2種不同掃描方式的紅外測(cè)云儀云高產(chǎn)品對(duì)比分析

阿來(lái)依·艾丁+白志娜+宋佳++瑪合巴·巴合提

摘要 本文對(duì)2種不同掃描方式紅外測(cè)云儀的云高產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)對(duì)這2種儀器云高數(shù)據(jù)的整理，分析出不同時(shí)間段和主要天氣系統(tǒng)下云高的變化規(guī)律，以探究不同掃描方式的2種儀器對(duì)云高測(cè)量的準(zhǔn)確度，并分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 云高；紅外測(cè)云儀；點(diǎn)掃描；面掃描

中圖分類號(hào) P426.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）05-0199-02

云的氣象觀測(cè)對(duì)天氣預(yù)報(bào)、軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)等都有重要的意義，主要包括地面觀測(cè)、探空觀測(cè)以及衛(wèi)星觀測(cè)。衛(wèi)星云圖對(duì)低云和區(qū)域性云信息的描述不太理想[1]。云底高度的準(zhǔn)確測(cè)定能為降水、大氣穩(wěn)定度、云圖等的綜合分析提供依據(jù)，而且云底高度對(duì)大氣頂和地面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有一定的影響[2]。本文提取類型為點(diǎn)掃描的全天空紅外掃描成像系統(tǒng)SIRIS，以及類型為面掃描的ZXD03型地基紅外測(cè)云儀在同一地點(diǎn)、相同時(shí)間段內(nèi)云高產(chǎn)品的數(shù)據(jù)并分析。

1 儀器簡(jiǎn)介

由于云底高度不同，云底溫度也不同。從地面向天空任一方向觀測(cè)，在熱紅外波段均可感測(cè)到來(lái)自該方向的熱輻射。因此，可根據(jù)大氣修正后的紅外輻射值，利用黑體輻射定律反演出云底溫度，再根據(jù)大氣垂直方向上氣溫與高度之間的關(guān)系、天空紅外輻射強(qiáng)度的分布確定云底高度。

全天空紅外掃描成像系統(tǒng)SIRIS屬于點(diǎn)掃描的傳感器，采用單個(gè)光敏元件敏感單個(gè)像素。一幅圖像可通過(guò)在離散的XY坐標(biāo)軸上順序掃描像素點(diǎn)而得到。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、測(cè)量的一致性好、所需探測(cè)器簡(jiǎn)單且廉價(jià)；而缺點(diǎn)則是會(huì)存在XY方向移動(dòng)時(shí)傳感器位置的誤差、幀掃描速度低，且掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3-5]。SIRIS儀器參數(shù)：工作溫度為 -100～500 ℃，響應(yīng)時(shí)間4 ms，波長(zhǎng)8～14 μm，視場(chǎng)角2.25°×2.25°，探測(cè)像元數(shù)為320×240，電源220 V。

ZXD03型地基紅外測(cè)云儀屬于面掃描，采用面陣CCD可一次得到整個(gè)圖像幀的全部信息，不需要另外采取用機(jī)械掃描裝置。面陣CCD的幀掃描速率最高，系統(tǒng)復(fù)雜程度也最低，然而掃描的分辨率在2個(gè)方向上都會(huì)受到CCD像素?cái)?shù)的限制。此外，信噪比一般較低，而費(fèi)用較高[5]。ZXD03儀器參數(shù)：工作溫度-40～45 ℃，相對(duì)濕度80%～90%，波長(zhǎng)8～14 μm，輸入頻率（50±2）Hz，功耗≤500 W（室外設(shè)備），電源220 V。

