地基遙感垂直觀測系統在氣象觀測業務中的應用

李厚霖

（甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

氣象影響著人們的生活出行，同時也與社會的建設與發展息息相關。近年來，我國每年因自然災害造成的生命財產損失中，氣象災害占比越來越高［1］。因此，對實時性的災害天氣進行監測，發布氣象災害預警信息［2］，提升防災減災能力成為研究熱點［3］。科技進步帶動著氣象探測領域技術的發展，如今各類新型氣象儀器被推向市場［4］，盡管采用的探測原理各不相同，但都以光電傳感器作為基礎。

目前，我國的探測體系主要以自動氣象站和新一代天氣雷達為主［5］。自動氣象站只能獲取到近地面的溫濕度、風向風速等有限的氣象數據［6］。新一代天氣雷達由于靜錐區的存在，無法獲取到正上方不同高度的氣象數據信息，且新一代天氣雷達可獲取的信息種類較少，一般為反射率因子與徑向速度等元數據［7］。兩者都存在一定的局限性。立足氣象防汛減災服務保障薄弱環節，為提高我國大氣溫、濕、風、水凝物和氣溶膠等氣象要素的垂直精細化監測能力，需要一套能夠全方位探測目標區域多種氣象要素的觀測系統。地基遙感垂直氣象觀測能夠通過主動或者被動遙感方式，對地面上方一定范圍內大氣熱力和動力狀態（溫度、濕度、風、水凝物、氣溶膠等）的變化過程進行系統性、連續性綜合觀測，從而有效彌補了自動氣象站和新一代天氣雷達的短板。

1 地基遙感垂直觀測系統概述

目前我國多地建設的地基遙感垂直觀測系統主要由5 種設備組成，分別是：毫米波測云雷達、微波輻射計、風廓線雷達、氣溶膠激光雷達和GNSS∕MET，此外還包括與之配套的地基遙感垂直廓線集成系統和輔助設備，組成結構如圖1 所示。利用該系統可以開展溫度、濕度、風、氣溶膠、水凝物等大氣熱力學、動力學基本變量的垂直結構觀測。包含但不限于：水平風速、水平風向、垂直風速、云反射率因子、云垂直速度、云速度譜寬、云高、云厚、云水相態、大氣溫度廓線、大氣相對濕度廓線、大氣水汽密度廓線、氣溶膠消光系數、氣溶膠后向散射系數、氣溶膠光學厚度、污染物混合層高度、顆粒物濃度等17 項觀測項目。由于是多設備組合觀測，地基遙感垂直氣象觀測系統各設備同址安裝，集中布設，便于設備供電和數據通信。為了兼顧各設備安裝及觀測維護需求，還應與地面氣象觀測站或高空氣象觀測站等同址布設。各設備與地面氣象觀測站控制區高度距離比、最小距離、距高空氣象觀測站放球點距離等應嚴格執行相關探測環境保護規范要求，不能影響原有觀測業務。

圖1 地基遙感垂直觀測系統組成結構

2 地基遙感垂直觀測系統構成

2.1 毫米波測云儀

我國的風云系列氣象衛星可以提供實時的高清晰度的云圖，但是衛星云圖無法獲得垂直方向云內物理特征、云低分布情況及高度信息。毫米波測云儀利用云霧和弱降水對電磁波的散射作用，通過對云發射Ka波段（一般為35.000 5 GHz）的電磁波束并接收雷達回波，獲得反射率因子、速度、譜寬、信噪比、功率譜等數據，生成云底高、云頂高、云厚、云量、零度層亮帶、液態水含量、粒子有效半徑等二次產品，來了解云的特性。云的回波參數反映了云的宏觀和微觀結構，如回波頂的高度、回波的體積、面積等反映云的特征尺度，回波強度反映云中粒子的大小和密度，回波強度在時間和空間上的變化反映云內微物理過程的結構和演變特征。毫米波測云儀總體分為硬件系統和軟件系統兩部分，結構如圖2所示。

