大氣垂直廓線探測技術及其衍生產品概述

大氣垂直結構對天氣系統的形成、演變以及氣候系統的穩定性具有決定性作用[1]。準確獲取大氣垂直廓線信息，對理解大氣物理過程、提高天氣預報準確率、評估氣候變化趨勢及制定防災減災策略至關重要。通過地基、空基、天基等平臺可實現對大氣溫壓濕風、云水含量及氣溶膠分布等參數垂直分布特征的精確測量。基于此，對大氣垂直廓線探測關鍵技術進行綜述，并淺談其衍生產品在氣象業務中的具體應用及重要意義。

1大氣垂直廓線探測綜述

1.1地基遙感技術

氣象地基遙感垂直觀測系統是由Ka波段毫米波測云儀、風廓線雷達、微波輻射計、GNSS氣象觀測、氣溶膠激光雷達輔以集成控制系統構成的大氣垂直觀測系統[2]。該系統利用遙感的觀測方式，獲得一定高度的大氣主要氣象要素，實現大氣動力、熱力、水汽和氣溶膠要素的同址連續分鐘級觀測。為實現垂直觀測科學布局，我國引進國際先進的觀測系統模擬試驗（OSSE）和預報對觀測的敏感性試驗（FSOI），從觀測布局密度、觀測要素、觀測高度3個方面開展研究，最終得出適宜我國垂直觀測的布局設計結論[3]。截至2024年，31個省區市共已建設290套垂直觀測站，其中風廓線雷達216部，微波輻射計114部，毫米波測云儀129部，氣溶膠激光雷達76部，平均間隔 200km ，東部和西南則達到 150km 網間間隔[4]。

1.1.1 Ka波段毫米波測云儀

Ka波段毫米波測云儀主要利用云粒子對毫米波的散射特性，根據雷達接收的回波功率和多普勒頻移，獲得照射體粒子的反射率因子、徑向速度、速度譜寬和云粒子半徑[5。毫米波云雷達基本產品包括云反射率因子、徑向速度、速度譜寬、信噪比(圖1)，其時間分辨率為 1min ，垂直分辨率達 30m ，探測高度為150～15000m 除此之外，還可獲得導出產品一云底高度、云頂高度和云層厚度。通過毫米波云雷達的觀測，不僅可得到云的宏觀結構，還能觀察到微觀物理特征參數，在垂直方向上可精細獲取云系的發展演變過程。且相較于其他體制的云觀測，毫米波云雷達觀測具有探測精度高、天氣適應性強、探測要素多、成本低、壽命長、體積小等優點。

1.1.2 風廓線雷達

風廓線雷達以晴空大氣湍流對人射電磁波的散射回波作為探測基礎，采用多普勒雷達探測收發技術求解得到大氣三維風場。風廓線雷達基本產品包括水平風(風向、風速)、垂直速度、大氣折射率結構常數Cn2 、信噪比、譜寬(圖2)，其時間分辨率為 6min ，垂直分辨率 120m (低模式)和 240m (高模式)，探測高度為150～6000m 風廓線雷達利用多普勒效應，可以對測站上空的風場信息進行高時空分辨率的連續探測，實時地提供大氣水平風場、垂直氣流等氣象要素隨高度分布變化的信息，極大地彌補了傳統測量方式在高空風觀測時空密度不夠的缺陷[6-7]。

1.1.3 微波輻射計

地基微波輻射計作為無線電探空探測的一種有效補充，采用被動遙感方式，利用大氣中不同成分和狀態對微波輻射的不同吸收和發射特性，被動接收站點上空大氣微波輻射信號，反演出 0.05～10.00km 的溫度、相對濕度、水汽密度、液態水含量等參量，實時輸出對流層范圍內的大氣溫濕廓線、大氣柱積分水汽含量等數據產品[8。微波輻射計基本產品包括K、V通道亮溫(圖3)，其時間分辨率為 2min ，垂直分辨率隨高度變化， 0～500m 分辨率 ?50m，2000～10000m 分辨率 ?250m ，探測高度為 0～10km 除此之外，還可獲得導出產品：溫度、相對濕度、水汽密度廓線、積分水汽總量、積分液水含量。由于微波能夠穿透云層，因此微波輻射儀在云層覆蓋的情況下也能進行觀測。不受天氣條件限制的優勢，使得微波輻射儀能夠全天候連續觀測，對提高天氣預報準確率，特別是降水預報準確率具有關鍵作用。

1.1.4 GNSS氣象觀測

GNSS氣象觀測即全球導航衛星系統氣象觀測，其探測水汽的原理是導航衛星發射的載波信號在穿過大氣層時受到大氣的折射而延遲，大氣延遲又可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項延遲，通過對電離層延遲和靜力延遲的毫米數量級訂正，得到毫米數量級的濕項延遲，濕項延遲與大氣可降水量建立嚴格的正比關系，從而實現大氣可降水量探測。

