2012, 23 (4): 441-450
2. 中国气象局气象探测中心，北京 100081
2. CMA Meteorological Observation Center, Beijing 100081
云是指停留在大气层中水滴或冰晶的集合体，是地球水分循环的重要因子。云通常覆盖地球表面的50%左右，是地球大气辐射收支平衡的主要调节者，是影响地球大气热量平衡的重要因素。局地云的分布对当地短期预报有直接的参考价值，云的年、季节变化对于研究全球气候变化以及水汽收支平衡具有重要意义。在云的宏观参数中，云高、云量、云类是主要的观测要素，其中云底的高低决定了云的分类和降水概率。
尽管卫星遥感[1]可获得全球分布、昼夜连续的云观测资料，但受其空间分辨率以及对云层底部和多层云观测能力的限制，仍不能满足大气科学研究的需要，因此有必要开展地基云的观测研究。国外对地基云的自动观测研究起步较早，技术成熟的有总天空成像仪 (TSI) 和全天空成像仪 (WSI) 等[2]设备。其中WSI[2-3]采用加装鱼眼镜头的CCD相机得到全天空图像，白天和夜间采用不同的算法给出全天空云的分布信息。美国Yankee环境系统公司研制出TSI[4]，能够给出白天全天空的连续图像，当太阳高度角大于10°时可以反演出天空云的分布。激光云高仪[5]能够测量天顶方向的云底高度，但硬件结构复杂，部分器件价格昂贵，另外由于半导体自身的特性，使得该设备探测高度有限，且对环境要求较高。Genkova等[6]研制全天空红外云分析仪Nephelo，该设备安装多个工作于8~14 μm波段红外传感器获取天空亮温，该种设备在云量及云底高观测方面有较强优势。他们于2003年2—6月在位于美国俄克拉何马州的ARM计划试验基地进行多种仪器试验对比分析，在云量方面WSI，TSI，Nephelo三者之间相关性都高于0.7。在云高方面，Nephelo与维萨拉生产VCEIL型激光云高仪于2003年3月20日进行对比试验分析，证实两者在云高走势上基本一致。国内对于云的地基观测主要分为以下几种：中国科学院大气物理研究所研究开发的地基全天空可见光成像观测系统 (ASI)[7]，能够对全天空云的变化情况进行判别，获取云的分布信息。中国科学院大气物理研究所也开展单元式地基全天空热红外云像仪 (SIRS)[8-9]的研究工作，通过多次迭代方式进行地基遥感反演云宏观参数的试验，并于2004年12月开始在河北省香河观测试验基地与微脉冲激光雷达进行对比观测，SIRS与微脉冲激光雷达之间线性相关性较好，R2(R为相关系数) 达0.8726。解放军理工大学利用非制冷红外焦平面阵列与宽视场红外镜头开展地基测云方面的研究工作，研制出红外测云传感器 (WSIRCMS)[10-11]。该系统采用阈值与纹理相结合的方式进行云识别，分析利用灰度共生矩阵、局部二值模型谱等纹理方法对全天空云进行分类。
本文对无云时影响天空辐射亮温的主要因子进行分析，得出无云时刻的修正公式应用到有云天气条件下。用双站数字式云高仪所测云高进行标校，结合云的红外辐射特性，以对流层大气温度垂直递减率为理论基础，建立云层底温度递减梯度参数反算天顶方向的云高，最后与维萨拉激光云高仪CL31所测云高数据进行对比分析，验证算法的准确性。
1 系统结构及测量原理地基双波段测云系统主要由工作于红外波段的测温传感器及可见光波段的数字相机构成，系统结构如图 1所示。两个摄像机云台及红外传感器位于同一基线上，并且两个相机的光轴与基线平行，三者同时对准天顶方向。
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| 图 1. 双波段测云系统整体结构 Fig 1. Dual-band measurements of the cloud system | |
1.1 红外测温传感器
红外测温传感器采用德国欧普士公司生产的CTlast，用于感应8~14 μm波段大气向下红外辐射，系统响应时间为120 ms，精度优于1℃，温度分辨率为0.1℃，可连续工作于-20~85℃环境条件下。该设备具有较小视场，D:S=34:1(D为传感器头部到被测物的距离，S为测量点直径的大小)，考虑云体一般较大，该设备完全满足对云体温度的测量要求。
1.2 双站数字式云高仪工作于可见光波段的相机采用Sony公司生产的FCB-1010P机芯，视场角为54°，图像分辨率为44万像素。系统功能包括图像采集、处理、标校、全天空云图拼接、云高分层及计算。该系统采用星星对相机姿态角进行校正，寻找云的同名点信息，利用前方交会技术[12]计算天顶云高。该系统通过摄影测量学原理计算天顶云高，精确度高，不足之处是该设备只能在云纹理清晰的白天进行观测。
