量等级为Ⅰ级(P<10mm)、Ⅱ级(10 mm≤P<25 mm)时的空间分布特征基本一致,即自东南向西北逐渐增高,没有显著的年际差异。(2)区域差异显著,就四大自然区(北方地区、南方地区、西北地区和青藏高原地区)而言,青藏高原地区和西北地区的降水云云底高度高于平均云底高度,且除青藏高原地区外其他地区的云底高度呈逐年下降的趋势。(3)从季节差异看,春、夏季的降水云云底高度高,冬季的云底高度最低。(4)日变化明显,08时的降水云云底高度最低,14时最高。(5)利用三种算法算出中国降水云云底高度和降水量的相关系数分别是-0.47、-0.46、-0.44,中国云底高度和相对湿度的相关系数分别是-0.81、-0.81、-0.79,均呈负相关。

基于双目成像云底高度测量方法

采用基线长为60 m的一对数字摄像机,构成双目成像云底高度测量系统,随着数字摄像技术和立体视觉传感器的发展,尤其是双目成像视觉传感器以结构简单、使用方便、测量精度高等诸多优点而被广泛应用。通过直方图均衡化方法对图像进行增强,利用亚像素角点检测器检测角点提高测量精度,并采用归一化互相关方法进行区域相关检测寻找同名点,将外极线约束引入图像匹配过程中进行同名点粗差去除,提高测量准确度;再根据匹配特征点得到相对视差,利用摄影测量原理计算云底高度;建立三维实验室标校场对相机进行内外方位元素标校,利用星星相对位置与相机姿态角的关系对相机进行现场标校,简化标校系统提高测量精度。利用2011年5月1日—6月30日采集的样本,在北京市观象台与维萨拉生产的CL31激光云高仪进行对比试验,并对产生云底高度测量系统误差的可能原因做出具体分析。

Ka波段固态发射机体制云雷达和激光云高仪探测青藏高原夏季云底能力和效果对比分析

激光云高仪和云雷达是探测云底的两种设备,但其探测能力和探测结果有一定的差异,对比分析两种设备的测云效果有助于正确认识它们的探测优势,推进我国云雷达在云探测中的应用。本文提出了基于云雷达数据的云底和云顶高度分析方法,利用2014年夏季第三次青藏高原大气科学试验云雷达、激光雷达和激光云高仪数据,统计了三种设备探测青藏高原低云、中云和高云的云底高度偏差、探测率,分析了激光云高仪探测云底偏高的原因,根据探测结果提出了固态发射机体制雷达探测青藏高原低云的优化观测模式,模拟分析了探测效果。结果表明:(1)云雷达对高云的探测能力要明显优于激光云高仪,但其对低云的探测能力有待改进,激光云高仪探测云底下部的边界层内的云雷达回波信号可能是非云降水回波;低层云的遮挡作用明显降低了激光云高仪对多层云的观测能力;与激光云高仪相比,云雷达仍然会漏掉一些高云和中云。(2)激光云高仪探测的中云和高云的云底很多在云雷达回波内部,云雷达和激光云高仪观测的云底的时空对应关系比较差。(3)增大激光发射功率和优化固态发射机体制云雷达观测模式可提高云的观测能力,微波和激光雷达数据融合可全面了解不同类型云的宏观特征。这一工作为云雷达和激光雷达数据的应用,评估激光云高仪和云雷达探测青藏高原云的能力,讨论设计优化的云观测方案,为推进我国云观测技术的发展提供了重要参考依据。

基于模板匹配的云底高度估计

本文提出一种将主动卫星遥感云底高数据扩展到被动遥感卫星视场的新方法。在分析云顶高度（CTH）和云水路径（CWP）对云垂直分布影响的基础上,提出用CTH和CWP两项参数为基的模板匹配法,结合加权最近邻插值估计云层厚度,并用成熟的CTH反演产品减去云层厚度,得到云底高度（CBH）。然后引入小波去噪的方法抑制对云底高度估计的局部高频涨落。与基于云类型的估计方法相比,该方法在20-300 km范围内与其估计效果相当,且在170-240 km范围内误差更小。考虑到基于云类型的估计方法在CloudSat卫星和MODIS云分类结果上存在差异,本文方法的适用性更好。

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果，结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关；云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主，暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程，雹胚过多争食防雹；（２）促进雨霰转化过程，使雹胚浓度增加，并且减少过冷雨滴，抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长；（３）使云的下部霰量增加，降低降水粒子的增长轨迹，阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。

