地基双波段测云系统及其对比试验

［ ］ １ ３
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２ ０ １ １ 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 天 空 亮 温 犜ｂ 与 对 度进行 统 计 分 析 。 由 图 ３ 可 知 ， 应的地面温度 、 水汽压 、 露点温度存在良好的数值对 可用下式拟合 ： 应关系 ，
。 在 ８～１ ４μ ｍ 波段中涵盖了臭氧 强吸 收
犜ｂ ＝ 犪 犡 ＋犫。
［］ 高 。Ｇ ｅ ｎ ｋ ｏ ｖ ａ 等 ６ 研制全天空红外云分析仪 Ｎ ｅ ｈ ｐ
， 该设 备 安 装 多 个 工 作 于 ８～１ ｅ ｌ ｏ ４μ ｍ 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 ２ ０ ０ ３ 年 ２—６ 月在位于美 国俄克拉何马州的 Ａ ＲＭ 计划试验基地进 行 多种仪 器试验对比分析 ， 在云量方面 ＷＳ ， ， Ｉ Ｔ Ｓ Ｉ Ｎ ｅ ｈ ｅ ｌ ｏ三 ｐ 者之间相关性都高于 ０． ７。 在云高方面 ， Ｎ ｅ ｈ ｅ ｌ ｏ与 ｐ 维萨拉 生 产 Ｖ Ｃ Ｅ Ｉ Ｌ 型激光云高仪于２ ０ ０ ３年３月 证实两 者 在 云 高 走 势 上 基 ２ ０ 日进行对比试验分析 ， 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
１］ 尽管卫星遥感 ［ 可 获 得 全 球 分 布、 昼夜连续的
时 可 以 反 演 出 天 空 云 的 分 布。 激 阳高度角大于 １ ０ °
５］ 光云 高 仪 ［ 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 使得该设备探测高度有限 ， 且对环境要求较 的特性 ，
胡树贞 ， 马舒庆 ， 陶法 ， 等 ．地基双波段测云系统及其对比试验 ．应用气象学报 ， （ ） ： ２ ０ １ ２， ２ ３ ４ ４ ４ １ ４ ５ ０．
地基双波段测云系统及其对比试验
） ） ） ） ） ） ２ ２ ２ ２ ２ ２ 胡树贞１） 马舒庆 陶 法 秦 勇 郭 伟 温显罡
［ ７］பைடு நூலகம்） ， 能够对全天空 天空可见光 成 像 观 测 系 统 （ Ａ Ｓ Ｉ
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 技术成熟的有 对地基云的自动观 测 研 究 起 步 较 早 ，
图 ２ 天顶红外辐射亮温随时间变化 Ｆ ｉ ． ２ Ｚ ｅ ｎ ｉ ｔ ｈｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄｂ ｒ ｉ ｈ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ｇ ｇ ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｃ ｈ ａ ｎ ｅｗ ｉ ｔ ｈｔ ｉ ｍ ｅ ｐ ｇ
地基双波段测云系统及其对比试验 ４ ４ ３ 第 ４ 期 胡树贞等 ：
应 用 气 象 学 报 第２ ３卷 第４期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３，Ｎ ｏ ． ４ ２ ０ １ ２年８月 Ｊ ＯＵＲ ＮＡ ＬＯ ＦＡ Ｐ Ｐ Ｌ Ｉ Ｅ Ｄ ＭＥ Ｔ Ｅ Ｏ Ｒ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ Ａ ＬＳ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ Ａ ｕ ｕ ｓ ｔ ２ ０ １ ２ ｇ
２ 数据获取与处理
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 。
图 １ 双波段测云系统整体结构 Ｆ ｉ ． １ Ｄ ｕ ａ ｌ ｂ ａ ｎ ｄｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓ ｇ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｃ ｌ ｏ ｕ ｄｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｙ
２］ 总天空成像仪 （ ） 和全天空成像仪（ ） 等［ 设 Ｔ Ｓ Ｉ ＷＳ Ｉ
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
［ ８ ９］ 红外云像仪 （ ） 的研究工作 ， 通过多次迭代方 Ｓ Ｉ Ｒ Ｓ
备 。 其中 ＷＳ Ｉ 采用加装鱼眼镜头的 Ｃ Ｃ Ｄ 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 Ｙ ａ ｎ ｋ ｅ ｅ环 境 系 统 公 司 研
３卷 ４ ４ ２ 应 用 气 象 学 报 第 ２
