新型地基遙感觀測技術進展和省級業務化應用思考
——以上海市氣象局為例

彭杰 傅新姝 王曉峰

（上海市生態氣象和衛星遙感中心，上海市氣象局，上海 200030）

0 引言

迄今為止，氣象部門業務化的探測體系對于垂直方向大氣熱動力狀態的觀測仍以每天2～4次的無線電探空為主要手段，尚未實現對溫度、濕度等關鍵氣象要素廓線信息的精細化、連續性的觀測[1]。這一方面制約著氣象部門對于中小尺度天氣過程垂直方向上演化特征與機理的理解和掌握，另一方面也難以滿足分辨率已發展至3 km、甚至1 km的數值天氣預報業務模式在發展高分辨率條件下物理過程參數化方案時，對于中小尺度天氣過程精細化的觀測與分析的需求[2]，因而仍難以實現對天氣過程，特別是對尺度小、演化快的中小尺度短臨天氣過程精細化監測與預報的有力支撐。

隨著遙感技術的不斷發展，各類自動化的垂直探測設備不斷涌現，反演方法和探測精度不斷完善和提高[2]，為實現對關鍵大氣要素廓線實時和連續的業務化觀測提供了可能手段。因此，中國氣象局氣象探測中心以溫、濕、風、水凝物和氣溶膠廓線“五條廓線”的觀測與應用為核心目標之一，開展了科技部國家重點研發計劃“超大城市垂直綜合氣象觀測技術研究及試驗”（下簡：大城市觀測試驗）專項科學試驗工作，目的在于推動新型廓線遙感觀測儀器，特別是我國自主研發觀測儀器的業務化進程。

上海作為首批參與大城市觀測試驗的省級氣象部門之一，按照試驗要求實現了多個站點“五條廓線”的同址觀測綜合布局，迄今為止開展了多類新型地基遙感儀器近3年的連續觀測，為提高省級氣象部門和基層業務人員對新型遙感儀器的觀測原理、觀測能力、維護保障要點等方面的認識提供了良機。因此，本文擬從上海參與大城市觀測試驗期間對新型地基遙感觀測的認識和應用實踐出發，對新型遙感觀測技術進展和省級氣象部門開展新型遙感觀測布局站網建設的思路兩方面認識加以梳理總結，希望為各省氣象部門進一步發展地基遙感觀測體系提供參考。

1 新型地基遙感重點探測儀器簡介

近年來，除了地面氣象站、S/C波段天氣雷達、衛星、探空等常規觀測外，全球導航衛星系統氣象探測系統（GNSS/MET）、微波輻射計、毫米波云雷達、風廓線雷達、相控陣雷達等新型地基遙感觀測技術及其應用獲得了越來越多的關注，也發揮著越來越重要的作用。

20世紀80年代，Nordius等[3]首次提出了利用全球定位系統開展大氣水汽探測的方法，實現了基于衛星發射信號穿過大氣層時所發生的偏折和延遲信息對大氣中水汽所導致的濕延遲的估計，從而能夠反演出天頂方向大氣可降水量（PWV）、信號傳播方向上的斜路徑水汽含量（SWV）等。以往研究結果表明，GNSS/MET水汽資料在認識水汽時空變化特征、降水過程預警、改善模式預報質量等方面都有重要的應用價值[4-13]。

地基微波輻射計通過測量K波段和V波段的大氣微波輻射能量，基于統計反演、物理反演等方法，可獲得分鐘級的大氣溫度、濕度廓線（地面～10 km）和總體水汽含量、液態水路徑，是現階段獲得大氣溫濕廓線較為成熟的設備。同時因地基微波輻射計具有24 h連續觀測、時間分辨率高等優點，是探空的重要補充。研究表明，微波輻射計資料質量與天氣條件、工作環境等密切相關[14-19]，且已有多項工作從反演算法、云信息引入、質量控制、后處理等方面開展研究，不斷提高微波輻射計資料的質量并擴展其適用范圍[14-15,20-21]。與此同時，許多針對微波輻射計在高影響天氣過程熱力結構監測及研究、數值模式預報效果改進等方面的應用研究也有廣泛開展[22-26]。