2 数据获取与处理红外测温传感器每秒钟采集1次天顶方向的辐射亮温，记为Tb。地面环境参数分别记为温度t、湿度hum、能见度v。双站数字式云高仪在天顶云纹理清晰情况下每5 min测得1个天顶方向的云高，记为h。
2.1 天顶红外辐射亮温处理由于大气造成地基传感器接收到的天空辐射亮温即使无云时也会存在变化，图 2中03:30(北京时，下同) 之前天顶无云，但辐射亮温在-8℃~-4℃之间跳跃。03:30之后天顶辐射亮温曲线变化剧烈，造成这种现象的原因是天顶方向有云存在且云层底不均匀，此时地面红外传感器接收到的温度即为云层及云层下方大气的辐射亮温。为得到真正云底辐射亮温，对每分钟天顶红外辐射亮温曲线寻找极大值点，对极大值亮温数据再进行直方图统计，出现频率最高即为云层底亮温，作为每分钟云高反演所用的辐射亮温。
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| 图 2. 天顶红外辐射亮温随时间变化 Fig 2. Zenith point infrared brightness temperature change with time | |
双站数字式云高仪在天顶云纹理清晰时每隔5 min给出1个天顶方向的云高数据，而红外传感器每秒钟测得1个天顶红外辐射亮温。为使所测红外辐射亮温与可见光云高数据对应，对5 min内300个红外辐射亮温数据寻找极大值点，对符合条件的数据进行直方图统计分析，将出现频率最多的亮温值作为与可见光云高对应的云层底亮温，此亮温值结合可见光云高用于下面梯度参数的建立。
2.2 地面环境参数数据分析在8~14 μm波段，大气红外辐射能量在传输过程中，受到大气分子、云粒子、气溶胶粒子的散射和吸收[13]。在8~14 μm波段中涵盖了臭氧强吸收带，但大气中臭氧的含量很少，且集中在离地面10~50 km[14]高度，与降水有关的云层一般都远低于这一高度值，在有云情况下不考虑地基传感器受臭氧吸收带的影响。在红外大气窗口区域，水汽会对大气辐射产生连续性吸收[13]，并且在大气中水汽的含量随时间和空间变化很大，水汽变化对地基红外辐射亮温造成的影响不能忽略。大气中悬浮颗粒也是影响大气向下辐射传输的主要因子，实际观测中发现能见度只有在很低的情况下才对天空亮温影响比较明显。寻找天顶方向无云时刻天空亮温与地面温度和湿度之间的关系，利用2011年1—6月北京市观象台观测到的天空亮温及地面台站的温度和湿度进行统计分析。由图 3可知，天空亮温Tb与对应的地面温度、水汽压、露点温度存在良好的数值对应关系，可用下式拟合：
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(1) |
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| 图 3. 晴空条件下地面环境因子与天顶亮温的关系 Fig 3. Relations between Tb in zenith direction and surface environmental parameters in clear sky condition | |
图 3中各拟合方程的线性相关系数分别为0.931，0.949，0.952，达到0.05显著性水平。从图 3可看出，天顶无云时红外辐射亮温随地面温度及湿度变化存在良好的线性对应关系，且同一地区不同时间内天空辐射亮温值相差大于30℃。因此依靠天空红外辐射亮温进行后期的云高反演时，必须考虑地面环境参数的影响。
2.3 地面参数对云层底亮温修正天顶无云时传感器得到天空亮温数据与地面温度相同、能见度相同、湿度很小条件下推算出的天空亮温之差即为湿度因子造成的天空亮温修正值。表 1为地面温度恒定，不同湿度条件下测到的天空亮温。图 4a给出各温度段地面湿度与天顶亮温的拟合关系，图 4b给出图 4a中各拟合直线斜率与地面温度的分布情况，图 4c给出各拟合直线截距与地面温度的分布情况。
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表 1 无云时刻地面温度恒定不同湿度条件下推算出的天空亮温 Table 1 The sky infrared brightness temperature calculated in clear sky conditions with constant ground temperature and different humidity |
