大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)及其衍生產(chǎn)品概述

大氣垂直結(jié)構(gòu)對(duì)天氣系統(tǒng)的形成、演變以及氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有決定性作用[1]。準(zhǔn)確獲取大氣垂直廓線信息，對(duì)理解大氣物理過(guò)程、提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、評(píng)估氣候變化趨勢(shì)及制定防災(zāi)減災(zāi)策略至關(guān)重要。通過(guò)地基、空基、天基等平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫壓濕風(fēng)、云水含量及氣溶膠分布等參數(shù)垂直分布特征的精確測(cè)量。基于此，對(duì)大氣垂直廓線探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，并淺談其衍生產(chǎn)品在氣象業(yè)務(wù)中的具體應(yīng)用及重要意義。

1大氣垂直廓線探測(cè)綜述

1.1地基遙感技術(shù)

氣象地基遙感垂直觀測(cè)系統(tǒng)是由Ka波段毫米波測(cè)云儀、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)、GNSS氣象觀測(cè)、氣溶膠激光雷達(dá)輔以集成控制系統(tǒng)構(gòu)成的大氣垂直觀測(cè)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)利用遙感的觀測(cè)方式，獲得一定高度的大氣主要?dú)庀笠兀瑢?shí)現(xiàn)大氣動(dòng)力、熱力、水汽和氣溶膠要素的同址連續(xù)分鐘級(jí)觀測(cè)。為實(shí)現(xiàn)垂直觀測(cè)科學(xué)布局，我國(guó)引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)的觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSE）和預(yù)報(bào)對(duì)觀測(cè)的敏感性試驗(yàn)（FSOI），從觀測(cè)布局密度、觀測(cè)要素、觀測(cè)高度3個(gè)方面開展研究，最終得出適宜我國(guó)垂直觀測(cè)的布局設(shè)計(jì)結(jié)論[3]。截至2024年，31個(gè)省區(qū)市共已建設(shè)290套垂直觀測(cè)站，其中風(fēng)廓線雷達(dá)216部，微波輻射計(jì)114部，毫米波測(cè)云儀129部，氣溶膠激光雷達(dá)76部，平均間隔 200km ，東部和西南則達(dá)到 150km 網(wǎng)間間隔[4]。

1.1.1 Ka波段毫米波測(cè)云儀

Ka波段毫米波測(cè)云儀主要利用云粒子對(duì)毫米波的散射特性，根據(jù)雷達(dá)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(dá)基本產(chǎn)品包括云反射率因子、徑向速度、速度譜寬、信噪比(圖1)，其時(shí)間分辨率為 1min ，垂直分辨率達(dá) 30m ，探測(cè)高度為150～15000m 除此之外，還可獲得導(dǎo)出產(chǎn)品一云底高度、云頂高度和云層厚度。通過(guò)毫米波云雷達(dá)的觀測(cè)，不僅可得到云的宏觀結(jié)構(gòu)，還能觀察到微觀物理特征參數(shù)，在垂直方向上可精細(xì)獲取云系的發(fā)展演變過(guò)程。且相較于其他體制的云觀測(cè)，毫米波云雷達(dá)觀測(cè)具有探測(cè)精度高、天氣適應(yīng)性強(qiáng)、探測(cè)要素多、成本低、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)

風(fēng)廓線雷達(dá)以晴空大氣湍流對(duì)人射電磁波的散射回波作為探測(cè)基礎(chǔ)，采用多普勒雷達(dá)探測(cè)收發(fā)技術(shù)求解得到大氣三維風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)廓線雷達(dá)基本產(chǎn)品包括水平風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2 、信噪比、譜寬(圖2)，其時(shí)間分辨率為 6min ，垂直分辨率 120m (低模式)和 240m (高模式)，探測(cè)高度為150～6000m 風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)，可以對(duì)測(cè)站上空的風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行高時(shí)空分辨率的連續(xù)探測(cè)，實(shí)時(shí)地提供大氣水平風(fēng)場(chǎng)、垂直氣流等氣象要素隨高度分布變化的信息，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方式在高空風(fēng)觀測(cè)時(shí)空密度不夠的缺陷[6-7]。

1.1.3 微波輻射計(jì)

地基微波輻射計(jì)作為無(wú)線電探空探測(cè)的一種有效補(bǔ)充，采用被動(dòng)遙感方式，利用大氣中不同成分和狀態(tài)對(duì)微波輻射的不同吸收和發(fā)射特性，被動(dòng)接收站點(diǎn)上空大氣微波輻射信號(hào)，反演出 0.05～10.00km 的溫度、相對(duì)濕度、水汽密度、液態(tài)水含量等參量，實(shí)時(shí)輸出對(duì)流層范圍內(nèi)的大氣溫濕廓線、大氣柱積分水汽含量等數(shù)據(jù)產(chǎn)品[8。微波輻射計(jì)基本產(chǎn)品包括K、V通道亮溫(圖3)，其時(shí)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(cè)高度為 0～10km 除此之外，還可獲得導(dǎo)出產(chǎn)品：溫度、相對(duì)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(jìn)行觀測(cè)。不受天氣條件限制的優(yōu)勢(shì)，使得微波輻射儀能夠全天候連續(xù)觀測(cè)，對(duì)提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，特別是降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有關(guān)鍵作用。

