奧林匹克山氣象試驗：對雷達衛星（GPM）的地空觀測驗證與應用

■ 許小峰

做這樣的試驗，既可以標定衛星資料的精度，也可以對奧林匹克山伴隨特殊中緯度地形產生的復雜天氣系統進行研究，還可以改進衛星雷達在這一區域反演降水的算法。

初次聽說奧林匹克山（圖1）氣象試驗時，習慣上會聯想到希臘，以為是在歐洲發生的事。細查一下，奧林匹克山是在美國，位于華盛頓州西北角毗鄰太平洋的一個半島上，這個半島也被稱之為奧林匹克半島。這樣命名，多少與希臘有關，英國人18世紀深入到這個半島后，被這里壯美的山脈所吸引，感覺很像希臘諸神居住的奧林匹斯山脈，便開始以奧林匹克山相稱。直到1938年，以奧林匹克山脈為中心的美國國家公園正式成立，半島、公園、山脈也隨之都被冠以奧林匹克。

圖1 奧林匹克山區域地形圖

2014年2月，美國國家航空航天局（NASA）成功發射了測雨衛星GPM，這是一顆帶有雙頻雷達和13個通道（10～183 GHz）微波成像儀（GMI）等其他載荷的主動和被動遙感相結合的氣象衛星，通過Ku（13.6 GHz）、Ka（35.5 GHz）兩個頻段測雨雷達從外空對地球上的云雨進行主動掃描觀測，從而提高全球降水的觀測能力，特別是對于觀測空白的大量無人區域，衛星降水觀測是很好的彌補手段。這顆衛星也稱作GPM-CORE，是GPM星座的核心星，整個星座包括了NASA和JAXA（日本航天局）已有一些氣象遙感衛星及與兩者有雙邊協議合作單位的衛星，還包含 CNES（法國國家太空研究中心）、ISRO（印度空間研究組織）、EUMETSAT（歐洲氣象衛星應用組織）、美國NOAA（國家海洋和大氣管理局）及DOD（國防部）的衛星，構成了一個協同觀測的體系，可以及時共享每顆星觀測到的信息，提高了整體觀測功能和效率。

從遙遠的太空對地開展主動遙感觀測，要對其觀測精度進行檢驗和標定，也需要對其產生的各類應用產品準確性進行校正，如雷達探測估測的降雨，需要通過地面實測的數據進行對比。盡管通過對熱帶測雨衛星TRMM多年應用和檢驗，已積累了豐富的外空對地雷達測雨反演的經驗和算法，但GPM將探測范圍從熱帶拓展到了全球，則需要對中高緯度降雨類型的反演算法進行調整并重新驗證。

由于受到中高緯度太平洋西風帶斜壓天氣系統和地形作用共同影響，奧林匹克山谷一個季節降水量可達2000～4000 mm，且由于是位于山地環境，云系的微物理相態在垂直方向變化很大，無論是從天氣學角度還是從區域氣候學角度，這里都是一個理想的外場試驗區。通過布設各種觀測設備，在多變的天氣下，將不同類型的探測資料進行綜合分析和模擬試驗，并與GPM星的觀測信息進行對比。做這樣的試驗，既可以標定衛星資料的精度，也可以對奧林匹克山伴隨特殊中緯度地形產生的復雜天氣系統進行研究，還可以改進衛星雷達在這一區域反演降水的算法，顯然是一舉多得的選擇。

奧林匹克山氣象試驗從2014年秋季開始，持續到2016年春季，重點觀測活動集中在2015—2016年秋冬季（圖2）。來自NASA、NOAA、國家基金會（NSF）、各大學的相關領域專家參加了這一試驗。在地面上布設了四種頻段的雙偏振多普勒雷達，包括S波段、X波段、Ku波段和Ka波段。S和X波段雷達用于對大范圍的天氣系統進行監測，Ku和Ka波段雷達除有助于監測天氣系統的細微結構外，更重要的是可直接與GPM衛星上的Ku/ Ka波段雷達信息進行對比校正。

地面觀測的另一重要特點是沿著奧林匹克山體走向的自動觀測站布設，形成對沿山脈爬升和下沉氣流和天氣系統變化的立體觀測，可以更細致地了解山脈對天氣系統的影響及天氣變化的連續過程（圖3）。此外，還安裝了自動拍攝的攝像機，可以監測并記錄降雪和積雪狀況。儀器外，在有雨、雪等天氣系統時，通過下投探空儀（dropsondes）和探空雷達（rawinsondes）對天氣系統的垂直結構進行探測。

圖2 奧林匹克山氣象試驗期間地面和空中設備運行計劃表

圖3 2015年11月10日—2016年5月1日奧林匹克山氣象試驗期間地面測站獲取的降雨累計量分布（單位：mm）

NASA的DC-8飛機的飛行高度可達11.8 km，裝載了新型三頻雷達探測儀APR-3，可以通過Ku、Ka、W三個頻段進行主動探測（圖5、圖6），還裝有多波段微波被動遙感裝置COSMIR，兩個裝置協同觀測，可以較完整地獲取大氣狀況信息。NASA的另一架飛機ER-2功能更強一些，

