Page 256 - 《高原气象》2022年第5期

5 期 王 瑾等：探空和毫米波云雷达探测云高一致性的时空匹配原则研究 1349
Zhang et al，2017a）。云垂直结构还可与大气动力 毫米波云雷达对云的探测能力受到广泛关注，
学相互作用，对气候敏感性产生显著影响（Kalesse 以往研究中常将探空作为“真值”对不同的云雷达
and Kollias，2013；Sherwood et al，2014；Zhang et 探测性能进行对比研究。然而，探空仪的湿延迟、
al，2016）。准确的云垂直廓线是全球天气和气候 探空气球在上升时的水平偏移、探空判定云底和云
研究中最基本的数据来源之一（Stephens，2005）。 顶高度的算法本身、云雷达的自身探测能力及其识
然而，云廓线仍然是全球天气和气候研究中不确定 别云算法等因素均会不可避免的影响二者观测的
性的主要来源（Stephens，2005）。因此，对云及其 一致性。其中，探空气球的水平偏移是造成二者一
垂直分布进行更准确的观测很有必要。 致性对比误差的主要原因之一。例如，赵静等
目前，云垂直分布主要通过星基、空基和地基 （2017）研究发现由于探空气球的水平漂移使二者
三种观测方式获取。卫星探测虽具有提供全球覆 探测到不同云层造成二者一致性对比时误差较大。
盖、昼夜连续的云量和云顶高度的优势，然而，研 郝倚天等（2018）发现探空气球水平漂移及其湿度
究表明葵花 8（Himawari-8）等地球静止卫星无法获 传感器的探测误差随高度增加是造成云雷达和探
取云底高度（Chen et al，2018），云卫星（CloudSat） 空探测偏差的主要原因。为减小云雷达和探空一
的云廓线雷达（CPR）无法准确识别薄云（Marchand 致性对比的时空差异，欧建军（2011）将探空的入云
et al，2008），CloudSat 和云-气溶胶激光雷达和红 和出云时刻分别与云雷达的观测时刻进行对应。
外探路者卫星观测（CALIPSO）反演的云底高度存 Costa-Surós et al（2014）利用每 15 min的美国第一代
在很大的不确定性（Zhang et al，2017b）。飞机探测 地球静止轨道气象卫星（GOES）图像确定对比区域
提供了云的微物理和热力学结构的可靠数据，但常 的云层是否均匀，剔除飘过不同类型云系的探空资
常局限于某一特定时段或区域（Aydin and Singh， 料。王喆等（2016）假设探空气球和云的水平移动
2004），且其观测成本高昂，无法提供连续的云 一致，以抵消时间差异的影响，选取云雷达 1 h 内
探测。 的平均云高来抵消空间差异的影响。
与卫星和飞机探测相比，地面探测云垂直分布 云的空间分布不均匀，云内垂直速度会引起云
的仪器相对较多，例如无线电探空，毫米波云雷 底和云顶出现起伏。即使是同一片云，在不同位
达，激光雷达和云高仪。无线电探空的直接观测是 置探测云底和云顶高度也会出现较大差异。探空
大 气 和 云 垂 直 信 息 的 重 要 来 源（Faccani et al， 气球和云的移动方向并不是时刻一致，且可能出
2009），可直接测量大气温度、相对湿度和气压，从 现移动方向相反的情况。因此，为了更好地利用
而能够估计云垂直分布（Poore et al，1995；Wang 云雷达探测云的宏微观特征，考虑以探空作为“真
and Rossow，1995；Chernykh and Eskridge，1996； 值”对云雷达的测云能力进行评估，但探空气球的
Dimitrieva-Arrago and Koloskova，1969；Minnis et 漂移偏差引起的二者观测误差不可忽视，首先应
al，2005；Zhang et al，2010）。然而，无线电探空通 解决二者观测云垂直结构一致性对比的时空匹配
常 每 天 观 测 两 次（Guo et al，2016；Wang et al， 问题。陕西省气象局于 2017 年 6 月在西安泾河观
2018），因此不能用于监测云的连续变化。随着地 测站（108. 97°N，34. 45°E，海拔 410 m）布设毫米波
基遥感观测的发展，毫米波云雷达（常祎和郭学 云雷达对云进行连续观测。本研究通过收集泾河
良，2016；陈羿辰等，2018；马宁堃等，2019），激 站云雷达 2017 年 8 月 17 日至 2018 年 12 月 31 日共
光雷达（Borg et al，2011；颜玉倩等，2020）和云高 508 天连续观测的反射率因子以及相应时段的无线
仪（Martucci et al，2010）可以提供更高精度和连续 电探空探测的温、压、湿等资料，计算二者的云底
观测（Sharma et al，2016）。然而，激光雷达和云高 和云顶高度并进行对比分析，提出了二者观测云样
仪虽能准确探测云底高度，但却无法获得云顶高度 本筛选的时间匹配和空间匹配原则，以解决一致性
（Dai et al，2006）。毫米波云雷达的雷达波长较厘 对比的时空不匹配问题。通过未使用时空匹配、仅
米波雷达更短，比激光的穿透能力更强，且具有更 使用时间匹配和使用时空匹配原则筛选二者的云
高的时空分辨率，能连续探测云和弱降水，因此， 高样本，对不同筛选原则下二者观测一致性进行统
毫米波云雷达获得了越来越广泛的应用（Lamer et 计分析，并对时间和空间匹配原则筛选样本的适用
al，2015；Qiu et al，2019；Sokol et al，2018；Zhou 性进行讨论。最后对使用时空匹配原则筛选的个
et al，2015；陈羿辰等，2018；朱泽恩等，2017；孙 例进行分析，评估了西安云雷达对云宏观结构的探
玉稳等，2019）。 测能力，为云雷达在西安地区的本地化应用提供有