1.1.4 GNSS氣象觀測(cè)

GNSS氣象觀測(cè)即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)氣象觀測(cè)，其探測(cè)水汽的原理是導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào)在穿過(guò)大氣層時(shí)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(xiàng)延遲，通過(guò)對(duì)電離層延遲和靜力延遲的毫米數(shù)量級(jí)訂正，得到毫米數(shù)量級(jí)的濕項(xiàng)延遲，濕項(xiàng)延遲與大氣可降水量建立嚴(yán)格的正比關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)大氣可降水量探測(cè)。

GNSS氣象觀測(cè)基本產(chǎn)品包括大氣可降水量產(chǎn)品和天頂延遲產(chǎn)品(圖4)，張克非等提出地基GNSS技術(shù)不僅可以提供天頂對(duì)流層延遲和大氣可降水量等二維水汽產(chǎn)品，還可以提供斜路徑對(duì)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(shù)直射信號(hào)應(yīng)用于測(cè)量大氣可降水量、電離層電子濃度等，反射信號(hào)應(yīng)用于探測(cè)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(hù)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.5 氣溶膠激光雷達(dá)

激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)探測(cè)儀器，通過(guò)發(fā)射激光束并檢測(cè)其與大氣中氣溶膠粒子相互作用后的散射光，來(lái)測(cè)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(dá)基本產(chǎn)品包括消光系數(shù)和后向散射系數(shù)、光學(xué)厚度、退偏振比(圖5，其時(shí)間分辨率為1～30min ，平均有效探測(cè)高度 ?10km 氣溶膠激光雷達(dá)具有可長(zhǎng)期進(jìn)行全天時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣溫度、氣溶膠顆粒物、大氣分子等的探測(cè)，對(duì)邊界層污染擴(kuò)散、云物理過(guò)程研究及大氣成分分析具有重要意義。

1.2北斗探空技術(shù)

探空氣球作為傳統(tǒng)的大氣垂直探測(cè)手段，搭載溫壓濕風(fēng)等傳感器，通過(guò)無(wú)線電遙測(cè)方式將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面站，獲取從地面到 30km 高度的大氣廓線。與飛機(jī)、雷達(dá)等其他高空氣象探測(cè)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(shù)據(jù)通常被認(rèn)為最準(zhǔn)確，也因此被當(dāng)作其他高空氣象探測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)系統(tǒng)。中國(guó)氣象局從2016年開始牽頭組織開展新型北斗智能探空系統(tǒng)的研制，創(chuàng)新性提出了內(nèi)外2個(gè)探空氣球嵌套的模式[10-1]。雙球可實(shí)現(xiàn)一次放球獲取“上升一平漂一下降”三段式探空觀測(cè)數(shù)據(jù)。平漂零壓氣球、多通道雙向通信接收設(shè)備等重點(diǎn)難點(diǎn)技術(shù)的攻克，成功解決了平流層測(cè)溫和下降段測(cè)風(fēng)、平漂軌跡預(yù)測(cè)和觀測(cè)資料質(zhì)量控制等業(yè)務(wù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，2024年已開啟北斗與L波段探空平行對(duì)比觀測(cè)，預(yù)計(jì)2025年北斗探空將正式進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

2大氣垂直廓線探測(cè)的具體應(yīng)用與意義

2.1天氣預(yù)報(bào)與氣象服務(wù)

大氣垂直廓線數(shù)據(jù)對(duì)捕捉大氣不穩(wěn)定性和觸發(fā)機(jī)制以及追蹤對(duì)流云發(fā)展、預(yù)測(cè)降水強(qiáng)度等至關(guān)重要，準(zhǔn)確的大氣垂直廓線數(shù)據(jù)有助于提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型（NumericalWeatherPrediction，NWP）初始場(chǎng)的準(zhǔn)確性，從而改善天氣預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性；其全天候連續(xù)性觀測(cè)的特點(diǎn)有助于短臨預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警。近年，新型垂直觀測(cè)產(chǎn)品已經(jīng)在冬奧會(huì)和亞運(yùn)會(huì)等重大活動(dòng)中提供氣象服務(wù)保障；在黃淮霧霾、北京冰雹、臺(tái)風(fēng)暴雨、地震泥石流等災(zāi)害性天氣中有效提升了災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和服務(wù)能力，大大降低了氣象災(zāi)害帶來(lái)的損失。