圖2 毫米波測云儀結構

2.2 微波輻射計

地基微波輻射計是一種無源微波遙感型的探測儀器，可以根據大氣對于不同頻率微波頻段輻射吸收的差異，被動選擇不同微波通道來探測大氣的溫度濕度的變化曲線，可以把它當作一個高分辨率、高靈敏度的微波輻射接收機。通常對大氣在22.2～200 GHz 的頻率帶中的微波輻射進行測量。一般在22.2 GHz 附近和183 GHz 附近的特征表現認為是一個水汽諧振帶，在60 GHz 附近的特征表現認為是大氣氧氣諧振帶，而在此頻率帶中云液態水的發射光譜并無諧振，并近似與頻率的二次方成正比。地基微波輻射計通過探測大氣亮溫，結合物理方法和統計方法建立反演，能長期、自動、連續提供地表上空0～10 km 范圍內的溫濕度廓線，進而計算得出大氣柱積分水汽量、大氣柱積分云水含水量等并生成多種氣象應用產品。地基微波輻射計具備對中小尺度大氣層結的精細探測能力，可作為常規高空觀測的有益補充，滿足氣象業務和科研的實際使用需求。微波輻射計系統包括接收單元、內部定標單元、數據采集與系統控制管理單元、集成處理器和必要的輔助單元組成和輻射計的控制管理應用軟件。其中，輔助單元包括外部液氮定標組件、防雨霧干燥組件、地面氣象要素觀測組件、時間同步組件、機體和支架等。微波輻射計結構如圖3所示。

2.3 氣溶膠激光雷達

激光雷達是傳統的無線電雷達技術與現代激光光源相結合的產物。氣象探測激光雷達是以激光作為光源，通過遙感激光與大氣相互作用產生的回波信號來反演氣象參數的光電設備。激光在大氣介質中傳輸時，會發生瑞利散射、米散射、拉曼散射、吸收、共振、熒光效應、多普勒頻移等多種效應。瑞利散射與米散射屬于彈性散射過程，散射波長與入射波長相同，而拉曼散射為非彈性散射過程，散射波長與入射波長不同。目前建設的氣溶膠激光雷達多以355 nm、532 nm 和1 064 nm 等3 個波長為光源，通過瑞利散射、米散射、拉曼散射、吸收等與大氣相互作用，產生8種回波信號來反演大氣參數［8］。獲取分鐘級的后向散射系數、消光系數等基本觀測產品，以及光學厚度、垂直能見度、混合層高度、顆粒物濃度等二級產品，能夠實時監測氣溶膠濃度、顆粒物分布。一般也稱作三波長八通道型氣溶膠激光雷達，主要由激光發射分系統、接收分系統、光電轉換和數據采集分系統、電源分系統、綜合控制分系統和環控分系統等組成，如圖4所示。

2.4 風廓線雷達

目前風廓線雷達主要工作在L 波段，利用大氣湍流對電磁波的散射作用進行風場測量。大氣動力和熱力狀態分布不均是大氣湍流的主要成因［9］。大氣湍流的隨機運動使風、溫度、濕度、氣壓、折射率等各類要素場呈現脈動特征。當風廓線雷達向大氣層發射L 波段的電磁波束時，由于湍流脈動使大氣折射率產生相應的漲落，雷達發射的電磁波信號將被散射，其中的后向散射部分將產生一定功率的回波信號。根據大氣湍流散射理論，對雷達發射的電磁波能產生有效后向散射的湍流渦旋尺度等于雷達波長的一半，且雷達波長需要選擇在滿足均勻、各向同性湍流的慣性副區內。

為減小單一波束測量帶來的誤差，現有的大部分風廓線雷達采用五個波束發射模式，如圖5 所示。五個波束指向一般是一個垂直指向波束（也稱為天頂波束），四個傾斜指向波束。四個傾斜波束一般在天頂波束的正東、正西、正南、正北四個方向，傾斜波束與天頂波束夾角一般在15°左右，當夾角過小時，兩個波束的測量區域會高度重合，可能導致測量數據之間存在分歧；而當夾角過大時，兩波束測量區域的相似性大大降低，數據之間不存在相關性。當風廓線雷達沿某一波束方向探測時，首先依據信號返回的時間不同進行距離庫劃分，由此確定上方大氣回波的位置；再利用頻譜分析的方法來提取每個距離庫上的平均回波功率、風的徑向速度、速度譜寬和探測區域內信噪比等氣象信息。完成一個探測掃描周期以后，便獲得了沿不同波束方向、不同距離庫上的基礎數據。通過對一個探測掃描周期內獲取的基礎數據，進行進一步分析處理，就可以得到包括風廓線風羽圖在內的多種氣象資料。

