马舒庆 三教108 观天测云,把脉天公

1、观天测云，把脉天公中国气象局气象探测中心马舒庆2015年10月22日内 容 气象观测 科学技术成果推动观测技术发展 中国气象局气象观测系统 高空观测探索发展历程 观测技术发展模式 主要气象观测技术的发展趋势 天气预报是根据气象观测资料和气象理论方法（天气学、动力气象学、统计学），对某区域或某地点未来一定时段的天气状况作出定性或定量的预测。气象观测包含两类：气象要素观测（温、湿、风）天气现象观测（云、降水） 地面观测经历千年的发展历史。气象观测发展从风筝探空到现代气球探空有百年的历史综合气象观测系统发展 气象卫星也经历了40-50年的发展。1961，TIROS卫星1988，风云1号卫星综合气象观

2、测系统发展 经历了漫长的技术和近代快速发展，已形成包含天基、空基、地基的综合气象观测系统。一体化、集约化发展的时代已经到来。综合气象观测系统发展科学技术成就推动观测技术发展 传感器技术-自动气象站 无线电技术-无线电高空观测系统 雷达技术-风廓线雷达 微波辐射测量技术-微波辐射计 雷达技术-天气雷达 激光技术-气象激光雷达 卫星导航技术-GPS（北斗）高空探测系统、GPS水汽探测 卫星技术-气象探测卫星 航空技术-气象探测飞机 传感器技术成熟形成了地面自动化观测站传感器技术-地面自动气象站室内观测场天气现象天气现象-1串口雨滴谱仪雨滴谱仪天气现象天气现象-2大气电场仪大气电场仪闪电计数器闪电计

3、数器能见度仪能见度仪云高仪云高仪1云高仪云高仪2串口串口串口串口串口串口串口冻土冻土冻雨冻雨雪深雪深串口串口串口多多以以太太网网口口光光纤纤收收发发器器光信号光光纤纤收收发发器器视频信号（以太网传输）串口温、湿、温、湿、风、压、风、压、雨、地雨、地温、蒸温、蒸发、辐发、辐射等常射等常规气象规气象要素要素以太网传输以太网传输自动观测 秒、分钟一次 空间布局密度加大自动观测与人工观测比较人工观测 一天3-12次 1、自18世纪中叶以来，先后用风筝、载人气球携带仪器进行直接探测高空气象要素的试验2、20世纪2030年代末，在无线电技术发展的基础上，先后研制成了无线电探空仪、无线电经纬仪和测风雷达，为

4、建立全球高空观测站网奠定了基础。无线电技术-无线电高空观测系统 从地面延伸到空中1927年无线电探空仪的发明翻开了对大气廓线（温度、气压、湿度、风速和风向）探测的新篇章;这种探测技术的应用，构筑了国家、洲际和全球无线电探空网;由此气象学家(罗斯贝(C.-G.Rossby，)发现了大气垂直分层结构、冷暖气团、急流、大气环流等;建立了锋面学说等重要的气象学理论（叶笃正，1977）。无线电探空仪探测大气廓线是大气科学发展史上的里程碑。雷达技术-风廓线雷达 风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。 不需要施放气球和探空仪 雷达信号处理技术的发展，形成弱信号提取能

5、力系统方框图微波辐射测量技术-微波辐射计c0sec0sec)()0 ,(TdzezTldzBT地基微波辐射计在典型的微波V波段大气氧气窗口（51GHz-59GHz）和微波K波段大气水汽窗口（22GHz-31GHz）内选择合适的频率（在寒冷干旱的低水汽密度条件下也可选用微波183GHz的水汽窗口反演水汽），通过对大气微波辐射的遥感测量，反演获得对流层大气温度、湿度廓线、大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量等信息。微波辐射计原理c0sec0sec)()0 ,(TdzezTldzBT大气传输方程：图 大气温、湿度廓线的微波遥感（赵柏林，1987） 廓 线温度廓线湿度廓线022404 0608 10

6、 12 14 16 18 20 22022404 0608 10 12 14 16 18 20 22水汽密度廓线液态水总量对流有效位能 风廓线雷达、微波辐射计将大气廓线探测从每天2-4次-加密到每天200-300次 对应每一次探测费用大大降低天气雷达-系统结构天气雷达探测原理 60年代末，全国建成122个探空站，1600多 个气象站；首部国产气象专用雷达（711型） 问世，并开始批量生产。改革开放后，成功发射风云一号极轨气象卫星； 天气雷达升级为多普勒雷达，地面观测人工观 测逐步向自动化观测发展，机电探空仪变成电 子探空仪。解放前，101个地面观测站，2个高空站。2011年年新中国成立新中国成