2.2 氣候變化研究

高時(shí)空分辨率的大氣垂直探測(cè)是獲取長(zhǎng)期連續(xù)大氣垂直氣象要素的重要步驟，對(duì)理解氣候變化機(jī)制、分析大氣中溫室氣體的垂直分布變化、云系結(jié)構(gòu)的變化及其對(duì)輻射平衡的影響等有著重要意義，是評(píng)估氣候變化趨勢(shì)及制定應(yīng)對(duì)策略的關(guān)鍵支撐。

2.3空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)與污染防控

大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)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(guò)程具有重要作用。結(jié)合氣溶膠激光觀測(cè)儀、風(fēng)廓線小時(shí)風(fēng)羽圖和地面站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建三維空氣質(zhì)量模型，為精準(zhǔn)施策、減少污染排放提供科學(xué)依據(jù)，幫助政府和環(huán)保機(jī)構(gòu)更好地實(shí)施空氣質(zhì)量管理計(jì)劃。

3大氣垂直廓線探測(cè)面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向

盡管大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)研發(fā)取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，隨著氣候變化和城市化進(jìn)程的加速，大氣環(huán)境變得更加復(fù)雜多變，對(duì)探測(cè)技術(shù)的精度、時(shí)空分辨率和覆蓋范圍提出了更高的要求；另一方面，數(shù)據(jù)同化技術(shù)、算法優(yōu)化及計(jì)算能力的提升仍需持續(xù)加強(qiáng)，以提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，更好地整合多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

未來(lái)，大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向?qū)ǎ旱谝唬夹g(shù)創(chuàng)新與集成，繼續(xù)推進(jìn)激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、無(wú)人機(jī)及衛(wèi)星遙感等技術(shù)的創(chuàng)新，探索新技術(shù)(如量子雷達(dá)、太赫茲雷達(dá))在氣象觀測(cè)中的應(yīng)用潛力，同時(shí)加強(qiáng)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)的集成與融合；第二，智能化與自動(dòng)化，利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理和分析的智能化水平，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)維和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，降低運(yùn)維成本，提高觀測(cè)效率。

4結(jié)束語(yǔ)

大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)提升氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率、提高災(zāi)害性天氣預(yù)警能力、深化氣候變化與災(zāi)害研究、加強(qiáng)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)具有重要意義。簡(jiǎn)要概述了大氣垂直廓線探測(cè)技術(shù)及其衍生產(chǎn)品應(yīng)用，但未能涵蓋所有細(xì)節(jié)和技術(shù)進(jìn)展。隨著科技的不斷發(fā)展，相信未來(lái)會(huì)有更多創(chuàng)新技術(shù)和方法應(yīng)用于大氣垂直廓線探測(cè)領(lǐng)域，為氣象科學(xué)和氣象服務(wù)的發(fā)展注入新的活力。

參考文獻(xiàn)

[1]王標(biāo).氣候變化研究中的大氣垂直結(jié)構(gòu)探測(cè)述評(píng)[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2011，6(1):2-10.

[2]張婷，焦志敏，茆佳佳，等.微波輻射計(jì)聯(lián)合云雷達(dá)的相對(duì)濕度校正方法[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2024，35(5)：551-563.

[3]李俊，張鵬，陳林，等.觀測(cè)系統(tǒng)模擬和評(píng)估：進(jìn)展及展望[J].氣象科技進(jìn)展，2021，11(3):27-34.

[4]林大偉，姜舒婕，程瑩，等.2023年浙江對(duì)流云人工增(減)雨作業(yè)科學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)[C]//浙江省氣象局，浙江省氣象學(xué)會(huì).精彩亞運(yùn)數(shù)智氣象：亞洲氣象保障服務(wù)技術(shù)交流會(huì)論文匯編.2023:113-119.

[5]李玉蓮.基于Ka波段毫米波云雷達(dá)的云微物理特性研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2018.

[6]陳立波，許凌軒，張佳婷，等.風(fēng)廓線雷達(dá)資料在典型天氣過(guò)程預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用[J].高原山地氣象研究，2024，44(3):85-94.

[7]郭運(yùn)，湯勝茗，王旭，等.不同臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度下風(fēng)廓線雷達(dá)適用性研究[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2021，37(2)：268-276.

[8]培昌，王振會(huì).大氣微波遙感基礎(chǔ)[M].北京：氣象出版社，1995.

[9]張克非，李浩博，王曉明，等.地基GNSS大氣水汽探測(cè)遙感研究進(jìn)展和展望[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2022，51(7):1172-1191.

[10]王雅萍，涂滿紅，繆明榕，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在氣象行業(yè)的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2023(10)：42-48.

[11]左航，杜娟，涂銳，等.基于北斗的定向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2024(12)：45-52.