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| 图 4. 不同地面温度条件下地面湿度与天顶亮温之间的关系 (a) 及地面温度与各拟合系数斜率 (b) 和截距 (c) 之间的关系 Fig 4. Relations between Tb in zenith direction and surface humidity in different surface temperature (a), relations between surface temperature and fitting coefficient slope (b) with intercept (c) | |
图 4a中在地面温度一定的情况下，天顶红外辐射亮温与湿度有良好的线性相关性，随着地面湿度的增大，水汽对地面辐射亮温的贡献变大，造成传感器测到的温度值增大。即便是地面环境湿度相同的条件下，随着地面温度的增大，天空辐射亮温也随之增大，同样说明天空辐射亮温随季节变化比较明显。图 4b与图 4c分别为图 4a中各拟合直线的斜率和截距分别与地面温度之间的相关分布情况。通过观察采用非线性拟合可以得到其相关函数表达式。
图 4b中斜率k与图 4c中截距b分别与地面温度之间的对应关系可用下面公式进行描述：
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(2) |
式 (2) 中，t为地面环境温度；B为常数；Y可分别代表斜率k或截距b：
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(3) |
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(4) |
通过对斜率和截距曲线进行插值，可近似得到任何地面温度、湿度条件下的天顶辐射亮温:
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(5) |
将式 (3) 和式 (4) 带入式 (5)，得
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(6) |
在实际情况下，根据式 (6) 反算出天顶无云条件下的辐射亮温与实测亮温值有较大的偏差。这种差值在地面温度及湿度参数变化不大、能见度较好 (＞10 km) 情况下是固定的。找到这种固定的差值C，并对式 (6) 进行订正：
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(7) |
利用订正后的式 (7) 反算出的红外辐射亮温值接近于实测辐射亮温值。同样在能见度不好的情况下利用式 (7) 反算出的天顶辐射亮温与此时刻实测的天顶亮温之差C′，即为能见度及其他因子造成的天空亮温修正值。图 5即为能见度等外界因子对天顶辐射亮温值的修正关系。
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| 图 5. 地面能见度与修正温度之间的关系 Fig 5. Relations between the range of surface visibility and modified temperature | |
3 天顶云高反演算法描述
温度垂直递减率[14]指每上升一个单位高度，大气温度下降的数值。在中高纬度地区平均为-6℃·km-1，在低纬度暖湿洋面上约为-5.5℃·km-1。且温度垂直递减率随季节、时间、地理环境等存在不确定性因素。图 6为北京市观象台2011年3月连续几天晴空条件下探空气球所处海拔高度与所测温度廓线分布关系。从图 6中可发现，除500 m高度以下由于近地层气溶胶的影响，大气温度与气球海拔高度会存在不确定性走势外，探空气球所处高度与当时大气温度有良好的线性对应关系，且各廓线斜率相近。
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| 图 6. 2011年3月北京市观象台探空气球所测大气温度与海拔高度廓线 Fig 6. Balloons measured temperature and altitude profile of Beijing Weather Observatory in Mar 2011 | |