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。

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。

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。

上海浦东机场风廓线雷达信噪比资料在云底高度判定中的应用研究

风廓线雷达除能得到风速场资料外,还可以根据信号与噪声强度生成信噪比资料。风廓线雷达信噪比的变化与比湿梯度间具有显著的相关性。而云底是空气饱和与未饱和的临界面,必然有明显的比湿的梯度变化,在风廓线雷达上反映为信噪比的显著增强。本文提出了应用信噪比垂直梯度最大正值(信噪比随高度急剧增大)处的高度来反演云底高度的方法。利用上海浦东机场2015年1月1日-3月4日间风廓线雷达的信噪比资料,通过信噪比垂直梯度最大正值所在高度反演的云底高度与云高仪所测的云底高度间对比,发现两者具有较高的相关性,相关系数达到0.41,并通过了显著水平?(28)0.01的t检验。表明采用风廓线雷达的信噪比资料能有效反演无降水天气的云底高度。

激光云高仪和毫米波云雷达协同测量云底高技术的融合算法研究

基于多设备协同测云技术,围绕对云底高的协同观测而开展,依据2015年1月1日至2015年5月31日中国气象局气象大气探测试验基地HY-CL51激光云高仪和Ka波段毫米波云雷达的观测数据进行研究,提出了基于激光云高仪和毫米波云雷达协同测量云底高技术的融合算法。通过3种输出数据对比研究发现,融合后的数据相比于单独的激光云高仪或毫米波云雷达数据,输出的最终云底高数据准确度较高,同时提高了毫米波云雷达低云区数据获取率,改善了激光云高仪受能见度影响测量精度低的问题,一定程度上解决了缺测的状况,具有一定的应用价值。

云底高测量仪的快速检校

针对日常气象业务的需求,新近研制出一种基于CCD非测量相机的云底高立体测量仪。讨论了此仪器的快速检校方法,并为此设计了一种东、西、南、北、天顶五个方向都有标志点的室内检校场。研究出采用Canny边缘提取、八邻域跟踪和椭圆拟合的自动提取大量标志点的方法以及由此解算仪器参数的高精度技术。

北京地区夏季云出现概率及云底高度分布的特征分析

研究北京地区2007—2009年夏季8 km高度以下云出现概率（探测到云的次数与总探测次数之比）及云出现概率在一天内的分布规律,并研究三年中夏季单层云的云底高度分布规律,典型对流云的云底高度特征,以及对流云云底高度与地面相对湿度的关系。结果表明：北京地区夏季云出现概率约为12%,一天内云最容易出现在夜间,下午较夜间云出现得少;云底高度分布呈单峰,最容易出现在700±50 m高度,低云（云底高度在3000 m以下）出现次数占云总出现次数的82%;典型对流云云底高度出现在400-2500 m高度,一天之内云底高度变化不大。利用绝热气团模型得到云底高度与地面相对湿度的线性关系,并以此方便地给出对流云云底高度,平均相对标准差为0.321。

激光雷达云底识别算法综述

云底识别是激光雷达测量云底高的核心技术。对已有的云底识别算法进行整理,在原理、适用性、优缺点等方面对其逐个分析。归纳出云层回波信号的特点,分析了未来云底识别算法的发展趋势。

基于激光测云仪的云底高反演算法进展研究

激光测云仪作为一种新的大气探测工具,具有较高的时空分辨率,在云层监测中应用十分广泛。利用激光测量是目前监测云底高最实用的方法,而找到一种有效的云底高反演算法来反演激光回波信号是激光测云仪技术的核心。文章主要介绍了目前关于计算云底高常用的Kleet法、微分零交叉法、积分法、阈值法,详细介绍其基本原理,对相应的结果进行了公式推导,列出了目前的研究情况,最后归纳出目前云底高反演算法存在的问题,分析了未来云底高反演算法的发展趋势。

激光云高仪测云底高度产品的检验与评估

基于2021年1月1日—10月31日阳江超级观测站布设的Vaisala CL51激光云高仪和无线电探空对低云、中云、高云3类云的云底高度观测的结果进行对比检验。结果表明:两个仪器观测到的月平均云底高度结果中云的时空一致性较高,低云和高云云高仪分别高估了0.84和1.15 km,并且低云云底高度随月份变化两个仪器呈相反趋势;云高仪在无降水时探测能力最好,随降水增加对中、高云云底高度高估程度也随之增加,日累计降水量级超过25 mm时探测能力迅速减弱;低层高湿条件下,云高仪测得的平均云底高度为1.792 km,可能为高湿度层顶;剔除低层高湿样本后,无降水时RMSE从1.3下降到1.24,归一化偏差从0.56下降到0.52;对于仅有云高仪观测到云的样本,云高仪误将湿区顶判断成云底以及探空计算云底算法阈值选取所致。