基于地基毫米波雷达等多种资料的云高观测对比研究

摘要

云高是云物理学研究中最基本且十分重要的参数之一。当前云高探测手段多样，但由于探测原理的不同会造成云高观测数据的不一致。进行探测和反演理论分析，开展不同方式的测量结果的对比验证，系统地比较和分析其准确性和差异性，从原理上进行数据订正以提高多源云高观测数据的可比性和一致性，十分必要。本研究基于国产地基毫米波雷达、激光云高仪、无线电探空、FY-2静止卫星、地基红外传感器(IRT)等观测设备和数据，研究并探讨各仪器原理、性能和云高参数反演方法，以毫米波雷达观测的云高为参考分别与探空、卫星和地基红外传感器反演云高进行对比验证，分析其一致性、差异性及其主要影响因素，并综合考虑各资料特点构建云高数据集。主要研究结果如下: (1)对布设于北京南郊观象台Ka波段地基毫米波雷达2016年观测的云垂直结构特征进行统计，平均云底高度4.39 km，平均云顶高度7.69 km，北京地区晴空占比较多，夏半年有云样本比例比冬半年偏多，中高云样本数高于低云样本数，云高分布呈现春夏高、秋冬低的季节变化特征。 (2)毫米波雷达与激光云高仪云底高度比较结果显示，二者相关系数高达0.95，但激光云高仪因衰减强烈，除测量云底高度外基本不能进行云垂直结构的探测，受大气低层气溶胶影响，其整体上对于云底高度高于6 km的云来说检出率较低。毫米波雷达是探测云宏观垂直结构的有力手段。 (3)用无线电探空温湿廓线判定云垂直结构并与毫米波雷达观测结果对比，二者云底高度差值平均小于200 rn、云顶高度差值平均为1400m，云高变化趋势相关系数大于0.8。某些时刻与探空产生较大差异外，在云底高度以及中低云的云顶高度上可以与探空观测取得很好的匹配效果，对于云的垂直分层上二者也有较好的一致性。 (4)用FY-2 CTT产品反演云顶高度并与毫米波雷达观测结果对比，二者云检测一致率78.1％，云顶高度差值平均值为1.46 km，云层越厚、回波强度越大、云体越连续，二者云顶高度的一致性越好，中低云的云顶高度差异明显小于高云。针对FY-2静止卫星反演高层卷云云项高度偏低的问题，提出了相应的订正方案，订正后的卫星云顶高度与毫米波雷达云顶高度更加一致。 (5)基于地基红外亮温数据反演云底高度并与毫米波雷达观测结果对比，二者云检测一致率81.6％，云底高度相关系数0.62、偏差为0.1km，该结果优于IRT云底高度原始产品。但低层薄云IRT探测的云底高度偏高，高层薄云IRT探测的云底高度偏低。 (6)基于毫米波雷达、IRT、FY-2G云高观测数据，初步构建了一个2016年北京地区1h分辨率的云高综合数据集。与单独的观测相比，该数据集将缺测率降低至1％。与毫米波雷达相比，其与“第三方云高观测”（如探空云高）的欧氏距离更小，相关系数也有所提高。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1云高参数的重要意义

1．2云高探测的相关研究进展

1．2．1云高测量的物理基础

1．2．2地基主动遥感设备探测云高研究

1．2．3地基被动遥感设备探测云高研究

1．2．4无线电探空数据的云高判定方法研究

1．2．5星载雷达和辐射计的云高反演研究

1．3研究目的、内容与章节安排

1．3．1研究目的

1．3．2研究内容与章节安排

第二章地基毫米波雷达等各种仪器的云高判定方法概述

2．1 Ka波段地基毫米波雷达云高探测原理

2．1．1雷达系统简介与探测能力估算

2．1．2毫米波雷达云高判定算法

2．2激光云高仪消光系数反演及云底高度的测量

2．3无线电探空云高判定算法

2．4 FY-2卫星云顶温度反演原理及云顶高度的计算

2．4．1星载辐射计红外窗区反演云顶温度的基本理论

2．4．2 FY卫星云顶温度反演方案

2．4．3利用FY-2卫星CTT产品计算云项高度的方法

2．5地基红外传感器云底高度的判定

2．5．1云检测方法

2．5．2用IRT亮温计算云底高度

2．6小结

第三章地基毫米波雷达云高探测能力分析

3．1引言

3．2毫米波雷达云高判定个例

3．3北京地区毫米波雷达云垂直结构探测的统计分析

3．3．1数据样本分析

3．3．2云层数统计特征及不同云层数的云高统计分析

3．3．3不同高度类型云高统计特征

3．3．4云高的季节变化特征

3．4毫米波雷达与激光云高仪云高观测对比分析

3．4．1激光云高仪云垂直结构观测能力分析

3．4．2激光云高仪与毫米波雷达云底高度探测一致性分析

3．5小结

第四章无线电气球探空与地基毫米波雷达云垂直结构探测的一致性分析

4．1引言

4．2仪器与资料

4．3毫米波雷达与探空观测的时空匹配问题

4．4一致性分析

4．4．1个例分析

4．4．2统计分析

4．4．3毫米波雷达和探空云顶高度差异的进一步分析

4．5小结

第五章FY-2卫星与地基毫米波雷达云顶高度探测的对比验证

5．1引言

5．2 FY-2与毫米波雷达观测的时空匹配

5．3对比验证分析

5．3．1 CTT资料

5．3．2云检测的一致性分析

5．3．3云顶高度平均值及相关性分析

5．3．4一次云变化过程的云顶高度对比个例分析

5．3．5不同高度类型云的云项高度对比分析

5．4针对高云的FY-2云顶高度的订正

5．4．1用红外窗区和水汽两通道测值订正云顶高度的物理基础

5．4．2 FY-2云顶高度的订正方案

5．4．3订正结果

5．5小结

第六章地基红外传感器与毫米波雷达云底高度探测的对比分析

6．1引言

6．2仪器与数据

6．3红外亮温传感器与毫米波雷达云底高度的对比分析

6．3．1云检测的一致性分析

6．3．2云底高度比较个例分析

6．3．3云底高度平均值及相关性分析

6．4小结

第七章北京地区云高综合数据集构建初探

7．1引言

7．2云高综合数据集(CChD)构建方案

7．3 2016年北京地区云高综合数据集及其评估

7．3．1 2016年北京地区CChD构建结果

7．3．2 CChD对比分析评估

7．4小结

第八章总结与讨论

8．1总结

8．2论文的特色和创新点

8．3存在的问题和未来研究方向

参考文献

致谢

作者简介