圖4 2015年12月3日三架飛機DC-8（黃色）、Citation（藍色）和ER-2（紅色）在GPM衛星Ku頻段雷達掃描帶中協調飛行探測

圖5 2015年12月8日安裝在DC-8飛機上三頻測雨雷達APR-3從奧林匹克山脈的西南（左側）到東北（右側）穿越時向下探測得到的信息

除地基的綜合觀測外，來自空中的觀測也展示了很強的能力，美國宇航局提供了四架研究飛機參與空中觀測（圖4），除飛機本身攜帶的觀測飛行高度可達18 km，安裝有Ku和Ka雙頻雷達HIWRAP，9.4和9.6 GHz雙X波段雷達EXRAD，94 GHz 的W波段云雷達CRS-Radar，8波段微波輻射計AirMSPI，激光雷達CPL等。與這兩架飛機協調探測的另一架飛機是美國北達科他大學（UND）提供的Citation飛機，可在0.6～7.5 km高度飛行，配備了最先進的云微物理探測儀，主要在云層內飛行，可對云中的云滴、水滴、冰晶的圖像、大小、濃度、速度等進行直接觀測，用于與雷達、衛星獲取的遙感信息轉換的云水信息量進行比較驗證，從而對算法進行改進。NASA的噴氣動力實驗室（JPL）還提供了一架裝有測雪激光雷達的飛機（ASO），用于對奧林匹克山地區積雪范圍、深度和密度進行觀測。

這些飛機通過反復穿越中緯度斜壓風暴系統，獲取了大量寶貴的實測資料，一方面通過Ku和Ka雙頻雷達獲取的信息與GPM衛星的雙頻雷達信息進行比較驗證，其他各類信息也對研究降雨過程的演變非常有價值，如W波段雷達信息可以觀測到云中更為精細的水滴和冰晶粒子信息的變化，再同地面較長波段雷達探測信息結合，信息就更完整了。飛在云頂上的ER-2飛機可以通過激光雷達直接獲取云頂高度變化（圖7），這也是云系發展的重要指標特征。

通過各類先進設備進行野外觀測試驗，最終的目標還是要對獲取的信息進行合理的分析和在天氣氣候研究中得到有效應用，已有不少科學家做了分析研究，取得了很有價值的成果，在不少刊物上都可查閱到相關文獻。

小結

1）對于空間對地探測獲取的衛星信息，無論是主動遙感還是被動遙感，都應與地面或低空實測信息進行系統性對比檢驗，根據對比結果標定探測精度，改進產品算法。

2）隨著探測技術的提升，多頻主動遙感雷達已可在地面、空中和太空探測中得到應用，與單頻雷達相比，獲取的信息更為豐富，包括對雨滴、云滴、冰晶等的形狀、尺度、密度及運動變化和分布特征都可監測得更為細致，并能進一步開發出更多應用產品，通過對這些信息加深認識好理解，將在未來大氣探測和預報分析業務中會發揮更廣泛的價值。

圖7 2015年12月3日ER-2飛機上的激光雷達（CPL）獲取的云頂高度信息

3）在合適的地點進行業務、科研試驗，既可以對探測設備信息進行評估檢驗，同時也能加深對天氣、氣候系統的認識，包括山地、海陸差異等對天氣系統的影響。這類對探測設備進行對比檢驗評估的大型試驗，既是探測業務建設的必要環節，也是很有價值的對天氣氣候系統針對性研究，需要對試驗計劃進行整體設計，及參與試驗的各部門人員密切協作，包括提供各類設備、技術和方法，并根據試驗目標開展業務布局，采用科學方法對通過不同手段獲取的信息進行綜合分析，只有將每個環節都考慮周到并細致做好，才能達到預期目標。

4）奧林匹克山氣象試驗所動用的探測設備從種類的完整性和技術的先進性角度看都是少見的，參與的科學家和業務人員也是高水準的，取得了豐碩的成果，從試驗的整體設計到科學的分析方法，以及最終取得的研究進展都值得關注、學習和借鑒。

深入閱讀

Houze Jr R A, McMurdie L A, Petersen W A, et al. The Olympic Mountains Experiment (OLYMPEX). Bulletin of the American Meteorological Society, 2017, 98(10): 2167-2188.

Chase R J, Finlon J A, Borque P, et al. Evaluation of triple-frequency radar retrieval of snowfall properties using coincident airborne in situ observations during OLYMPEX. Geophysical Research Letters, 2018, 45(11): 5752-5760.

Currier W R, Thorson T, Lundquist J D. Independent evaluation of frozen precipitation from WRF and PRISM in the Olympic Mountains. Journal of Hydrometeorology, 2017, 18(10): 2681-2703.