風廓線雷達通過發射無線電波，接收大氣湍流對入射信號的散射回波，可以通過調整電磁波發射方向，通過3個以上不共面的電磁波反演獲得三維風場信息，包括獲得天頂方向水平風向、風速廓線、垂直風速、大氣折射率結構指數等。上海地區風廓線雷達資料的質量評估結果顯示，風廓線雷達風速資料與NCEP資料的平均偏差為－0.14 m/s，均方根誤差為2.72 m/s，風向偏差為－4.28°，有較高的可用性[27]。風廓線雷達主要應用于天氣系統動力學特征監測及預警、降水相態和云微物理結構特征分析、數值模式預報效果改進等方面的研究工作[28-33]。

毫米波云雷達通過發射波長為3 mm（94 GHz，W波段）或8 mm（35 GHz，Ka波段）的脈沖電磁波，接收云滴或冰晶粒子的后向散射回波信號，實時獲取云的位置、回波強度、徑向速度、速度譜寬等信息。與X波段、S波段等探測電磁波波長更長的雷達相比，毫米波云雷達對云滴、霧滴等小粒子有更強的探測能力，在非降水云及弱降水云探測方面的優勢尤其明顯。當前毫米波云雷達的應用可以分為包括云底、云頂、融化層高度等的云宏觀結構[34]分析和包括云滴譜分布、水凝物識別、云內液態水含量等的云微觀結構分析兩個方面[35-37]。

激光雷達作為雷達技術與激光技術相結合的主動遙感工具，通過激光器發射納米級波長（532 nm、1064 nm等）的脈沖電磁波，而后采集脈沖電磁波與大氣中各類空氣分子、氣溶膠和云等粒子相互作用后的后向散射信息，基于不同的相互作用機制原理，采用相應算法進行反演以獲得大氣的相關廓線信息。常見的激光雷達有：基于米散射原理，主要用于云和氣溶膠探測的氣溶膠激光雷達；基于拉曼轉動或拉曼振動非彈性散射原理，主要用于大氣溫度探測的拉測溫激光雷達；基于多普勒頻移原理，主要用于風向、風速探測的激光測風雷達；基于空氣分析吸收特性差異，主要用于大氣氣體分子含量測量的差分吸收激光雷達；基于大氣分子瑞利光譜多普勒展寬的不同，主要進行大氣溫度測量的高分辨率光譜測溫激光雷達等。

2 新型地基遙感觀測應用進展簡介

2.1 新型地基遙感觀測在國內外科學試驗中的應用概況

上述幾類新型遙感觀測被國內外學者廣泛應用于各類長期氣候觀測站、長期觀測試驗基地和中短期大型科學觀測試驗項目。在美國，能源部的大氣輻射測量計劃（ARM）自20世紀90年代初就開始在南部大平原站等多個代表性站點開展以氣候變化研究為目標的多種遙感儀器的綜合應用；美國國家大氣研究中心（NCAR）近期發展了融合多種遙感儀器，以大氣邊界層和對流層中下部大氣垂直信息獲取為目標的綜合觀測平臺－低層對流觀測系統（LOTOS）。在歐洲，著名的德國林登伯格氣候觀象臺的主要工作之一[38]就是開展側重數值預報模式需求和業務化觀測潛力評估的新型觀測設備的試驗及觀測方法研究；近期德國氣象界融合了德國氣象局氣候觀象臺、德國環境局、科隆大學、波恩大學以及多個研究院所開展的各項科學觀測試驗的數據，形成了以云和降水演化過程為研究目標的多元遙感觀測標準大氣測量數據集[39]。歐洲也通過科技合作聯盟（COST）和歐洲國家氣象網（EUMETNET）合作的形式，構建形成了能夠獲取對流層中下部溫、濕、風、氣溶膠、云等信息在內的地基廓線綜合觀測網。在我國，各類新型遙感觀測也被廣泛用于“青藏高原氣象科學試驗”“華南五省暴雨野外試驗”“南方暴雨野外科學試驗計劃”“長江中游梅雨鋒暴雨外場試驗”以及此次“超大城市垂直綜合氣象觀測技術研究及試驗”，獲取了大量寶貴的觀測數據[36]。

