探空资料所测云高和激光云高仪所测云高的对比分析

何敏发　阳小群　吴福正　邱年　郑皖生　顾卫

摘要  对GTS1型探空仪资料分析云高和CL51激光云高仪所测云高进行对比，分析两者的云高差异。结果表明，2种探测系统在中云的判断上，所测云高吻合度最高，具有较好的相关性;对低云、高云的云高判断存在差距。要提高这2种探测系统对云高的测量准确度，需要在地面高湿情况下，对阈值法和温度露点法的应用进行优化;在雾霾和大雨天气下，对激光云高仪测云性能加以提高;在低温下对探空仪湿度传感器的性能加以改进。

关键词 激光云高仪;云量自动观测仪;云量;全天空图像

中图分类号：P414 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）02-039-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.02.017

Abstract The cloud heights measured by GTS1 radiosonde and CL51 laser ceilometer were compared， and the difference of cloud heights between them was analyzed. The results showed that the two detection systems had the highest coincidence and good correlation in the judgment of middle cloud， but there was a gap in the judgment of low cloud and high cloud. In order to improve the accuracy of cloud height measurement by these two detection systems， it was necessary to optimize the application of threshold method and temperature dew point method under high humidity conditions on the ground， to improve the performance of cloud height measurement by laser cloud altimeter in fog and heavy rain， and to improve the performance of humidity sensor of sounder at low temperature.

Key words   Laser ceilometer; Cloud automatic observer; Cloudiness; All sky image

云是大气中热力过程和动力过程的外部表现，同时也是水循环的重要环节。全球有60%的地区被云层所覆盖。不同高度的云对天气气候所起的作用也不同。高云对太阳辐射有透射效应，由云体发射红外辐射而使大气和地表升温。而中、低云云顶对太阳辐射有较强的反射，使大气和地表降温。云高的观测方法很多，有云幕灯法、气球测云法、激光云高仪、红外测云仪、毫米波云高仪等。目前国内台站观测云高主要使用的方法还是目测法。目测法是观测员根据判定的云状、当地的海拔高度、季节、昼夜等情况来分析判断云高，其结果受观测员理论水平和实践经验影响很大。

我国自20世纪50年代建立起来的探空网到2012年已经全部升级为L波段高空探测系统。它所使用的GTS1型探空仪采样周期为1.2 s，采样频率每分钟50次左右，垂直分辨率达到8 m。当探空仪入云时，温湿度都会有相应变化，尤其是湿度。故可以利用探空数据中湿度和温度的变化来判定云底高度。安徽省安庆市气象局国家基本气象观测站目前安装了一台华云升达公司生产的CL51型激光测云仪。它是利用地面向上空发射激光脉冲，通过接收大气对此光脉冲的后向散射，达到探测分析大气在不同高度的组成成分。因为水汽成分对光的后向散射非常大，从而可以分析出云高信息。CL51型激光云高仪能比较精确地测量单点云的高度。笔者对GTS1型探空资料分析云高和CL51激光云高仪所测云高进行对比，分析两者的云高差异，对提高探空资料判别云高的准确性有十分重要的意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取对比的样本探空资料是2018年7月和9月的探空记录。为减少激光云高仪资料由于空间不同步造成的探空记录误差，选取放球时间前后30 min和探空资料判断云高最接近的云高数据作为激光云高仪的对比分析数据。

1.2 研究方法

探空资料分析判定云高，该文采用的是温度露点法和相对湿度阈值法。温度露点法是根据气层在不同高度处，温度露点差小于对应阈值，即视为云层。根据Poore在1994年提供的阈值标准。当温度（T）>0℃时，阈值设为1.7℃;当-20℃≤温度（T）≤0℃时，阈值设为3.4℃;当温度（T）<-20℃时，阈值设为5.2℃。

相对湿度阈值法是利用相对湿度阈值对云层进行判断。目前使用最为广泛的是WR95法，其判定云层的主要条件有3个：云内最小相对湿度大于84%;云内的最大相对湿度大于87%;相对湿度在云底有3%的正跳变。1999年WANG Junhong将前述最小、最大相对湿度调高到90%、93%，该文也按调高后的标准处理探空数据。

2 结果与分析

从图1可以看出，GTS1型探空资料分析云高和CL51激光云高仪所测云高的相关系数达0.886，相关度比较高，说明探空资料分析云高和激光云高仪所测云高的一致性比较好。

国际云图分类将云底高度小于2 500 m定义为低云;云底高度大于2 500 m且小于4 500 m的为中云;云底高度大于4 500 m的定义为高云。对低、中、高各个云层情况对比分析如图2所示。在3类云中，对中云的判断上，2种探测系统所测云高吻合度最高，具有较好的相关性;对低云的判断上，2种探测系统所测云高吻合度一般，相关系数仅0.764;对高云的判断上，2种探测系统所测云高相关性最低。

对差异进行分析可知，低云差异主要是在有雨、雾、霾等天气情况下，水汽和气溶胶粒子对激光有较强的衰减作用，使激光所测云高失准;在雨雾天气时，底层湿度太大，温湿度变化都不明显，温度露点法和相对湿度阈值法将难以达到使用标准。高云时，由于GTS1型探空仪湿度传感器随着温度下降而有明显迟滞，所测云高准确性下降明显。而中云时，上述影响轻微，故所得结果最为接近。

综上所述，认为探空资料分析云高和激光云高仪所测云高在中云时具有较好的相关性。要提高这2种探测系统对云高的测量准确度，需要在地面高湿情况下，对阈值法和温度露点法的应用进行优化;在雾霾和大雨天气下，对激光云高仪测云性能加以提高;在低温下对探空仪湿度传感器的性能加以改进。

3 结语

探空仪湿度传感器在低温下的性能提高，对云高分析意义重大。利用探空资料判别云底高度和激光云高仪所测云高进行对比分析受时空差異和观测原理差异影响。深入开展差异性分析，并且努力减小或消除误差影响，从而提高探空资料判别云高的准确性有十分重要的意义。

参考文献

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责任编辑：郑丹丹