風廓線雷達的發射功率，以及大氣折射率、湍流能量等決定了雷達的最大探測高度。風廓線雷達的回波信號較弱，且隨著高度的增加，能夠探測到的反射率迅速減小。一般降水粒子對10 cm 波長（也就是S 波段新一代多普勒天氣雷達）雷達信號的反射率是10-11～10-8m-1；而對風廓線雷達來說，對流層上部晴空天氣情況下比較常見的大氣對雷達信號的反射率為10-19～10-16m-1。因此極強的弱信號檢測能力是對風廓線雷達的基本要求。

2.5 GNSS∕MET

導航衛星的信號自上而下穿越大氣層時，受到對流層的影響發生折射，導致傳播路徑彎曲并產生了信號延時。在氣象學中，利用折射量可以推算出大氣折射率，通過折射率與溫度、氣壓和水汽等多種參量之間的函數關系，可以估算出大氣層中的水分分布情況。GNSS∕MET 正是利用這個原理持續接收衛星信號并解析計算，基于直射信號可以探測大氣上方電離層中電子濃度，基于反射信號可以探測地表土壤濕度、積雪深度、植被含水量、大氣中水汽含量與分布等信息，且具有全天候、高精度、高時空分辨率、自校準和低成本等優點。GNSS∕MET 一般由室內設備和室外設備組成，主要包括墩標、GNSS 天線、通信線纜、防電涌設備、UPS、GNSS接收機等。

2.6 垂直廓線集成系統

地基遙感垂直廓線集成系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件部分包含數據交換模塊、系統融合處理分機模塊、視頻監控分機模塊、環境分機模塊、短信模塊等，整體構造采用模塊化設計，各模塊之間獨立運行、互不干擾。支持多種氣象觀測設備及附屬設備接口類型，滿足數據傳輸要求，傳輸穩定。系統通過數據交換模塊獲取毫米波測云儀、地基微波輻射計、風廓線雷達、GNSS∕MET、氣溶膠激光觀測雷達的數據，完成數據的傳輸、存儲及融合處理；融合處理后數據通過數據交換模塊傳輸至業務系統及數據中心。地基遙感垂直廓線集成系統結構如圖6 所示。

圖6 地基遙感垂直廓線集成系統結構

3 地基遙感垂直觀測系統在業務中的應用

位于甘肅省酒泉市的地基遙感垂直觀測系統于2021 年進行了設計規劃，2022 年5 月相關設備運抵酒泉國家基準氣候站并于9 月初完成了安裝測試，開始試運行。在此期間，筆者參與了安裝測試與驗收，并從試運行至今負責系統建設的維護與評估。試運行期間，酒泉市氣象局利用地基遙感垂直觀測系統，多次對酒泉市內的對流天氣風場和大氣湍流特征進行了追蹤，結果表明該系統對中小尺度對流系統發展研判和強天氣預警能力明顯提升。

地基遙感垂直觀測系統的建立實現了區域內多要素全天候立體化監測，彌補城市氣象觀測的不足。可以獲得城市大氣邊界層內熱動力狀態及演變過程，提高城市上空對流云和降水觸發演變規律及城市“雨島效應“機理研究能力，提升城市局地強降水監測預警能力。此外，該系統改善數值模式初值場，獲取精細化、多維度、多參數的初始場，為暴雨洪澇、大風沙塵等災害天氣預警提供更有效監測，為交通、旅游、文物保護等專業氣象服務產品的研發和改進提供更翔實的數據支撐。該系統還有助于提高祁連山邊坡地帶風場、水汽環流、云降水形成及邊界層污染機理研究能力，增加了干旱半干旱地區氣候變化研究手段，助力了祁連山生態保護和修復工作。

4 結語

地基遙感垂直觀測系統彌補了氣象探測業務中的短板，為天氣分析、數值預報、環境監測、云微物理研究和人工影響天氣等領域提供重要的基礎支撐。雖然該系統目前還存在探測區域有限，數據過于龐大且質量控制不及時等不足，但隨著全國布網的開展和新技術的發展，將來一定能夠為精細化數值預報和人工影響天氣作業提供強有力的支撐。