2.2 新型地基遙感應用技術進展簡介

基于上述數據，國內外學者從儀器探測能力評估與拓展、多元觀測融合技術、天氣過程分析等方面開展了大量研究，推動了新型遙感觀測應用技術的進一步發展。

儀器探測能力評估與拓展。探測能力評估方面，以往研究發展了多項評估技術用于進一步提高對新型遙感探測能力的認識：包括利用微波輻射計對GNSS/MET大氣可降水量的精度評估[40]；基于探空資料對風廓線雷達反演風速風向[27]、微波輻射計反演溫濕廓線的精度評估[41]；利用探空資料結合輻射傳輸模式開展正演計算得到各波段亮溫而后用于評估微波輻射計觀測亮溫[42]；利用探空資料估算云頂、云底高度而后評估毫米波云雷達反演云頂、云底高度[43]；利用地面雨滴譜估算出地表降水回波用于評估毫米波云雷達探測回波強度的精度[44]等。

探測能力拓展方面：以往研究基于新型地基遙感直接探測的基數據和反演產品的基礎上通過新的反演技術開發，開展了對探測數據的深度發掘，主要包括基于毫米波云雷達的融化層識別技術[45]、過冷水識別技術[46-47]、液態水含量反演技術[48]、云中水物質類型判別技術[49]、云分類技術[50]、基于GNSS/MET的三維水汽層析技術[4]、基于全天空儀的云類別人工智能識別技術[51]等。

多元觀測融合技術。由于探測原理的局限性，目前各類主流新型地基遙感觀測在使用場景上都存在一定的局限性，而通過多元觀測手段的融合應用能夠形成優勢互補和缺陷彌補。目前發展的多種新型遙感觀測融合應用技術主要包括：基于微波輻射計對整層液態水含量的約束，提高毫米波云雷達反演液態水含量廓線的準確性[48]；利用毫米波云雷達降水譜優化降水期間風廓線雷達功率譜，通過降水譜和湍流譜的分離，實現降水期間風速和風向更為準確的反演[33]；結合激光雷達和毫米波云雷達開展過冷水的識別[46]；利用風廓線雷達研究毫米波云雷達衰減特性[52]等。中國氣象局氣象探測中心在開展本次大城市觀測試驗期間，就梳理整合了目前主流的多類新型地基遙感融合應用技術，建立了包括基數據質控、協同質控、單產品質控、綜合質控和融合產品的垂直廓線系統綜合質控及產品加工觀測系統，在發展多元新型地基遙感觀測業務化綜合應用體系中邁出了重要一步。

天氣過程分析技術。前人也利用各類新型地基遙感開展了短時強降水[53]、暴雨[36]、污染[54]等天氣過程分析以及邊界層高度反演[55]、低空急流識別[56]和邊界層湍流特征[57]分析等方面的研究。

短時強降水和暴雨分析方面：GNSS/MET能夠反演高精度的整層大氣可降水量，因此被用于對于地區大氣水汽總量日變化研究[10]、入梅診斷與預測[11]、以及局地降水前大氣水汽的變化，PWV的陡增急升現象對降水具有較好的指示意義[58]。微波輻射計反演的低層液態水含量對地面降水具有良好的指示作用[59]；利用微波輻射計觀測溫度、露點溫度、相對濕度等資料計算的各類不穩定指數對于強對流天氣有很好的預警指示作用[60]，同化至中尺度模式后，對于降水強度的預報也有較為明顯的改進[26]；風廓線雷達探測信息能夠較好的揭示暴雨發生發展過程中高低空急流的強度、垂直風切變等天氣學分析特征[36]，同時也能夠結合微波輻射計資料，通過不同高度渦度、散度、對流有效位能、動力參數構建出對強降水發生的預警指標。毫米波云雷達對融化層的自動識別技術[45]也能夠為降水發展的微物理過程以及雷達觀測的降水類型識別和降水定量估計提供重要的參考，同時也是云中水物質分類，粒子等效半徑和（液態或冰態）水含量反演算法的基礎；利用微波輻射計反演溫濕廓線和風廓線雷達反演水平風廓線構造的新型探空對于強天氣發生的判別具有良好的短臨預報意義[61]。

