天气雷达标定系统

在全球变暖背景下，极端天气气候事件明显增多、强度显著增强。应对多发重发的灾害性天气，离不了扫描速度快、时空分辨率高的天气“捕手”——天气雷达。经过20余年跨越式发展，气象部门建立健全由天气雷达装备技术研发、运行保障、资料应用、监测预警等组成的雷达气象业务体系，持续推进雷达气象业务形成“研、建、用、管”可持续循环发展体制机制，进一步立定“标尺”、磨利“兵刃”、发挥效益，雷达气象业务进入高质量发展阶段。以“研”为先，全力推动装备技术的升级与发展。采用“实体机构+联合体”方式组建中国气象局雷达气象中心，攻关雷达标准化技术、信号处理关键技术，研制标准X波段雷达、气溶胶激光雷达等装备。长沙气象雷达标校中心以“建”为基，保障天气雷达高效稳定运行。长沙气象雷达标校中心创新性建立“动静态”相结合的天气雷达标校方法，填补国内天气雷达天线关键参数远场实测这一空白，使天气雷达标校参数从21项提升至54项，并具备多维互检能力。天津气象雷达研究试验中心开展算法中试业务，推动全链条雷达质量控制；建立5大类13项雷达性能在线评估方法；实现强对流核心算法自主可控；引入人工智能技术，持续优化完善天气雷达质量控制算法，建立多层级质量控制业务流程。2018年至2023年，质量控制准确率由77%提升至90%以上。以“用”为本，最大限度发挥天气雷达资料价值。天气雷达拼图系统持续发展，拼图技术不断优化，产品时间分辨率由6分钟提升至3分钟，并成功研制双偏振量组网产品和多波段雷达组网拼图产品，其中多波段组网拼图产品在成都大运会首次亮相，支撑了重大活动服务保障工作。雷圣-P系统6月24日00时雷达反射率拼图叠加强对流识别产品。图片来源：中国气象局气象探测中心自7月15日起，具有自主知识产权的新一代天气雷达业务软件升级版（ROSE3.0）在全国123个雷达站开展为期3个月的业务试运行，持续提升气象雷达定量估测降水产品以及冰雹、龙卷、雷暴大风、短时强降水等四种强对流自动报警产品的准确率和识别率。作为推动气象预报预警向智能化、精准化迈进的重要抓手，ROSE3.0充分发挥其在应对复杂天气时的重要作用——7月26日1时，台风“格美”螺旋雨带逼近江西省赣州市。为更好监测预报“格美”路径演变及其风雨影响，江西气象部门应用ROSE3.0，将雷达切换至强降水观测模式，精细呈现“格美”复杂回波结构，为防灾减灾提供参考依据。8月7日13时，陕西省关中西部出现较强降水回波，随着回波逐渐东移，西安北部部分县区出现较强的分散性短时强降水，准确捕捉到降水回波的变化趋势。“根据雷达回波并结合天气发展形势，省气象台发布的橙色预警信号平均提前量达49分钟、平均命中率达97.6%。”陕西省气象台值班预报员何娟说。ROSE3.0是中国气象局雷达工程项目针对新一代天气雷达台站业务应用开发的软件。中国气象局气象探测中心致力于改进定量估测降水和四类强对流报警产品算法，构建天气雷达产品体系，通过与各省（自治区、直辖市）气象局、相关高校和科研院所合作，打造科技创新平台。2023年，天气雷达1小时估测降水准确率提升5%；冰雹、龙卷、10级以上雷暴大风和短时强降水等四类强对流产品平均识别率均提升5%至8%以上。

漫反射涂料/目标板蓝菲光学permaflect-标定无人驾驶激光雷达距离测试性能、无人机机载相机、基于激光扫描技术的食品分类处理设备Labsphere（蓝菲光学) 发布的“漫反射涂层Permaflect”，进一步扩展了公司的漫反射材料和涂层产品线。这条产品线包含性能优异的Spectralon材料，Spectraflect涂料和Infragold镀金涂料。在此基础上，蓝菲光学为用户提供了涵盖多个领域的创新性应用解决方案，包括无人驾驶激光雷达校准、发光二极管（LED）、固态（SSL）照明，遥感，成像、消费相机、汽车、国防安全、健康和生物医学光学等。