Page 258 - 《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 1351
垂直结构的有效手段之一。利用探空数据判断云 2. 4. 1 时间匹配原则
垂直分布的方法包括温度露点差阈值法（PRW95） 云变化非常快，探空的水平飘移使二者观测的
（Poore et al，1995）、相 对 湿 度 阈 值 法（WR95） 云无法时刻保持一致。因此，当考虑二者观测一致
（Wang and Rossow，1995）和 二 阶 导 数 法（CE96） 性时，对样本的时间进行匹配非常重要。欧建军
（Chernykh and Eskridge，1996）。Zhang et al（2010） （2011）将探空的入云和出云时刻分别与云雷达的
调整和设置了相对湿度（RH）的相关阈值（称为 观测时刻进行对应。王喆等（2016）假设探空和云
“ZHA10 方法”）。Costa-Surós et al（2014）及周毓荃 的水平移动是一致的，以抵消时间差异的影响。然
和欧建军（2010）对判断云结构的方法进行综合分 而，探空和云的水平移动并不是时刻保持一致，甚
析，认为 ZHA10 方法相对其他方法在确定云垂直 至会出现移动方向相反的情况。因此，筛选二者观
结构时有良好表现。本研究使用 ZHA10 方法检测 测样本时，将探空入云（出云）时刻的云底（云顶）高
西安泾河站探空的云垂直结构，ZHA10方法的几个 度与云雷达对应时刻的云底（云顶）高度进行匹
RH 阈值定义见表 2，方法如下：（1）最低的湿层底 配（图2）。
图 2 为 2017 年 9 月 8 日 19:15 的探空的 RH 廓线
部是当 RH 超过 RH 阈值最小值（min-RH）的对应高
（蓝线和湖蓝色线分别为相对于液面和冰面的 RH，
度；（2）在湿层底部以上，其上层若 RH 持续高于
土黄色、紫色和粉红色线分别表示 inter-RH，min-
min-RH，视为同一湿层；（3）在RH减小到低于min-
RH 和 max-RH 的阈值随高度的变化）和 19:07-
RH 或 RH 超过了 min-RH 但已到达廓线顶部，则认
20:07 云雷达探测的云。探空和云雷达获取的云层
为是湿层顶部；（4）剔除底部低于 120 m 且厚度小
均为 2层。探空到达下层云的云底（云顶）的时间为
于 400 m 的湿层；（5）判断湿层是云层的条件是：在
19:23（19:26），云底（云顶）高度为 3010 m（4000
这层内最大的 RH 值大于该湿层底部相应的 RH 阈
m），对应时刻云雷达确定的云底（云顶）高度为
值的最大值（max-RH）；（6）云层底部设为地面以上
3030 m（3360 m）；探空到达上层云的云底（云顶）的
280 m，如果云顶低于 280 m 则剔除该层；（7）两层
时间为 19:29（19:35），云底（云顶）高度为 4920 m
相邻的云视为一层云的条件：两层云之间的距离小
（7180 m），对应时刻云雷达探测的云底（云顶）高度
于 300 m，或两层间的最小 RH 值大于该距离内的
为 3000 m（3420 m）。探空探测的下层云与云雷达
最小的 RH 值（inter-RH）；（8）如果低云云厚小于
一致性较高，而探空的上层云显然与云雷达探测的
30. 5 m 或 者 中/高 云 云 厚 小 于 61 m，则 去 掉 该
不是同一片云。因此，时间匹配原则就是通过获取
云层。
探空的云底（云顶）高度对应的入云（出云）时刻，并
表2 RH阈值取值范围 在云雷达的相同时刻找到同一层云，将二者的云底
Table 2 Range of RH thresholds （云顶）高度进行匹配。利用时间匹配原则筛选二
海拔范围 RH阈值 者观测样本时，探空和云雷达上明显不是一层云或
/km min-RH max-RH inter-RH 者在云雷达上找不到与探空入云（出云）时刻相对
0~2 90%~92% 93%~95% 82%~84% 应的云层，则剔除该样本。
2~6 88%~90% 90%~93% 78%~80% 2. 4. 2 空间匹配原则
6~12 80%~88% 80%~90% 70%~78% 研究表明，探空和云雷达观测的云结构不匹配
很大程度上是由于探空易受高空风影响，随着探空
>12 75% 80% 70%
高度升高，偏离放球点越严重（郝倚天等，2018；李
数据引自Zhang et al（2010）
思腾等，2015；王喆等，2016；赵静等，2017）。在
2. 4 时空匹配原则 406个探空数据中，其中 399个探空气球升至 15 km
云雷达在固定地点垂直天顶观测，获得瞬时的 平均用时 42 min，7 个探空气球没有到达 15 km。
云结构；而探空施放后的入云/出云时刻和水平漂 图 3 中圆圈代表 399 个探空升至 15 km 时相对泾河
移情况与当时的天气条件，大气湍流等条件密不可 站的距离。图 3 中有 238 个探空到达 15 km 时位于Ⅰ
分，因此云雷达观测的云结构和探空探测的云垂直 区，155 个位于Ⅳ区。探空升至 15 km 时最大偏离
分布存在差异。因此，在筛选二者样本时，考虑时 距离为 128 km，平均偏离距离为 53 km，可见探空
间和空间匹配对于准确评估二者观测一致性显得 的水平偏移非常严重。
尤为重要。 为了清楚地显示探空和降水云系移动的相对