论文部分内容阅读
摘要 本文对2种不同扫描方式红外测云仪的云高产品进行比对，通过对这2种仪器云高数据的整理，分析出不同时间段和主要天气系统下云高的变化规律，以探究不同扫描方式的2种仪器对云高测量的准确度，并分析各自的优缺点。
关键词 云高；红外测云仪；点扫描；面扫描
中图分类号 P426.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）05-0199-02
云的气象观测对天气预报、军事、国民经济等都有重要的意义，主要包括地面观测、探空观测以及卫星观测。卫星云图对低云和区域性云信息的描述不太理想[1]。云底高度的准确测定能为降水、大气稳定度、云图等的综合分析提供依据，而且云底高度对大气顶和地面太阳辐射强度有一定的影响[2]。本文提取类型为点扫描的全天空红外扫描成像系统SIRIS，以及类型为面扫描的ZXD03型地基红外测云仪在同一地点、相同时间段内云高产品的数据并分析。
1 仪器简介
由于云底高度不同，云底温度也不同。从地面向天空任一方向观测，在热红外波段均可感测到来自该方向的热辐射。因此，可根据大气修正后的红外辐射值，利用黑体辐射定律反演出云底温度，再根据大气垂直方向上气温与高度之间的关系、天空红外辐射强度的分布确定云底高度。
全天空红外扫描成像系统SIRIS属于点扫描的传感器，采用单个光敏元件敏感单个像素。一幅图像可通过在离散的XY坐标轴上顺序扫描像素点而得到。其优点是分辨率高、测量的一致性好、所需探测器简单且廉价；而缺点则是会存在XY方向移动时传感器位置的误差、帧扫描速度低，且扫描系统结构复杂[3-5]。SIRIS仪器参数：工作温度为 -100～500 ℃，响应时间4 ms，波长8～14 μm，视场角2.25°×2.25°，探测像元数為320×240，电源220 V。
ZXD03型地基红外测云仪属于面扫描，采用面阵CCD可一次得到整个图像帧的全部信息，不需要另外采取用机械扫描装置。面阵CCD的帧扫描速率最高，系统复杂程度也最低，然而扫描的分辨率在2个方向上都会受到CCD像素数的限制。此外，信噪比一般较低，而费用较高[5]。ZXD03仪器参数：工作温度-40～45 ℃，相对湿度80%～90%，波长8～14 μm，输入频率（50±2）Hz，功耗≤500 W（室外设备），电源220 V。
2 数据处理及分析
由于SIRIS的观测时间间隔为10 min，而ZXD03的观测时间间隔为15 min，所以选取30 min间隔的数据使两者的观测时间相匹配。2012年2月1日至4月30日期间，提取的SIRIS（1次/10 min）和ZXD03（1次/15 min）匹配时间段的同时观测数据共有3 344个。其中，SIRIS共观测到的全天无云天数为13 d，ZXD03共观测到的天顶无云天数为4 d。如图1所示，SIRIS和ZXD03所测得的中低云云高比较一致，总体来说ZXD03比SIRIS所能探测到的云高范围大。如图2所示，2个仪器的低云云高的相关系数是0.75，通过了显著性水平为0.01的双侧检验，其低云测量的一致性相对较高。如图3所示，2个仪器所测中云云高的相关系数是0.51，通过了显著性水平为0.01的双侧检验。如图4所示，高云云高通过了显著性水平在0.05的双侧检验，其相关系数为0.19。通过相关性检测，SIRIS和ZXD03所测高云云高的相关性较差。SIRIS和ZXD03所测云高的平均值（所有样本的平均）如图5所示，中低云云高的平均值较为接近，而ZXD03所测高云的平均值比SIRIS的大。
如图6～8分别是SIRIS和ZXD03在霾天气状况下的高、中、低云云高对比，经过双侧检验得出，2个红外测云仪所测高、中、低云云高的相关系数分别为0.19、0.66和0.91，和图2～4总的相关系数相一致，高云云高最不相关，可能由于数据量减少，中低云云高的相关性相对更显著了。由这些样本数据看来，霾天气对SIRIS和ZXD03 2个红外测云仪的云高测量影响不太大。
