一种红外与激光联合的地基测云方法技术

红外与激光联合的地基测云方法，包括以下步骤：(1)分别利用非致冷红外焦平面阵列传感器获得大气向下红外辐射数据，利用激光传感器获得天顶后向消光系数廓线数据；获得上述两个数据的时间同步；(2)联合上述数据对云下水汽和气溶胶辐射进行估计，并利用辐射传输模式计算的晴空阈值进行初步的云检测；并假定云为黑体，反演得到云底高；(3)对高时间分辨率的红外辐射图像进行序列分析，结合晴空阈值做进一步的云检测，并计算云量；(4)拟合红外辐射反演的云底高与激光测量的云底高之间的比例系数；(5)进行全视场云底高修正，并计算得出每10分钟的典型云底高度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】红外与激光联合的地基测云方法，包括以下步骤：(1)分别利用非致冷红外焦平面阵列传感器获得大气向下红外辐射数据，利用激光传感器获得天顶后向消光系数廓线数据；获得上述两个数据的时间同步；(2)联合上述数据对云下水汽和气溶胶辐射进行估计，并利用辐射传输模式计算的晴空阈值进行初步的云检测；并假定云为黑体，反演得到云底高；(3)对高时间分辨率的红外辐射图像进行序列分析，结合晴空阈值做进一步的云检测，并计算云量；(4)拟合红外辐射反演的云底高与激光测量的云底高之间的比例系数；(5)进行全视场云底高修正，并计算得出每10分钟的典型云底高度。【专利说明】
本专利技术涉及一种地基测云方法，尤其是一种联合地基红外与激光进行云检测和全视场云底高修正的方法，其主要用于地面气象观测自动化测量中。
技术介绍
云通常覆盖地球大气约50%左右，是地气系统辐射收支的主要调节者。云的观测工作一直是气候研究、天气分析与预报工作的基础。长期以来，目测是气象业务中常用的估计云量、确定云高的方法，但由于人为观测误差大，加之夜间光照条件差，云的观测资料的准确性和昼夜一致性难以保证，同时对实际天空的描述也较为困难。目前主要的地基测云技术体制有可见光被动遥感体制、红外被动遥感体制和激光主动遥感体制。可见光测云仪由于其夜间无法测量，很难应用于实际观测业务中。红外测云仪和激光云高仪能昼夜连续观测且各有特点。 地基红外被动遥感测云技术国外以美国ICI测云仪研究团队为代表，国内以中科院大气物理所和解放军理工大学气象海洋学院为代表，均取得大量创新性成果。研究表明，8-14 μ m波段向下红外辐射主要受到水汽和气溶胶的影响，单一红外测云仪由于对云下水汽和气溶胶的估计不足会造成云检测出现偏差。另外，红外辐射反演的云底高只适用近似为黑体的云，其他情况下由于无法得知云的光学厚度，反演的云底高存在很大误差。 地基激光主动遥感测云技术，国外以Vaisala公司为代表，其研制的激光云高仪在20世纪90年代应用于美国地面自动观测系统(ASOS)中替代人工目测。国内也有多家公司研发出了激光云高仪。一些学者研究发现，激光云高仪会在一些明显无云的情况下出现错误的有云信号，这可能是由于路径上存在一个很薄的湿气层或气溶胶层造成的。此外噪声的影响使其测量卷云这一弱回波信号时的数据获取率极低，这一问题在我国雾霾多发地体现的尤为明显。更重要的是，激光云高仪采用时间积分计算的云量存在严重的空间代表性问题。 综上所述，红外被动遥感测云和激光主动遥感测云这两种最有可能实现测云业务化的技术体制目前仍然在不同程度上存在问题，尚不能完全替代人工目测。
技术实现思路
本专利技术的目的是:提出一种将地基红外被动遥感和激光主动遥感联合进行云检测和全视场云底高修正的方法，从而最大程度地克服地基红外被动遥感测云和激光主动遥感测云的使用场合的不足，提高地基昼夜连续测云的准确性。 本专利技术的技术方案为:。该方法包括以下步骤: (I)分别利用非致冷红外焦平面阵列传感器获得大气向下红外辐射数据，利用激光传感器获得天顶后向消光系数廓线数据；获取数据的时间同步；(如通过数据采集系统每I分钟同步进行数据采集，并将数据存储。) (2)联合上述数据对云下水汽辐射和气溶胶辐射进行估计，并利用辐射传输模式计算的晴空阈值进行初步的云检测；并假定云为黑体，反演得到云底高； (3)对高时间分辨率的红外辐射图像进行序列分析，结合晴空阈值做进一步的云检测，并计算云量； (4)拟合红外辐射反演的云底高与激光测量的云底高之间的比例系数； (5)进行全视场云底高修正，并计算得出每10分钟的典型云底高度。 进一步，通过数据采集系统每I分钟同步进行非致冷红外焦平面阵列传感器数据采集和激光传感器的数据采集。 