大气温度并不是随着高度增加一致减小，在遇到云层下垫面时，水汽大量吸收太阳的短波辐射，造成大气温度随着高度增加反而有变大趋势，在云层区域就会形成一个逆温层。图 7为2011年3月19日07：00放球所测数据廓线及地面红外测温传感器所测全天天顶辐射亮温曲线。图 7a海拔高度与大气温度廓线中在高度为6.5 km时，大气温度存在一个明显的逆温层，图 7b湿度廓线中同样海拔高度处大气湿度急剧增加，说明这一高度上大气的含水量增加，加之当地观测员记录当时天空总云量为10成，可以确定在6.5 km海拔高度附近有云层存在[15]。
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| 图 7. 2011年3月19日07：00北京市观象台探空气球所测大气温度 (a)、湿度 (b) 与海拔高度廓线和全天地面天顶红外辐射亮温曲线 (c) Fig 7. Balloons measured temperature and altitude profile (a), humidity and altitude profile (b) on 0700 BT 19 Mar 2011 and time series of Beijing Weather Observatory zenith point infrared brightness temperature (c) | |
07:15开始放球，上升到6.5 km高度为07:40左右，此时地面环境温度为5.5℃，天顶辐射亮温为-27℃，6.5 km高度处大气温度为-30℃。假设垂直温度递减率为-6℃·km-1，计算：
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(8) |
式 (8) 中，h1和h2分别为探空气球所测温度和地面传感器所测温度值进行云高反演计算结果，结果之间相差较大，造成这种现象最主要原因是气球所处方位并非天顶正上方，即探空气球所测云层底温度与天顶云层底温度并非同一区域。h1与实际云高偏差相对较小，说明此时刻将大气温度垂直递减率设为-6℃·km-1比较合适。假设已知天顶高度为6.5 km，地面环境温度5.5℃及逆温层处大气温度-30℃，可反推此时温度垂直递减率：
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(9) |
考虑温度垂直递减率随季节、时间、地理环境、地点等存在不确定因素，且探空资料数据不可能随时得到，本文以温度垂直递减率为理论基础，根据红外传感器接收到的天顶红外辐射亮温数据，结合地面的环境参数及双站数字式云高仪测得天顶云高，提出云层底温度递减梯度参数K的概念。将上述分析中应用的逆温层处大气温度由地基红外测温传感器所测红外辐射亮温替代，一般比较密实云理论上可以看做黑体，云层上方的辐射能量被完全吸收，此时刻地基红外传感器接收到的辐射亮温即为逆温层附近大气的混合温度，逆温层所处的高度用双站数字式云高仪所测天顶云高代替。将上述各数值带入式 (10)，即可得到云层底到地面的云层底温度递减梯度参数K：
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(10) |
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(11) |
其中，Tb为地面测得云体红外辐射亮温，t为地面环境温度，h为双站数字式测云仪所测天顶云高，thum为湿度因子造成的温度修正，tv为能见度因子造成的温度修正。由于测温仪所测天顶亮温的区域与双站数字式云高仪测得云高所对应的区域不完全一致，造成梯度参数K值存在波动，为找到真正云层底温度递减参数K，对一段时间内计算得到的云层底温度递减梯度参数进行直方图统计，绘制其密度分布直方图，取分布图中众数最多点所对应的梯度。用得出的梯度值代替常规的大气温度垂直递减率，进行下面的云高反演。
图 8是2011年2—3月双站数字式云高仪所测云高与红外测云系统所测天顶辐射亮温之间建立的温度递减梯度参数K值的分布直方图，其中横轴是递减梯度参数值的分布区间，纵轴是位于各小区间中梯度值出现的次数。曲线彼此间隔约为8 d，云层底温度递减梯度参数分别为-5.9℃·km-1，-5.5℃·km-1，-6.1℃·km-1。确定云层底温度梯度参数K值后，根据天顶亮温及地面环境参数即可反推天顶云高H：
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(12) |