图1 蓝菲光学漫反射涂层Permaflect　　蓝菲光学的Permaflect特有近朗伯特性的白色和灰色漫反射涂层，专门针对恶劣的环境、天气及其他可能影响典型漫反射涂层性能的场合而设计，其反射率范围在5%~94%。　　蓝菲光学首席技术专家Greg McKee指出：“从医疗仪器使用的一次性基准物到成像传感器的基准目标板，蓝菲光学可定制漫反射涂层的应用是极其丰富的，且其性能也是无可比拟的。”　　除了提供Permaflect涂层原材料，蓝菲光学也提供各种尺寸的Permaflect漫反射目标板。在野外各种苛刻的条件下，这些目标板无疑是比白纸或者白布更好的选择。 Permaflect提供了一种传统目标板无法比拟的替代方案，更轻、更均匀、更耐用。”Mckee评论说。漫反射涂层Permaflect推出后受到了客户的广泛赞誉。其被广泛应用于多个领域：（1）Permaflect目标板应用于校准激光雷达距离测量性能Matthew Weed, Luminar 技术研发总监曾讲到：“为部署安全的自动驾驶车辆，Luminar 的客户要求激光雷达系统能够在200多米的距离内对低至10%反射率的目标物实现精确测距。我们通常在200多米的距离上使用蓝非光学的permaflect目标板，来验证我们的产品是否满足客户严苛需求。针对顾客严苛的技术要求条件，蓝菲光学仪器有限公司产品总是不断优化创新，生产出的Permaflect ® 目标板满足激光雷达关键性能因素。图2 Permaflect目标板应用于校准激光雷达距离测量性能图3 无人驾驶激光雷达图4 典型8/H Permaflect漫反射板反射因子 （2）Permaflect产品用于标定其基于激光扫描技术的食品分类处理设备 由于其无可替代的优异性能，在食品加工和工业过程自动化行业的某国际知名企业已大批量订购了Permaflect产品，用于标定其基于激光扫描技术的食品分类处理设备。 图5 食物在线分检图6 基于激光扫描技术的食物分检设备　（3）Permaflect漫反射板应用于无人机机载相机的标定 漫反射涂层Permaflect进入中国市场后，其在恶劣环境下的高品质性能备受国内用户的瞩目。　　相对于柯达灰卡，漫反射涂层Permaflect在更宽广的谱段上提供平坦的反射率特性，而且具有良好的刚性和平面度，防潮防水性能优异，面幅选择多（标准品最小0.5m x 0.5m，最大1.2m x 2.4m，其他面幅可定制），又相对较轻，因此适用于各种环境。目前，漫反射涂层Permaflect已经被中科院某研究所用于野外环境下对无人机机载相机的标定。图7 无人机图8 无人机机载相机图9 Permaflect和柯达灰卡的反射光谱对比

针对各地环境空气质量评估考核过程中均未将沙尘天气过程期间数据剔除，环境保护部于2017年1月4日印发《受沙尘天气过程影响城市空气质量评价补充规定》（以下简称《规定》）。依据《规定》，全国地级及以上城市环境空气质量评估、考核和排名过程中剔除沙尘天气过程的影响。规定中提出“各地环保部门如遇沙尘天气过程，当天将沙尘天气过程影响时段、影响范围和其他佐证材料报送中国环境监测总站。这些数据也将作为评价、考核和排名的重要依据。”《规定》中的佐证材料包括卫星环境应用中心遥感监测结果、全国沙尘暴监测网监测数据以及气象部门发布的沙尘信息等。在沙尘天气的扣除条件和筛选方法上，中国环境监测总站工程师王帅说：“当沙尘天气过程中沙尘源区城市PM10小时浓度持续两个小时超600μg/m3，或持续1个小时超过1000μg/m3，可以剔除沙尘天气过程影响区域范围内源区城市及下游城市颗粒物监测数据。”近年来，地基遥感的主动探测手段，如激光雷达不仅能够有效判识雾霾的空间分布，对沙尘天气发生的过程、时间、沙团输入的高度、强度等特征，都可以进行有效监测。