7、立中国气象观测系统发展30新一代卫星仪器三维大气反演能力大大提升。新一代卫星仪器三维大气反演能力大大提升。ATMS（最新）（最新）中国气象卫星已成为中国气象卫星已成为WMO全球观测网组成部分全球观测网组成部分中国同时拥有极中国同时拥有极轨和静止气象卫轨和静止气象卫星星是全球地球综合是全球地球综合观测系统（观测系统（GEOSSGEOSS）成员成员中国气象卫星数中国气象卫星数据实行开放共享据实行开放共享政策政策 至2007年底，中国气象部门共有国家级气象观测站2416个，其中2134个站建成了自动气象站。 另外各省还建成了48917个区域加密气象观测站，主要开展降水、温度和风向风速的观测。 广广州

8、州湛湛江江韶韶关关汕汕头头地面观测地面观测高空探测高空探测全国共有120个探空站，每天进行08、20时（北京时）两次从地面到高空25000米以上高空探测。获取高空大气温度、湿度、气压和风向风速资料。其中87个站参加全球资料交换。共有7个探空站为全球GCOS探空站。 新中国开始了观测网发展的新时代 改革开放打下了观测现代化的坚实基础开放、创新的高空探测发展之路CMA1、南北站 我国建国初期从旧政府接收北京，南京两我国建国初期从旧政府接收北京，南京两个探空站个探空站。 使用从旧政府接收的美式仪器设备使用从旧政府接收的美式仪器设备。2、建设高空观测网 19521952年，增建了汉口、成都、兰州年，增

9、建了汉口、成都、兰州3 3个探空个探空站，共有站，共有5 5个探空站，个探空站，4040个小球光学经纬仪个小球光学经纬仪测风站。测风站。 19571957年（年（“一五计划一五计划”末），已建探空站末），已建探空站6969个，连同海军参加发报的个，连同海军参加发报的4 4个探空站，全个探空站，全国探空站达到国探空站达到7373个个。全部使用芬式和苏式全部使用芬式和苏式探空仪，用光学经纬仪测风。探空仪，用光学经纬仪测风。3、自主研发 中央气象局观象台的建立对研究探索、试中央气象局观象台的建立对研究探索、试验我国高空气象探测体制、方法方面起到验我国高空气象探测体制、方法方面起到了重要作用。了重要作

10、用。 19551955年生产的年生产的049049型探空仪开始改变我国探型探空仪开始改变我国探空仪依赖芬兰的局面，以后又研究试验了空仪依赖芬兰的局面，以后又研究试验了5757型、型、5858型、型、5959型探空仪。型探空仪。 19631963年，完成了年，完成了5959型探空仪的生产定型。型探空仪的生产定型。 二次测风雷达被国家计委正式列入二次测风雷达被国家计委正式列入19591959年年计划，生产样机计划，生产样机，称为称为910910二次测风雷达。二次测风雷达。经经试验改进试验改进, , 19651965年，二次测风雷达定型年，二次测风雷达定型称为称为701701二次测风雷达二次测风雷达

11、。 “三五计划三五计划”期间（期间（1966-19701966-1970年）年）, ,主要主要对已有探空站更新使用对已有探空站更新使用59-70159-701系统，到系统，到19701970年，全国年，全国100100多探空站，除个别站外均多探空站，除个别站外均更新使用了更新使用了5959型探空仪，配备型探空仪，配备701701雷达近雷达近3030个站，加上前期的个站，加上前期的910910雷达和无线电经纬仪，雷达和无线电经纬仪，共有共有4040个站使用无线电测风。个站使用无线电测风。 上个世纪上个世纪8080年代末，全国气象部门共有年代末，全国气象部门共有118118个探空站，均使用个探空站

12、，均使用59-70159-701探空系统（另有探空系统（另有两个雷达单测风）。两个雷达单测风）。5、开放创新改革开发推动高空探测技术发展改革开发推动高空探测技术发展 19781978年以后，中美、中芬科技合作对我国年以后，中美、中芬科技合作对我国高空气象探测技术的自动化和探测元件的高空气象探测技术的自动化和探测元件的不断更新起到了很大作用。不断更新起到了很大作用。 5959探空仪探空仪回答器半导体集成化回答器半导体集成化 701701测风雷达自动化改造测风雷达自动化改造 19891989年在前苏联江布尔进行世界气象组织年在前苏联江布尔进行世界气象组织第三期探空国际对比第三期探空国际对比 199

