Page 264 - 《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 1357
图 7（c）和（d）为仅使用时间匹配筛选的云高样 07:31 探空在云雷达的正北方 180 m 观测到云顶
本。图 7（c）和（d）中<6 km 的云底和云顶高度中远 （5450 m），该时刻云雷达探测的云顶高度为9390 m。
离 1∶1 线的散点数相对图 7（a）和（b）大幅减少。仅 当探空在云雷达西北方 8. 6 km 左右［图 8（e）］，探
使用时间匹配筛选的云高比未使用时空匹配原则 空于 07:44 和 07:46 分别探测到云底（9853 m）和云
［图 7（a），（b）］筛选的云高更加集中。图 7（c）中 顶（10708 m），云雷达在 07:44 和 07:46 并未观测到
HD>21 km 的云底高度样本数相对减少，探空探测 云。可见，利用图像直观对比二者探测的云结构，
到云底的 HD集中在 0~21 km；<6 km的云底高度的 不考虑时间匹配是不可行的。07:31 探空观测到中
HD 基本集中在 0~7 km，占样本总数的 65%，而 6~ 云，而云雷达观测到高云，可见，即使二者之间的
9 km 的云底高度的 HD 在 7~24. 5 km，占样本总数 HD 仅有 180 m，也不能保证二者观测的是同一
的 34%。图 7（d）中 2~9 km 的云顶高度的 HD 集中 片云。
在 0~17. 5 km，占样本总数的 76%，>9 km的云顶高 由 2017 年 9 月 25 日二者观测的云垂直结构及
度的 HD 分布在 21~50 km，占样本总数的 23%。仅 探空探测到云底和云顶时在多普勒雷达组合反射
使用时间匹配筛选的云底和云顶高度样本的 R 分 率因子图上的漂移轨迹（图 9）可知，探空观测到两
别 提 高 到 0. 93 和 0. 89，RMSE 减 小 到 917 m 和 层云，而云雷达上存在多层云。由于探测时段内多
1204 m，MAPE 减小到 24% 和 15%。仅使用时间匹 普勒雷达上出现降水回波［图 9（c）~（f）］，云雷达观
配筛选样本，二者观测的云底和云顶高度的线性相 测的最下层云的云底高度为 0 m，07:24探空观测的
关性更高；RMSE 和 MAPE 均减小了一半，这表明 云底高度为 2250 m。由于降水对云雷达有较强的
仅使用时间匹配原则筛选样本能有效减小云雷达 衰减作用，因此，当出现强降水时，探空可作为云
和探空观测偏差。 底高度确定的主要手段。07:36 探空在云雷达东北
图 7（e）和（f）为使用时空匹配筛选的云高样本。 方向 HD>6 km 处探测到云顶（6950 m），该时刻云
图 7（e）中<8 km 的云底高度占样本总数的 98%，相 雷达的云顶高度为 6540 m。虽然二者的云顶高度
应的 HD<21 km。使用时空匹配筛选的云底和云顶 差异不大，但云雷达观测到 7 km 以下存在双层云，
高度样本的 R分别提高到 0. 98和 0. 97；RMSE减小 而探空上并未探测到云。由此可见，探空的水平漂
到 602 m 和 708 m，MAPE 降低到 14% 和 9%。使用 移会造成云垂直结构细节的遗漏。07:44 探空与云
时空匹配原则筛选的样本，二者观测的云底和云顶 雷达的 HD 约 17 km［图 9（e）］，07:43 和 07:45 探空
高度的相关性得到提升，二者偏差减小，特别是云 观测到云底（9610 m）和云顶（10250 m），该时刻云
顶高度的相关性得到大幅提升，这是因为利用空间 雷达观测的云底和云顶高度分别为 0 m 和 6060 m，
匹配原则筛选云高样本能在一定程度上保证探空 并未观测到云底高度>9 km 的云。因此，时空匹配
和云雷达探测的是同类型的云层。在时空匹配的 对于二者一致性对比非常重要。
基础上，云底和云顶高度散点大多沿着 1∶1 线下方 为检验云雷达的测云能力，图 10给出了 4个采
分布，这表明探空观测的云高略高于云雷达的观测 用时空匹配原则筛选的个例。2018 年 1 月 30 日
值且呈现出系统性的偏差。该偏差不仅与探空湿 07:20 探空与云雷达的 HD 为 560 m，二者探测的云
延迟误差、探空确定云高算法及算法中 RH 阈值取 底高度分别为 1938 m 和 1830 m，二者探测的云底
值等密切相关，而且与云雷达的探测能力及其识别 高度一致性较好。07:24 探空和云雷达的 HD 为
云边界算法等相关。 2. 38 km，二者观测的云顶高度分别为 3284 m 和
3. 2 个例分析 3090 m。探空观测到的云顶高度大于云雷达观测
根据时间和空间匹配原则，选取代表性个例， 值。探空分别在 07:34 和 07:41 探测到上层云的云
结合探空探测到云底和云顶时在多普勒雷达上的 底（6703 m）和云顶（9760 m），相应时刻的云雷达观
相应位置，对二者的云底和云顶是否一致进行直观 测的云底和云顶高度分别为 6090 m 和 8790 m。图
对比。 10（a）显示探空探测到双层云，云雷达探测到三层
从2017年8月20日二者观测的云垂直结构及探 云，但是二者观测的每一层云的云底和云顶高度对
空探测到云底和云顶时在多普勒雷达组合反射率因 应较好。
子图上的漂移轨迹（图 8）可见，07:24探空气球在云 从图 10（b）可以看出，云底和云顶较平坦，且
雷达的正南方 2 km［图 8（c）］探测到云底高度为 云层较厚。在 07:21 和 07:29 探空探测的云底高度
3010 m，该时刻云雷达观测的云底高度为 8850 m； （2289 m）和云顶高度（5238 m）均大于云雷达的云