3 结语
通过对ZXD03型地基红外测云仪和全天空红外扫描成像系统SIRIS所测云高产品进行对比分析，所得出的结论如下：
（1）这2个红外测云仪所测云高数据整体上一致性很高，在高云上云高数据不相关，而低云云高相对比较一致。这可能是2个仪器对高云向下辐射的红外辐射值的大气修正有差异而导致的，需要进一步探究。
（2）2个仪器在中低云的平均值较为接近，而ZXD03所测高云的平均值比SIRIS的大。
（3）在霾等大气气溶胶异常的天气状况下，2个仪器与云雷达和地面观测记录相比，2个红外测云仪的观测相对一致。
（4）有降水时ZXD03一般均可工作，大多能获得碎雨的云高数据，可能对降雨频繁地区的云高观测带来便利。
从传感器的应用技术方面，可以增加扫描时间或增加红外辐射计探头来提高天空分辨率。在技术应用方面依然存在如重复扫描增长扫描时间、成本与复杂性等方面的问题，需要根据实际情况设计研制出兼顾分辨率和扫描速度的器件。在实际业务中应分析设备的优缺点，结合各地气候环境等因素，以做出测云仪器的最优配置方案。总的来说，目测云高具有很大的主观性，需要更为准确的测云仪测量云高，在不断完善测云仪性能的同时，仍然需要在业务中总结测云高的经验和规律，为测试比较不同设备提供基本依据。
4 参考文献
[1] 高太长，刘磊，赵世军，等.全天空测云技术现状及进展[J].应用气象学报，2010，21（1）：101-109.
[2] 石广玉.大气辐射学[M].北京：科学出版社，2007：315.
[3] 李晖.全天空红外扫描成像系统嵌入式平台设计与实现[D].成都：成都信息工程学院，2012.
[4] 解放军理工大学气象学院.ZXD03型地基红外测云仪使用维护说明书[Z].南京：解放军理工大学，2010.
[5] 董永贵.传感技术与系统[M].北京：清华大学出版社，2006：349-350.
关键词 云高；红外测云仪；点扫描；面扫描
中图分类号 P426.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）05-0199-02
云的气象观测对天气预报、军事、国民经济等都有重要的意义，主要包括地面观测、探空观测以及卫星观测。卫星云图对低云和区域性云信息的描述不太理想[1]。云底高度的准确测定能为降水、大气稳定度、云图等的综合分析提供依据，而且云底高度对大气顶和地面太阳辐射强度有一定的影响[2]。本文提取类型为点扫描的全天空红外扫描成像系统SIRIS，以及类型为面扫描的ZXD03型地基红外测云仪在同一地点、相同时间段内云高产品的数据并分析。
1 仪器简介
由于云底高度不同，云底温度也不同。从地面向天空任一方向观测，在热红外波段均可感测到来自该方向的热辐射。因此，可根据大气修正后的红外辐射值，利用黑体辐射定律反演出云底温度，再根据大气垂直方向上气温与高度之间的关系、天空红外辐射强度的分布确定云底高度。
全天空红外扫描成像系统SIRIS属于点扫描的传感器，采用单个光敏元件敏感单个像素。一幅图像可通过在离散的XY坐标轴上顺序扫描像素点而得到。其优点是分辨率高、测量的一致性好、所需探测器简单且廉价；而缺点则是会存在XY方向移动时传感器位置的误差、帧扫描速度低，且扫描系统结构复杂[3-5]。SIRIS仪器参数：工作温度为 -100～500 ℃，响应时间4 ms，波长8～14 μm，视场角2.25°×2.25°，探测像元数為320×240，电源220 V。