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| 图 8. 温度递减梯度参数分布 Fig 8. The histogram of K | |
4 双波段云高反演结果与激光云高数据对比试验
从2010年12月地基双波段测云系统开始在北京市观象台与维萨拉公司生产CL31激光云高仪进行对比试验分析。地基双波段测云系统安装在2层办公楼楼顶，激光云高仪安放在距办公楼50 m处的试验场地上。激光云高仪的主要技术指标：测高范围为0~7.5 km；精确度为10 m；云层个数最多为3层；响应时间为2 s。
由于激光云高仪出云率较低，为确保所测对比试验数据的可靠性，本文只考虑激光云高出现持续时间大于1 h，且云层比较单一的情况。2010年12月—2011年4月，激光云高仪测到天顶有大量连续云高数据的天数共计15 d，去除4 d由于雨雪天气造成两种设备所测云高数据均不正常之外，共得到有效数据2405对。对这组数据分析如下，图 9给出在这期间按时间先后顺序得出二者云高走势分布图，图 10给出二者相对误差随观测次序的分布信息，图 11给出两种观测仪器所测云高散点分布信息。
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| 图 9. 由Tb反演计算的云高与CL31观测云高对比 Fig 9. Comparison of cloud base height derived from Tb and observed by CL31 | |
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| 图 10. 红外反演云高与激光所测云高相对误差百分比 Fig 10. The percentage relative error of cloud base height derived from Tb and observed by CL31 | |
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| 图 11. 2010年12月—2011年4月云高对应散点图 Fig 11. Scattered plot of cloud base height from December 2010 to April 2011 | |
验证实时标校对天顶云高反演所起的作用，图 9中同时给出了不进行实时标校时云高的分布情况。不进行实时标校时，假设的云层底温度递减梯度参数是-8℃·km-1。标校与不标校的云高差距在图 9中后半部分表现的比较明显，特别是2011年3月6日 (对应横坐标为2020~2290)，由于天顶是高云，在同一时刻标校与不标校的云高差达2000 m。从图 9的整体情况分析，维萨拉激光云高与实时标校后双波段云高的趋势及大小高度吻合。图 10中红外反演云高相对激光云高误差大部分集中在20%以内，但是在观测日期更替时 (即云开始消散时) 会存在较大误差，分析原因是此时云在消散，没有充满传感器视场，造成温度比实际温度偏低。
从图 11中的拟合情况分析，两者线性相关显著。但无论是在云底高或低时，双波段测云系统总有比激光云高数据偏高的散乱点存在，造成这种现象的原因可能是由于两者的视场角的差异及实际云向下辐射时，有一些情况不能等效于云底温度的黑体辐射所致，还需要进一步研究和改进。在2011年3月13日 (对应横坐标为2290~2400)，云高即使进行实时标校后，激光云高与双波段云高仍有一定的差距，造成这种差距的原因可能是由于地面能见度及湿度对天空亮温修正不恰当或者是由于天空云的类别不同造成的。另外，实时标校得到的梯度是通过已经发生的云高与温度之间关系统计得到的，递减梯度的建立同样也有可能存在不合理性，是造成云高误差的原因，仍需要进一步分析研究。
5 结论上述分析表明，可以利用工作在可见光波段的双站数字式云高仪为红外测云系统进行实时标校。通过建立云层底温度递减梯度参数K的方式，对不同时间段内得到的云层底梯度递减参数进行实时统计，以概率统计直方图的方式得到真实的云层底温度递减梯度参数，建立地面到云层底的梯度方程，反演天顶高度。使得整套设备在运行过程中不受季节更替及地域等自然因素的影响。通过与维萨拉CL31激光云高仪进行对比试验分析得出，双波段测云仪所测云高与激光云高具有显著的线性相关性，证明建立梯度方法是可行的。
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