GNSS氣象觀測基本產品包括大氣可降水量產品和天頂延遲產品(圖4)，張克非等提出地基GNSS技術不僅可以提供天頂對流層延遲和大氣可降水量等二維水汽產品，還可以提供斜路徑對流層延遲、斜路徑水汽含量、水平梯度和三維水汽密度等三維廓線信息[9]。地基GNSS技術直射信號應用于測量大氣可降水量、電離層電子濃度等，反射信號應用于探測積雪深度、土壤濕度、植被含水量等，具有全天候、高精度、低成本、易維護和穩定性好等優點。

1.1.5 氣溶膠激光雷達

激光雷達作為一種主動探測儀器，通過發射激光束并檢測其與大氣中氣溶膠粒子相互作用后的散射光，來測量氣溶膠的濃度、尺寸分布以及垂直分布特征。氣溶膠激光雷達基本產品包括消光系數和后向散射系數、光學厚度、退偏振比(圖5，其時間分辨率為1～30min ，平均有效探測高度 ?10km 氣溶膠激光雷達具有可長期進行全天時監測的優勢，能夠實現對大氣溫度、氣溶膠顆粒物、大氣分子等的探測，對邊界層污染擴散、云物理過程研究及大氣成分分析具有重要意義。

1.2北斗探空技術

探空氣球作為傳統的大氣垂直探測手段，搭載溫壓濕風等傳感器，通過無線電遙測方式將觀測數據傳回地面站，獲取從地面到 30km 高度的大氣廓線。與飛機、雷達等其他高空氣象探測手段相比，探空氣球攜帶的探空儀能直接“接觸”大氣信息，其獲得的數據通常被認為最準確，也因此被當作其他高空氣象探測系統的校準系統。中國氣象局從2016年開始牽頭組織開展新型北斗智能探空系統的研制，創新性提出了內外2個探空氣球嵌套的模式[10-1]。雙球可實現一次放球獲取“上升一平漂一下降”三段式探空觀測數據。平漂零壓氣球、多通道雙向通信接收設備等重點難點技術的攻克，成功解決了平流層測溫和下降段測風、平漂軌跡預測和觀測資料質量控制等業務應用的關鍵問題，2024年已開啟北斗與L波段探空平行對比觀測，預計2025年北斗探空將正式進入業務運行。

2大氣垂直廓線探測的具體應用與意義

2.1天氣預報與氣象服務

大氣垂直廓線數據對捕捉大氣不穩定性和觸發機制以及追蹤對流云發展、預測降水強度等至關重要，準確的大氣垂直廓線數據有助于提高數值天氣預報模型（NumericalWeatherPrediction，NWP）初始場的準確性，從而改善天氣預報的精度和時效性；其全天候連續性觀測的特點有助于短臨預報和監測預警。近年，新型垂直觀測產品已經在冬奧會和亞運會等重大活動中提供氣象服務保障；在黃淮霧霾、北京冰雹、臺風暴雨、地震泥石流等災害性天氣中有效提升了災害性天氣的監測預警和服務能力，大大降低了氣象災害帶來的損失。

2.2 氣候變化研究

高時空分辨率的大氣垂直探測是獲取長期連續大氣垂直氣象要素的重要步驟，對理解氣候變化機制、分析大氣中溫室氣體的垂直分布變化、云系結構的變化及其對輻射平衡的影響等有著重要意義，是評估氣候變化趨勢及制定應對策略的關鍵支撐。

2.3空氣質量監測與污染防控

大氣垂直廓線探測技術對監測大氣污染物(如PM_2.5. 臭氧等)的垂直分布、傳輸路徑及沉降過程具有重要作用。結合氣溶膠激光觀測儀、風廓線小時風羽圖和地面站監測數據，可以構建三維空氣質量模型，為精準施策、減少污染排放提供科學依據，幫助政府和環保機構更好地實施空氣質量管理計劃。

3大氣垂直廓線探測面臨的挑戰與未來發展方向

盡管大氣垂直廓線探測技術研發取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰。一方面，隨著氣候變化和城市化進程的加速，大氣環境變得更加復雜多變，對探測技術的精度、時空分辨率和覆蓋范圍提出了更高的要求；另一方面，數據同化技術、算法優化及計算能力的提升仍需持續加強，以提升觀測數據質量，更好地整合多源觀測數據，提高數值天氣預報模型的準確性和時效性。

未來，大氣垂直廓線探測技術的發展方向將包括：第一，技術創新與集成，繼續推進激光雷達、微波輻射計、無人機及衛星遙感等技術的創新，探索新技術(如量子雷達、太赫茲雷達)在氣象觀測中的應用潛力，同時加強多源觀測數據的集成與融合；第二，智能化與自動化，利用人工智能、大數據等技術，提高數據處理和分析的智能化水平，實現觀測設備的自動化運維和數據質量控制，降低運維成本，提高觀測效率。

4結束語

大氣垂直廓線探測技術的發展與應用，對提升氣象預報準確率、提高災害性天氣預警能力、深化氣候變化與災害研究、加強空氣質量監測具有重要意義。簡要概述了大氣垂直廓線探測技術及其衍生產品應用，但未能涵蓋所有細節和技術進展。隨著科技的不斷發展，相信未來會有更多創新技術和方法應用于大氣垂直廓線探測領域，為氣象科學和氣象服務的發展注入新的活力。

參考文獻

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