2 數(shù)據(jù)處理及分析

由于SIRIS的觀測(cè)時(shí)間間隔為10 min，而ZXD03的觀測(cè)時(shí)間間隔為15 min，所以選取30 min間隔的數(shù)據(jù)使兩者的觀測(cè)時(shí)間相匹配。2012年2月1日至4月30日期間，提取的SIRIS（1次/10 min）和ZXD03（1次/15 min）匹配時(shí)間段的同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)共有3 344個(gè)。其中，SIRIS共觀測(cè)到的全天無(wú)云天數(shù)為13 d，ZXD03共觀測(cè)到的天頂無(wú)云天數(shù)為4 d。如圖1所示，SIRIS和ZXD03所測(cè)得的中低云云高比較一致，總體來(lái)說(shuō)ZXD03比SIRIS所能探測(cè)到的云高范圍大。如圖2所示，2個(gè)儀器的低云云高的相關(guān)系數(shù)是0.75，通過(guò)了顯著性水平為0.01的雙側(cè)檢驗(yàn)，其低云測(cè)量的一致性相對(duì)較高。如圖3所示，2個(gè)儀器所測(cè)中云云高的相關(guān)系數(shù)是0.51，通過(guò)了顯著性水平為0.01的雙側(cè)檢驗(yàn)。如圖4所示，高云云高通過(guò)了顯著性水平在0.05的雙側(cè)檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)為0.19。通過(guò)相關(guān)性檢測(cè)，SIRIS和ZXD03所測(cè)高云云高的相關(guān)性較差。SIRIS和ZXD03所測(cè)云高的平均值（所有樣本的平均）如圖5所示，中低云云高的平均值較為接近，而ZXD03所測(cè)高云的平均值比SIRIS的大。

如圖6～8分別是SIRIS和ZXD03在霾天氣狀況下的高、中、低云云高對(duì)比，經(jīng)過(guò)雙側(cè)檢驗(yàn)得出，2個(gè)紅外測(cè)云儀所測(cè)高、中、低云云高的相關(guān)系數(shù)分別為0.19、0.66和0.91，和圖2～4總的相關(guān)系數(shù)相一致，高云云高最不相關(guān)，可能由于數(shù)據(jù)量減少，中低云云高的相關(guān)性相對(duì)更顯著了。由這些樣本數(shù)據(jù)看來(lái)，霾天氣對(duì)SIRIS和ZXD03 2個(gè)紅外測(cè)云儀的云高測(cè)量影響不太大。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ZXD03型地基紅外測(cè)云儀和全天空紅外掃描成像系統(tǒng)SIRIS所測(cè)云高產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，所得出的結(jié)論如下：

（1）這2個(gè)紅外測(cè)云儀所測(cè)云高數(shù)據(jù)整體上一致性很高，在高云上云高數(shù)據(jù)不相關(guān)，而低云云高相對(duì)比較一致。這可能是2個(gè)儀器對(duì)高云向下輻射的紅外輻射值的大氣修正有差異而導(dǎo)致的，需要進(jìn)一步探究。

（2）2個(gè)儀器在中低云的平均值較為接近，而ZXD03所測(cè)高云的平均值比SIRIS的大。

（3）在霾等大氣氣溶膠異常的天氣狀況下，2個(gè)儀器與云雷達(dá)和地面觀測(cè)記錄相比，2個(gè)紅外測(cè)云儀的觀測(cè)相對(duì)一致。

（4）有降水時(shí)ZXD03一般均可工作，大多能獲得碎雨的云高數(shù)據(jù)，可能對(duì)降雨頻繁地區(qū)的云高觀測(cè)帶來(lái)便利。

從傳感器的應(yīng)用技術(shù)方面，可以增加掃描時(shí)間或增加紅外輻射計(jì)探頭來(lái)提高天空分辨率。在技術(shù)應(yīng)用方面依然存在如重復(fù)掃描增長(zhǎng)掃描時(shí)間、成本與復(fù)雜性等方面的問(wèn)題，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)研制出兼顧分辨率和掃描速度的器件。在實(shí)際業(yè)務(wù)中應(yīng)分析設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合各地氣候環(huán)境等因素，以做出測(cè)云儀器的最優(yōu)配置方案。總的來(lái)說(shuō)，目測(cè)云高具有很大的主觀性，需要更為準(zhǔn)確的測(cè)云儀測(cè)量云高，在不斷完善測(cè)云儀性能的同時(shí)，仍然需要在業(yè)務(wù)中總結(jié)測(cè)云高的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，為測(cè)試比較不同設(shè)備提供基本依據(jù)。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 高太長(zhǎng)，劉磊，趙世軍，等.全天空測(cè)云技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2010，21（1）：101-109.

[2] 石廣玉.大氣輻射學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2007：315.

[3] 李暉.全天空紅外掃描成像系統(tǒng)嵌入式平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：成都信息工程學(xué)院，2012.

[4] 解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院.ZXD03型地基紅外測(cè)云儀使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)[Z].南京：解放軍理工大學(xué)，2010.

[5] 董永貴.傳感技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：349-350.