ZXD03型地基红外测云仪属于面扫描，采用面阵CCD可一次得到整个图像帧的全部信息，不需要另外采取用机械扫描装置。面阵CCD的帧扫描速率最高，系统复杂程度也最低，然而扫描的分辨率在2个方向上都会受到CCD像素数的限制。此外，信噪比一般较低，而费用较高[5]。ZXD03仪器参数：工作温度-40～45 ℃，相对湿度80%～90%，波长8～14 μm，输入频率（50±2）Hz，功耗≤500 W（室外设备），电源220 V。
2 数据处理及分析
由于SIRIS的观测时间间隔为10 min，而ZXD03的观测时间间隔为15 min，所以选取30 min间隔的数据使两者的观测时间相匹配。2012年2月1日至4月30日期间，提取的SIRIS（1次/10 min）和ZXD03（1次/15 min）匹配时间段的同时观测数据共有3 344个。其中，SIRIS共观测到的全天无云天数为13 d，ZXD03共观测到的天顶无云天数为4 d。如图1所示，SIRIS和ZXD03所测得的中低云云高比较一致，总体来说ZXD03比SIRIS所能探测到的云高范围大。如图2所示，2个仪器的低云云高的相关系数是0.75，通过了显著性水平为0.01的双侧检验，其低云测量的一致性相对较高。如图3所示，2个仪器所测中云云高的相关系数是0.51，通过了显著性水平为0.01的双侧检验。如图4所示，高云云高通过了显著性水平在0.05的双侧检验，其相关系数为0.19。通过相关性检测，SIRIS和ZXD03所测高云云高的相关性较差。SIRIS和ZXD03所测云高的平均值（所有样本的平均）如图5所示，中低云云高的平均值较为接近，而ZXD03所测高云的平均值比SIRIS的大。
如图6～8分别是SIRIS和ZXD03在霾天气状况下的高、中、低云云高对比，经过双侧检验得出，2个红外测云仪所测高、中、低云云高的相关系数分别为0.19、0.66和0.91，和图2～4总的相关系数相一致，高云云高最不相关，可能由于数据量减少，中低云云高的相关性相对更显著了。由这些样本数据看来，霾天气对SIRIS和ZXD03 2个红外测云仪的云高测量影响不太大。
3 结语
通过对ZXD03型地基红外测云仪和全天空红外扫描成像系统SIRIS所测云高产品进行对比分析，所得出的结论如下：
（1）这2个红外测云仪所测云高数据整体上一致性很高，在高云上云高数据不相关，而低云云高相对比较一致。这可能是2个仪器对高云向下辐射的红外辐射值的大气修正有差异而导致的，需要进一步探究。
（2）2个仪器在中低云的平均值较为接近，而ZXD03所测高云的平均值比SIRIS的大。
（3）在霾等大气气溶胶异常的天气状况下，2个仪器与云雷达和地面观测记录相比，2个红外测云仪的观测相对一致。
（4）有降水时ZXD03一般均可工作，大多能获得碎雨的云高数据，可能对降雨频繁地区的云高观测带来便利。
从传感器的应用技术方面，可以增加扫描时间或增加红外辐射计探头来提高天空分辨率。在技术应用方面依然存在如重复扫描增长扫描时间、成本与复杂性等方面的问题，需要根据实际情况设计研制出兼顾分辨率和扫描速度的器件。在实际业务中应分析设备的优缺点，结合各地气候环境等因素，以做出测云仪器的最优配置方案。总的来说，目测云高具有很大的主观性，需要更为准确的测云仪测量云高，在不断完善测云仪性能的同时，仍然需要在业务中总结测云高的经验和规律，为测试比较不同设备提供基本依据。
4 参考文献
[1] 高太长，刘磊，赵世军，等.全天空测云技术现状及进展[J].应用气象学报，2010，21（1）：101-109.
[2] 石广玉.大气辐射学[M].北京：科学出版社，2007：315.
[3] 李晖.全天空红外扫描成像系统嵌入式平台设计与实现[D].成都：成都信息工程学院，2012.
[4] 解放军理工大学气象学院.ZXD03型地基红外测云仪使用维护说明书[Z].南京：解放军理工大学，2010.
[5] 董永贵.传感技术与系统[M].北京：清华大学出版社，2006：349-350.