污染天氣過程分析方面：激光雷達/激光云高儀觀測的大氣后向散射系數可以用來反映氣溶膠濃度的垂直分布，因此多用于大氣邊界層高度的反演分析[55]，而近地層的后向散射系數也可用于反演近地層的PM2.5濃度[62]。風廓線雷達探測的大氣折射率結構指數Cn2因能反映出大氣湍流的強弱，也被用于研究大氣邊界層的湍流結構特征[57]和對流邊界層高度的判別[63]。

3 省級業務化應用站網布局建設思路

結合上海自身發展需求的調研表明，高影響天氣預報預警能力提升、區域高分辨率數值天氣預報模式發展、氣象服務能力提升以及衛星遙感觀測能力提升等方面，都對新型遙感觀測所能提供的高時空分辨率大氣要素廓線信息提出了需求。主要有以下幾方面：第一，對城市背景的災害性天氣預測技術重點依賴于對城市及周邊地區能量、物質交換過程與異常機理、大氣物理化學過程及相互作用等方面的認識。因此，發展地基遙感觀測能力，對地氣能量和物質交換過程、大氣邊界層垂直混合過程、云雨物理過程、對流層－平流層相互作用等多種過程開展精細化監測，重點解決關鍵觀測要素不全、大氣垂直結構觀測不足、時效性不夠的問題，滿足對高影響天氣機理的研究需求。第二，區域天氣預報業務模式正處于向3 km乃至1 km高分辨率發展的關鍵階段，需要綜合地基遙感觀測技術和其他各類氣象觀測手段開展針對性科學觀測試驗，建立高影響天氣過程的綜合觀測數據集，為發展適用高分辨率條件下次網格物理過程的參數化方案提供約束和參考。第三，針對專屬經濟區、災害頻發區、關鍵區等特定地區，特定時段（如重大活動期間）開展精細化立體監測，實時獲取邊界層結構、對流強度、云三維結構、污染物濃度等大氣特征參數的精細化監測結果，提供給城市運行、重大活動服務等城市管理部門、航空、新能源開發利用等行業用戶和公眾，提升氣象保障能力。第四，根據各省份自身下墊面環境、氣候背景、天氣條件等方面的特征，發展建立針對性、系統性、長期性的地基遙感觀測系統用于星地校驗，在提高氣象衛星觀測準確性的同時，強化氣象衛星產品在省級氣象部門的應用和支撐能力。

基于上述需求，上海目前初步建立了以寶山國家基本氣象站為中心，以世博氣象站、松江國家氣象站、崇明東灘站為輔的地基遙感布網格局（圖1）。布設的各類設備包括地基微波輻射計、毫米波云雷達、風廓線雷達、GNSS/MET、激光測風雷達、全天空云量儀、微型與雷達、雨滴譜儀、太陽光度計、氣溶膠激光雷達、激光云高儀等，并于2019—2021年布設了5部X波段相控陣雷達，實現了對多站點大氣溫、濕、風、氣溶膠廓線和區域云雨三維結構的遙感觀測。

圖1 上海地基遙感觀測網（圖中紅色空心五角星標示出寶山氣象站位置，藍色空心五角星標示出世博氣象站、松江氣象站和崇明東灘氣象站位置）Fig.1 The layout of ground-based remote sensing network in Shanghai (The red hollow star shows the location of Baoshan Meteorological Station and the blue hollow stars show the locations of World Exposition Meteorological Station,Songjiang Meteorological Station and Chongmingdongtan Meteorological Station)