年１ ２ 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 ， Ｓ Ｉ Ｒ Ｓ与微脉冲激光雷达 之间 线 性 相 关 性 较 好 ， 犚 （ 犚 为 相 关 系 数 ）达 ０． ８ ７ ２ ６。 解放军理工大学利用非制冷红外焦平面阵
２ ０ １ １ １ ０ ２ ５ 收到 ， ２ ０ １ ２ ０ ４ １ ３ 收到再改稿 。
［ ２ ３］
式进行地 基 遥 感 反 演 云 宏 观 参 数 的 试 验 ， 并 于２ ０ ０ ４
资助项目 ： 中国气象局新技术推广项目 “ 双成像云底高度测量技术和方法推广应用 ” （ ） Ｃ ＡＭＴ Ｇ ２ ０ １ ０ Ｚ ０ ６ ： ｍ ａ ｉ ｌ ０ ５ ２ ３ １ ０ ４ ２ １ ｈ ｕ＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ Ｅ
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 ， 用于感应 ８～１ Ｃ Ｔ ｌ ａ ｓ ｔ ４μ ｍ 波段大气向下红外辐 射， 系统响应时间 为 １ ， 精 度 优 于 １℃ ， 温度分 ２ ０ｍ ｓ 辨率为 ０． 可 连 续 工 作 于 －２ １℃ ， ０～８ ５℃ 环 境 条 件 下 。 该设备具有较小视场 ， 犇： 犛＝３ ４： １（ 犇 为 传感器 头部到被测物的 距 离 ， ， 考 犛 为测 量 点 直 径 的 大 小） 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 Ｓ ｏ ｎ ｙ公司生产 的Ｆ 视场角为５ ， 图像分辨率为４ Ｃ Ｂ １ ０ １ ０ Ｐ 机芯 ， ４ ° ４ 双站 数 字 式 云 高 仪 在 天 顶 云 纹 理 清 晰 时 每 隔 而红外传感 ５ｍ ｉ ｎ 给出 １ 个 天 顶 方 向 的 云 高 数 据 ， 器每秒钟测得 １ 个天顶红外辐射亮温 。 为使所测红
１） ２）
（ 成都信息工程学院 ， 成都 ６ ） １ ０ ２ ２ ５
（ 中国气象局气象探测中心 ， 北京 １ ） ０ ０ ０ ８ １
摘 要
针对地基测云系统中云在可见光波段与红外波段中表现出的不同特性 ， 用双站 数 字 式 云 高 仪 所 测 云 高 进 行 标 校， 结合地面实时观测天顶红外辐射亮温及地面环境参数 ， 分析地面到云层底大 气 对 红 外 辐 射 亮 温 的 影 响 ， 从中发 研发地基双波段测云系统 。 该 系 统 以 对 流 层 大 气 的 垂 直 温 度 现利用天空红外辐射亮温来遥感云底高度的可行性 ， 建立云层底到地面的温度递减梯 度 参 数 犓， 根 据 递 减 梯 度 参 数 反 演 天 顶 方 向 的 云 高。该 算 法 递减率为理论基础 ， 不依赖于探空数据 ， 通过实时定标形式得出符合 仪 器 所 在 地 的 云 底 高 反 演 公 式 。 通 过 与 维 萨 拉 激 光 云 高 仪 Ｃ Ｌ ３ １ 进行数据对比分析得出 ， 地基双波段测云系统反演结果具有较高的准确性 。 关键词 ：云底高度 ；红外亮温 ；地基遥感 ；双站数字式云高仪
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（ ＷＳ Ｉ Ｒ ＣＭＳ）
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精确度高 ， 不足之处是该设 量学原理计算天顶云高 ， 备只能在云纹理清晰的白天进行观测 。
。该
分 系统采用阈值与纹 理 相 结 合 的 方 式 进 行 云 识 别 ， 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 得出无云时 刻 的 修 正 公 式 应 用 到 有 云 天 气 行分析 ， 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 Ｃ Ｌ ３ １ 所测云高数据进行对比分析 ， 验证算法的准确性 。 红外测温传感器每秒钟采集 １ 次天顶方向的辐 记 为 犜ｂ。 地 面 环境参数分别记为温度狋 、 湿 射亮温 ， 度犺 能见度狏。双站数字式云高仪在天顶云纹理清 ｕ ｍ、 晰情况下每５ｍ 记为 犺。 ｉ ｎ测得１个天顶方向的云高 ， 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 图２中０ 北京 温即 使 无 云 时 也 会 存 在 变 化 ， ３： ３ ０（ 下 同） 之 前 天 顶 无 云， 但 辐 射 亮 温 在 －８℃ ～ 时， －４℃ 之间跳跃 。０ ３： ３ ０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 此时地面红外传感器接收到的温 且云层底不均匀 ， 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 出现频率最高即为云层底亮温 ， 作为每分钟云高 计， 反演所用的辐射亮温 。
２
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