13、61996年，中芬在郑州进行了比对，对我国年，中芬在郑州进行了比对，对我国的高空探测技术起到了促进作用。的高空探测技术起到了促进作用。 19931993年至年至19961996年先后于多次召开中国高空气象探测年先后于多次召开中国高空气象探测体制、高空气象探测系统发展规划研讨会。体制、高空气象探测系统发展规划研讨会。 19961996年年7 7月月1212日中国气象局党组会审定并通过了日中国气象局党组会审定并通过了气象综合探测系统高空气象探测系统和地面观测气象综合探测系统高空气象探测系统和地面观测系统发展规划（系统发展规划（1996-20201996-2020年）。年）。 该规划指出我国高空气象

14、探测技术和业务的状况已远该规划指出我国高空气象探测技术和业务的状况已远远不能满足气象综合观测系统建设的迫切需求，应发远不能满足气象综合观测系统建设的迫切需求，应发展我国新一代高空气象探测系统，迎头赶上世界先进展我国新一代高空气象探测系统，迎头赶上世界先进水平。规划同时指出水平。规划同时指出GPSGPS探测系统将是未来我国常规高探测系统将是未来我国常规高空气象探测的主导技术体制，在空气象探测的主导技术体制，在GPSGPS高空气象探测系统高空气象探测系统建成之前，建成之前， L L波段测风雷达波段测风雷达电子探空仪系统是过渡电子探空仪系统是过渡时期里我国常规高空气象探测的主导体制。时期里我国常规高

15、空气象探测的主导体制。6、走向世界19961996年年1212月中国气象局业务发展与天气司组织拟订了月中国气象局业务发展与天气司组织拟订了L L波段波段测风雷达测风雷达电子探空仪系统功能规格需求书。电子探空仪系统功能规格需求书。19971997年中国气象局对各生产厂家提供的年中国气象局对各生产厂家提供的L L波段测风雷达波段测风雷达电电子探空仪系统总体方案进行了研究和评审，并以招标方式立子探空仪系统总体方案进行了研究和评审，并以招标方式立项进行样机研制生产。项进行样机研制生产。参加招标的厂商有：南京大桥机器厂、成都参加招标的厂商有：南京大桥机器厂、成都784784厂和南京厂和南京1414所所及

16、及081081厂、总后厂、总后36143614厂等生产厂家，各家方案各有特点和优势。厂等生产厂家，各家方案各有特点和优势。南京大桥机器厂、成都南京大桥机器厂、成都784784厂和南京厂和南京1414所中标。所中标。19981998年冬季三厂家探测系统样机入场中国气象局大气试验基地，年冬季三厂家探测系统样机入场中国气象局大气试验基地，开始严格的静态和动态性能考核和对比试验。经过三期考核，开始严格的静态和动态性能考核和对比试验。经过三期考核，南京大桥机器厂研制的样机通过考核，并完成定型，南京大桥机器厂研制的样机通过考核，并完成定型，20022002年正年正式开始业务布点式开始业务布点，到，到201

17、02010年共完成了年共完成了120120个探空站设备的更新个探空站设备的更新换代换代。 提高了高空探测质量GPS探空系统研发 19961996年中国气象局业务发展与天气司年中国气象局业务发展与天气司启动启动了了GPSGPS探探空系统的研发空系统的研发 对国外芬兰维萨拉公司和美国对国外芬兰维萨拉公司和美国AIRAIR公司的公司的GPSGPS探空仪进探空仪进行了解剖分析行了解剖分析 对对GPSGPS接收机技术进行了调研。接收机技术进行了调研。 19981998年，正式开始年，正式开始 研制工作。研制工作。 19991999年年5 5月研制出原理样机，进行了探测试验，获月研制出原理样机，进行了探测

18、试验，获得成功；得成功； 20022002年年 6 6月与局重点工程办公室签订了月与局重点工程办公室签订了GPSGPS系统采系统采购合同。购合同。 20032003年年1212月月3030日通过了局科教司组织的成果鉴定。日通过了局科教司组织的成果鉴定。 20062006年年开始产业化，将技术交付开始产业化，将技术交付 航天科工集团航天科工集团2323所所 华云公司华云公司 南京大桥机器厂南京大桥机器厂 。 20082008年开始对国产年开始对国产 GPS GPS探空系统对比试验，探空系统对比试验， 通过对比试验改进了国产通过对比试验改进了国产GPSGPS探空系统。探空系统。GPS探空系统取得的