进一步，联合非致冷红外焦平面阵列传感器获取的红外辐射数据和激光传感器获取的天顶回波数据对云下水汽和气溶胶辐射进行估计，并计算出晴空辐射阈值。 (2)的具体化:联合上述数据对云下水汽和气溶胶辐射进行估计，并利用辐射传输模式计算的晴空阈值进行初步的云检测；并假定云为黑体，反演得到云底高: 步骤1:云下气溶胶福射估计；将消光廓线转换为光学厚度廓线，代入Libradtran辐射传输模式，估算垂直路径的气溶胶向下辐射值I.。-; 步骤2:云下水汽辐射估计:利用激光无云时的天顶向下红外辐射Iiky和地面水汽密度Pwat?—vap■估算垂直路径的可降水含量PWV(PWV = f(IIE clear, pwat?—vap.))，其中函数f利用一段时间(例如不少于I年的时间)的探空廓线、天空红外辐射和地面水汽密度统计得出，具体统计模型可使用二元线性回归模型，并利用最小二乘法得到回归系数。将PffV代入Libradtran福射传输模式(但不限于Libradtran),即可估算垂直路径的水汽向下辐射值 Iwater_vapour ° 步骤3:晴空福射阈值确定；利用Libradtran福射传输模式计算大气廓线以及臭氧等其他稳定少变气体的固定福射值I。，结合步骤1、2得到的IaMOSaL和IwatOT—vap.，计算出晴空辐射阈值Itl = laerosol + Iwater—vapour+Ic ? 步骤4:初步的云检测；遍历红外辐射图像，判断实际测量的大气向下红外辐射I与Itl的大小，若实际测量的辐射I大于晴空辐射阈值Itl，则判为有云，否则无云；此步骤得到初步估计云量记为CCl ;并进一步得到修正后的云体向下红外辐射I1 = 1-1aerosol_Iwater_ -T vapour 丄 c 0 步骤5:利用红外辐射反演云底高；根据步骤4中得到的I1，假设云为黑体，求出云层底亮温，根据该地区该时间段内的典型温度递减率，得到红外辐射反演的云底高ΗΙΚ。 对高时间分辨率的红外辐射图像进行序列分析，结合晴空阈值做进一步的云检测，并计算云量；具体步骤为: 步骤1:求取各像素点的序列辐射标准差。以I分钟为迭代周期，按10分钟为间隔进行图像的序列分析，将每个像素点的10次辐射数据求标准差σ ;利用辐射标准差判断每个像素随时间的均匀性； 步骤2:标记可疑像素云点。如步骤I求取各像素点的序列辐射标准差，遍历红外辐射标准差图像，得σ，若σ >0 ^，则此像素点标记为可疑云点，否则标记为晴空点，其中σ ^通过大量晴空样本统计得出。此步骤得到可疑云量记为CC2。 步骤3:对初步云检测进行修正: 对于⑵中判断为无云的区域，若(3)中步骤2得到的是可疑云区，则晴空辐射阈值Itl按0.2ff/ (m2.sr)向下调整，直到CCl与CC2的差值绝对值小于I ; 对于⑵中判断为有云的区域，且根据红外辐射反演的云底高在6000m以上，若 (3)中步骤2得到的是无云区，则晴空辐射阈值1(|按0.21/(!112.81.)向上调整，直到CCl与CC2的差值绝对值小于I ;对于其他情况不做修正。 通过此步骤，进一步提高了对高云的检测能力。 步骤4:按照调整后的晴空阈值进行云检测，并得到修正后的云量CC。 拟合红外辐射反演的云底高与激光测量的云底高之间的比例系数:具体方法是，统计10分钟内，天顶5°以内红本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外与激光联合的地基测云方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别利用非致冷红外焦平面阵列传感器获得大气向下红外辐射数据，利用激光传感器获得天顶后向消光系数廓线数据；获得上述两个数据的时间同步；(2)联合上述数据对云下水汽和气溶胶辐射进行估计，并利用辐射传输模式计算的晴空阈值进行初步的云检测；并假定云为黑体，反演得到云底高；(3)对高时间分辨率的红外辐射图像进行序列分析，结合晴空阈值做进一步的云检测，并计算云量；(4)拟合红外辐射反演的云底高与激光测量的云底高之间的比例系数；(5)进行全视场云底高修正，并计算得出每10分钟的典型云底高度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，高太长，张婷，赵世军，韩文宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32