基于常规探空资料的云高判别方法研究

云底和云顶高度作为重要的云宏观物理特征参数,对空气质量、日照率、大气辐射传输、边界层湍流以及飞行安全都有着重要的影响，也是气候诊断分析中的重要因子。本项目拟在掌握我国探空设备上所用的热敏电阻和碳湿敏元件的温度特性、迟滞特性以及灵敏度和重复性等静态特性的基础上，获取一批常规探空资料以及相应时次云底和云顶高度的观测数据(如飞机穿云，激光云高仪和毫米波雷达等)，分析得到探空过程中温度和相对湿度数据在云垂直边界的变化规律，建立基于常规探空资料判定云底和云顶高度的方法，并通过激光云高仪以及加装无防水涂层的温度传感器的探空仪进行同步对比观测来检验该方法的准确性，以进一步改进和完善利用常规探空资料进行云高判定的方法。该云高判定方法的实现可以为云高判定研究提供新思路与新方法，丰富从常规探空资料中获取的气象信息（特别是云高信息），为数值预报、大气遥感、云雾物理、人工影响天气等的研究提供重要的科学依据。

鉴于利用常规探空资料进行云垂直边界判识的可行性以及其资料使用的经济性、一致性、连续性等优势，本项目利用对我国业务用探空资料的深入分析以及综合云观测资料的对比研究，探索利用探空资料判定云顶和云底高度的方法。本项目搜集整理了阳江国际对比试验探空资料以及2010年以来我国气象业务用的探空秒数据资料，形成探空资料数据集。利用阳江国际探空对比试验资料，分析了我国长峰和华云GPS探空仪以及业务使用的南京大桥机器有限公司研制的GTS1-2型电子探空仪，了解了我国探空系统与国际先进探空系统的整体差异；利用2010年来探空秒数据资料，进一步掌握了我国业务用探空仪的温度、相对湿度感应特性，实现了我国业务上使用的三个不同厂家探空仪的性能评估，这些研究成果为本项目的云高判别方法研究奠定了基础。利用探空资料数据集，开展云高判别方法研究，考虑到我国探空仪低温测湿性能略低，传感器在入云出云后脱湿能力较差的因素，本项目结合探空温度记录，计算相对于不同温度和相态的饱和水汽压值，并利用温度廓线转换为高度－饱和相对湿度曲线。同时依据不同高度云内外水汽饱和状态的变化，结合水云、过冷水云和冰晶云随温度层结曲线变化的规律，并考虑无云湿层和薄云等特征，最终确立了云高判别方法指标，建立了云区识别算法，研发了基于探空资料的云区自动识别软件，实现对云高的判别。该项成果获得计算机软件著作权登记（登记号2014SRBJ0342）1项。在云顶高度信息获取上，本项目提出了一个新思路，研制了改进型探空仪。即在常规探空仪上添加无防水涂层的温度传感器，该传感器与常规温度传感器同步接收高空温度数据，但在探空仪飞出云顶后，由于周围空气相对湿度突然降低引起水分蒸发，致使温度元件冷却，其测得的温度会出现突然比常规温度元件偏低的特点，可以利用类似“湿球效应”的现象来判别云顶高度。该成果获得实用新型专利授权1项、国家发明专利已经公开。为了客观检验无线电探空仪判断云高方法的应用效果。项目组在北京南郊观象台以及广州从化市气象局架设激光云高仪以及气科院自行研制的全天空云观测系统，搜集了一批综合云观测资料。在山西忻州气象观测站通过联合观测试验，选择降水过程前的层状云天空状况进行综合云观测，获取了一批改进型探空仪、激光云高仪，毫米波雷达资料以及2次飞机观测数据，初步验证了云高判别方法。