19、成绩GPS探空仪的技术领先点Radiosonde TypeTypical correction at 10 hPa（K）LMS （美国洛克马丁）0.95 Modem1.5 InterMet1.1 Jinyang 2.1 Changfeng （北京长峰声表面波公司）0.6 Huayun （中国华云）2.3 Graw1.0 Meisei 1.8 Daqiao （南京大桥）0.9 Vaisala（芬兰维沙拉）0.7 Meteolabor 1.8 MultithermistorActive correctionGPS探空仪的技术领先点RadiosondeSystematic biasrelative

20、to Meteolaborcompared to thebias in zerolapse rate.deg KRates of ascent,At time ofmeasurement1m/sLapserateK/minFlightNumberTimeConstantversusMeteolaborsMeteolabor 0 Daqiao 0.1 6.5 -1.3 14 -0.4 2.5 +3.5 14 7 -0.4 2.5 +3 42 8 -0.25 3 +2 67 LMS 0.05 6.5 -1.3 14 -0.3 2.5 +3.5 14 5 -0.2 3 +2 67 6 Modem0.

21、1 6.5 -1.3 14 -0.4 2.5 +3.5 14 7 -0.25 3 +2 67 5 InterMet 0.1 6.5 -1.3 14 -0.4 2.5 +3.5 14 7 Jinyang 0.25 6.5 -1.3 14 -0.8 2.5 +3.5 14 14 Changfeng -0.2 2.5 +3 42 4 Huayun-1.3 2.5 +3 42 About 30 Graw -0.1 2.5 +3 42 Meisei-0.6 2.5 +3 42 12 Vaisala -0.3 3 +2 67 9 闯开世界市场的大门回顾中国高空观测发展历程 从引进设备，走向出口设备。 走出

22、了一条开放、创新的中国特色发展之路。新设备研制应用过程需求提出探测中心，依据国内外调研、发展规划和业务改进设备预研 探测中心 大学、科研院所 企业工程样机 企业装备许可 观测司 探测中心批量生产 企业建设阶段 探测中心 省局 台站确定技术体制探测中心，通过对比试验、专家论证和风险评估测试评估 探测中心 省局 台站业务运行 探测中心 省局 台站设备设备（传感器）（传感器） 业务规范业务规范技术技术调研调研功能功能需求需求原理原理样机样机工程工程样机样机业务业务考核考核 业务流程业务流程 业务应用业务应用业务试点业务试点 中科院大气所中科院大气所 可见光全天空成像仪可见光全天空成像仪 原理：鱼眼镜

23、头成像原理：鱼眼镜头成像 输出：云量输出：云量 红外全天空成像仪红外全天空成像仪 原理：全天空扫描成像原理：全天空扫描成像 输出：云量、云高输出：云量、云高国内云观测设备 解放军理工大学 红外云全天空成像仪 原理：阵列成像+多方位角仰角取样拼图 输出：云高、云量国内云观测设备 可见光双成像可见光双成像 红红外双成像外双成像观测产品：观测产品： 云底高度云底高度 云量云量 云状云状 云底风云底风国内云观测设备云状自动化识别 训练样本训练样本, ,分分为了九类：为了九类： 近距淡积云；近距淡积云； 远距淡积云；远距淡积云； 层云与雨层层云与雨层云；云； 基本云体；基本云体； 透光高积云；透光高积云

24、； 絮状高积云；絮状高积云； 毛卷云；毛卷云； 卷积云卷积云1 1； 卷积云卷积云2 2。 我国毫米波测云仪序号名称主要参数指标1体制全固态全相参准连续波2探测对象云、降水等3探测要素回波强度、垂直速度、速度谱宽4天线口径尺寸：D2.4m，波束宽度：0.255工作频率Ka波段35GHz200MHz，8.6mm6距离量程15km7发射功率 Pt50W8脉冲参数发射时宽：20s/0.2sPRF：1020KHz9天线扫描方式垂直顶空瞄准式工作10测速范围15m/s11探测精度回波强度1dB，垂直速度0.2m/s，速度谱宽1m/s；12分辨率距离30m时间160s可调13气象产品回波强度、垂直速度、速

25、度谱宽；云和降水滴谱分布、云水/雨水含量、降水粒子相态识别、垂直气流等14供电关系雷达系统总功耗300W毫米波测云仪与激光云高仪对比试验设备设备场地场地时间时间有云天数有云天数降水天数降水天数霾天霾天雾天雾天毫米波云雷达激光云高仪微脉冲激光雷达南郊观测场2013.5.16.8256642014.7.2610.16732026172014.10.1710045云雷达微脉冲激光雷达激光云高仪北京南郊大气探测试验基地毫米波测云仪与激光云高仪探测性能设备设备波长波长发射功率发射功率重复重复频率频率整机功耗整机功耗探测距离探测距离时间分辨率时间分辨率垂直分辨率垂直分辨率CL51910nm19.5mW10