4 大城市觀測試驗對新型地基遙感系統建設的啟示

1）加強科學規劃。大型觀測試驗投入大，探索與嘗試的比重也較大，而省級業務部門在開展觀測系統和體系的建設時，更注重儀器的實用性和投入產出比。因此，在當前各類新型地基遙感儀器建設費用仍相對較高的前提下，需要深刻吸取過去很多儀器還未發揮作用就退出業務體系的教訓，在充分做好前期科學規劃、布局論證、模擬試驗和建設必要性、布設效果評估研究的基礎上開展建設。

2）建立專人專管模式。鑒于新型地基遙感儀器原理復雜，實際應用工作中研究比重仍較高的現狀，應考慮以“專人專管，一臺儀器成就一名科學家”的思路，在重點、大型新型地基遙感儀器上配備專人組建團隊把握維護管理、數據收集、研究應用的全鏈路，通過長期培養專家的方式推進新型地基遙感系統的建設。

3）逐步完善配套保障體系建設。多數新型地基遙感體系尚未進入業務觀測體系，因此其元數據采集、管理維護標準、數據和產品的采集與分發等配套保障體系存在不同程度的缺失，需要在觀測體系的建設中逐步完善，搭建好新型地基遙感觀測儀器從科學試驗到準業務化運行再到業務化應用中的關鍵一環。

5 討論與展望

綜上所述，各類新型地基遙感觀測展現出了對天氣過程精細化結構特征的探測能力，為提升對天氣過程精細化結構特征的認識提供了有力支撐，具有在未來中小尺度預報業務中應用的良好潛力，是大氣探測體系未來發展中的重要領域和方向之一。從進一步發展新型遙感觀測技術和省級氣象部門做好新型遙感觀測科學布局的角度出發，做好以下幾方面工作可進一步發揮新型遙感觀測對精細化監測、預報和服務的支撐能力。

1）強化儀器標準化和質量控制技術。與傳統的地面和探空觀測業務相比，新型地基遙感儀器的觀測原理和應用技術都更為復雜，觀測數據的標準化和質量控制也更難。即使是已經業務化的風廓線雷達，其觀測數據的質量也難以做出直觀的判別，而尚未業務化的微波輻射計和毫米波云雷達等儀器更是存在廠家型號眾多、定標周期不夠明確、同類儀器探測結果差異大等問題。因此，進一步強化儀器的標準化，發展質量控制技術，是開展新型遙感業務化應用的重要前提。

2）研發多儀器融合應用技術。進一步研發多類新型地基遙感的融合應用，提升單個儀器的觀測能力是未來大氣廓線觀測發展的重要趨勢之一。近期可期的幾方面技術主要有：研發風廓線雷達和激光測風雷達融合技術，利用激光測風雷達改善風廓線雷達低層風精度差的問題，獲取更為全面的風廓線觀測。研發毫米波云雷達/全天空儀和微波輻射計融合技術，將毫米波云雷達和全天空儀提供的云觀測信息納入微波輻射計的反演過程，提高微波輻射計在云天條件下對溫濕廓線的反演精度。研發微波輻射計、激光測溫測濕雷達等溫濕廓線探測儀器的深度融合技術，在拓寬儀器應用場景的同時提升探測精度。

3）基于需求和充分謀劃的科學布局。我國幅員遼闊，各省份氣象部門所關心的重點天氣各不相同。因此做好新型遙感觀測站網布局工作的前提是開展充分調研，基于歷史統計，明確重點天氣過程的頻發區和預報、預警的核心要素，而后根據新型遙感的實際探測能力，開展多儀器的合理配置部署，最后形成科學的布局設計。

4）強化人員培訓。鑒于新型遙感的復雜性，需要進一步強化對探測和應用人員的培訓與指導，提高業務人員對各類新型地基遙感儀器技術特點的理解和認識程度，掌握其在不同天氣條件下優勢和局限性，才能夠真正應用和發揮好新型地基遙感的作用。