1、什么是大气颗粒物激光雷达呢？大气颗粒物激光雷达像“探针”一样，通过不断地向大气中发射激光束，扫描大气中的信息，通过与颗粒物和气态分子相互作用后产生散射光来获取不同高度处污染物的浓度分布信息，类似医学上的“CT”技术，不同的是，激光雷达获取的是污染物的空间垂直分布。 2、激光雷达提供什么数据呢？① 消光系数：反映污染程度，消光系数值越高，代表球形粒子污染程度越严重。② 退偏振度：反映沙尘的不规则程度，沙尘的退偏振度约0.2-0.4。③ 颗粒物质量浓度空间分布：给出不同高度处PM10和PM2.5质量浓度。④ 能见度：给出垂直、水平能见度视程。⑤ 外源性污染物强度：外源传输的输送通量和局地污染的占比。3、如何从激光雷达结果上读取沙尘信息呢？我们来分析三个案例。案例分析一：L地经历的一次严重的沙尘过程（数据来源：L地站点）① 沙尘爆发前：雷达图像监测显示，9日白天污染程度较轻，近地面有一定的尘漂浮。② 沙尘爆发期：夜间22时，近地面的退偏振度突然增大，消光系数也有伴随增大的现象，L地区的粗颗粒程度明显增加，近地面的PM10由250μg/m3升至1500μg/m3，沙尘天气加剧。③ 沙尘消散：沙尘天气持续至10日夜间22时，沙团中的粗颗粒明显沉降，退偏振度和消光系数明显减弱，污染物浓度下降，特别是PM10浓度，回落到750μg/m3，经历11日的持续沉降和过境，沙尘天气的影响基本消除，PM10浓度回落到250μg/m3。 案例分析二：过境沙团和沉降沙团的过程监控（数据来源：W地站点）颗粒物激光雷达在判识外源性沙尘的另一个重要依据，是其出现的高度与近地面的污染物分布无明显的重合。下图是激光雷达捕获到的一次多层沙团过境和与地面复合的结果。近地面的结果发现，PM浓度高值与沙团2沉降融合有密切关系。沙尘输入过程的激光雷达监测结果（W地）① 沙团1： 出现在6日16时，高度4.2km处，沉降过程中沙团的下沿距地面约2.1km，尚未进入大气边界层内，属于过境沙团，对近地面的影响较小。② 沙团2：出现在7日20时前后，高度5km处，沙团强度大，沉降速率大，沙团在8日7时沉降至大气边界层内，与近地面污染物复合，属于沉降沙团。③ 沙团3：在沙团2未沉降结束时，高空3km处发生第3次的污染团的输送。此沙团向地面迁移过程中，在1.2km处与地面污染物有明显分界，未发生融合，属过境沙团。④ 沙团4：出现在8日20时高空3.6~4.5km范围内出现第4次的沙团输入。此沙团下沿最低高度至3km，既未与第3次的沙团混合，也没有能进入边界层内与近地面的污染物混合，推测第3次和第4次输送的污染团与第1次的污染团类似，属于过境沙团，对近地面的影响较小。详细可参阅【伍德侠, 宫正宇, 潘本锋,等. 颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用[J]. 中国环境监测, 2015(5).】案例分析三：沙尘传输的激光雷达组网观测基于单站点的雷达可以实现对沙团的时间、高度和强度特征进行分析，基于多台雷达组成的雷达网络，可以对沙团的传输路径、时间相位以及沉降的特征进行监控，并及时预警。2016年3～5日中央气象台的沙尘落区预报如下图所示。为有效捕获此次沙尘污染传输，我司利用激光雷达组网平台，对布设在北京、无锡、上海、福州、武汉和郑州等地的大气颗粒物监测激光雷达数据进行快速解析，实时结果如下图所示，沙尘到达北京、郑州和武汉等地的时间、高度、强度和沙尘团轮廓的演化有很大的不同和较强的关联性。 中央气象台的沙尘落区预报激光雷达组网点位布设沙尘传输的激光雷达组网观测结果致谢：衷心感谢中国环境监测总站、河南省环境监测中心、上海市环境监测中心、福建省环境监测中心站、兰州市环境监测站、武汉市环境监测中心、福州市环境监测中心站、无锡新吴区环境监测站的大力支持。