26、K300W15Km1min5m凯迈905nm37mW5K700W15Km1min5m毫米波8.6mm50W10K300W15Km1min30m毫米波云雷达激光云高仪云雷达云雷达激光云高仪激光云高仪云底高度 云底高度云顶高度云体结构云（雨）粒子垂直速度云微物理观测项目毫米波测云仪与激光云高仪对比分析设备2013年5月1日-6月8日数据获取率（%）高云中云低云能见度10km能见度10km云雷达8174388471激光云高仪4372953364结论：u 激光云高仪与云雷达同时测到云时云底高度一致性较好。u 当能见度10km时，激光云高仪数据获取率较低云高对比散点图毫米波测云仪与激光云高仪对比分析设备

27、2014年8月1日10月30日数据获取率（%）能见度1km能见度1kmV10km能见度10km云雷达976653激光云高仪33447个例分析个例分析u 不同云观测性能比较u不同能见度条件下观测性能比较u云厚探测能力比较个例分析个例分析u 不同云观测性能比较u不同能见度条件下观测性能比较u云厚探测能力比较一、低能见度对激光云高仪的影响19:15探空曲线19:15时能见度：1280米云雷达19:15激光云高仪19:15能见度19:15激光云高仪低能见度是测不到云，随着能见度升高逐渐测到低云，但是测不到高云二、雾对激光云高仪、云雷达的影响能见度：1280米相对湿度：86%激光云高仪：探测不到云云雷达

28、：探测到高云2014年10月20日19:15云雷达19:15激光云高仪19:15个例分析个例分析u 不同云观测性能比较u不同能见度条件下观测性能比较u云厚探测能力比较二、激光云高仪、云雷达云厚度比较能见度：19930米u 第一层云厚：800米u 第二层云厚：2000米，探空与云雷达较接近，u 激光探测不到第二层云云雷达7:152014年10月21日7:15激光云高仪7:15 激光测云仪与毫米波测云仪比较 观测时段比较云状信息云观测评估毫米波测云仪探测： 云体结构 云、雨粒子速度 水凝物 积分云量 云状激光测云仪探测： 云底 积分云量 主要气象观测技术的发展 气象要素观测方面-扩展大气廓线观测天

29、气适应性 天气现象观测方面-提高天气雷达时空分辨率扩展大气廓线观测天气适应性 微波辐射计微波辐射计有云和降水条件下的准确探测问题有云和降水条件下的准确探测问题 风风廓线廓线在降水在降水条件下的准确探测条件下的准确探测问题问题有云条件下，探空与微波辐射计探测偏差大有云探测主要问题：大气微波辐射传输方程：c0sec0sec)()0 ,(TdzezTldzBTrcOOH22缺信息 风廓线雷达有效观测区间廓线探测系统有效探测区 欧盟通过COST720研究计划，由德国、英国、荷兰等国家，提出“综合地基遥感探空站”概念，通过试验包括风廓线、微波辐射计、云雷达等多种综合遥感手段，提供温、湿、风及水凝物的观测

30、。地基遥感垂直观测比较分析地基遥感 美国ARM计划的基础是大气廓线及各种要素的综合观测，提出了利用风廓线、RASS、云雷达、GPS/MET等设备进行大气廓线探测。 垂直观测比较分析美国ARM计划大气微波辐射传输方程：c0sec0sec)()0 ,(TdzezTldzBTrcOOH22完整云信息毫米波云雷达 在用K、V波段大气辐射亮温反演湿度和温度时，结合同步观测的云反射率因子廓线 主被动结合扩展有效观测区间廓线探测系统有效探测区廓线探测系统有效探测区 在连接了风廓线雷达后，结合W波段探测的云粒子径向速度廓线和风廓线雷达径向速度谱数据，处理生成大气垂直速度和风，改善降水天气测风能力风廓线雷达测得速度谱天气雷达、云雷达测得云、雨粒子速度谱 双速集成扩展有效观测区间廓线探测系统有效探测区目前天气雷达探测存在的问题 地曲和扫描模式影响 分辨率低 只有一个运动分量阵列技术-网络化天气雷达美国建立网络化雷达 德克萨斯(改进城市洪水的监测和预报) 俄克拉荷马(研究低空风灾及