萃英山顶十余载　巧用雷达测云天

清晨，兰州大学榆中校区微露曙光、萃英山还被云雾遮绕着，大气科学学院葛觐铭教授的博士生杜佳璟等几位同学已来到萃英山脚下，准备向位于山顶的半干旱气候与环境观测站（SACOL）进发，他们一天的工作从攀登开始。

无论酷暑还是严寒，这样的观测已在这个团队中持续坚持了十多年。努力终有所收获，继2023年在遥感与地球科学领域国际著名期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》发表了基于质量吸收的云水含量反演新方法，2024年又刊登了题为“An Accurate

Retrieval of Cloud Droplet Effective Ra－dius for Single-Wavelength Cloud Radar”的最新研究论文。

该研究突破以往毫米波云雷达利用后向散射信号，结合经验方法获取云特征的思路。通过考虑电磁波在云中传输主要受云水吸收衰减这一特性，提出了基于物理过程自适应约束的云滴有效半径探测反演新方法。“云是影响天气和气候预报、预测的最重要因素之一，当前模式对这一块的模拟还存在较大不确定性，而毫米波云雷达的一个重要作用是可以提供高分辨率的云特性垂直廓线分布观测，用于研究云物理过程，从而对比和改进模式模拟。我们的一个主要工作方向是利用先进云雷达开展云的外场观测，分析和理解云的生消，并准确识别和反演云的宏、微观特性，理解云物理过程。”葛觐铭教授介绍道。

建立站点，探测云滴粒子回波信号

2013年，学院引进了当时国际最先进的毫米波雷达KAZR，这个顶着“大脑袋”的集装箱设备被吊放到萃英山上一处提前做好的防下陷承重地基平台上，这样建立了西北最早的云雷达观测点。

“大气要素成分在水平方向上的变化通常要比垂直方向上小很多，选择合适的站点可以代表一定区域整体特性。萃英山是一个很有代表性的站点，在这个点开展观测，对理解西北地区大气变化特征有重要作用。”葛觐铭说，“萃英山处于中纬度我国西北地区，这里四季分明，不同季节受不同的天气过程控制，云系发展极其丰富。冷季的锋面、气旋活动，会形成大尺度层状云系。暖季的对流和热带对流层顶延伸，会出现对流降水云系和位置较高的冰云。结合西北特有的沙尘气溶胶，这个站点是研究不同类型云以及云和气溶胶相互作用非常理想的位置”。

KAZR毫米波云雷达，每隔四秒便向天空发射一次电磁脉冲，同时记录大气中水凝物的回波信号。这样高分辨率的探测日复一日地重复着，在萃英山上一开展就持续了十多年，为后续研究积累了海量数据。“我当时刚参加工作，云雷达的研究相对于博士期间的学习方向完全是陌生和崭新的。面对昂贵且先进的设备，和它能解决的重要科学问题，当时对我还是产生了一定的吸引力。然而未知领域的探索还是比较艰辛的，从2013年雷达工作，到第一篇相关研究论文的发表，经历了将近5年的时间，这种漫长的冷板凳过程放在现在是很难想象的。”出于对问题求知和探索的好奇心和责任感，加上后期工作的要求混在一起，葛觐铭不断探索从无到有，逐渐走出一条路来。

有了设备，加上每年招收的硕士、博士研究生，逐渐组成了一个年轻的云雷达研究团队。萃英山冬季寒风粗犷，夏季烈日当头，葛觐铭带着学生一次又一次从山脚爬到观测站点去维护雷达系统、采集观测数据，不断认识、熟悉和爱护这台设备。多年的学习和工作，让团队的每位成员都深刻体会到学院黄建平院士等前辈提出的“将地域劣势化为科研优势”的发展理念。“真实看到的雷达和想象中的样子大相径庭，我一直以为它是个裸露着的、孤零零的‘大锅’。来到观测站才发现KAZR不仅有锥形的雷达天线保护罩，还有诸多发射、接受、控制、存储和冷却单元有序安放在集装箱里，组成了整个复杂的工作系统。”杜佳璟说。

雷达内部有几大系统在计算机的监控和协调下有序工作，但其中有一部分还需要人员来定期维护保障设备的正常工作。杜佳璟介绍说：“雷达的冷却系统需要每个月检查和添加冷却液，以保障电磁波发射系统正常，热噪声稳定；雷达的数据存储需要及时从存储单元备份出来，这样雷达才能持续不断地获取和保存观测结果；雷达脉冲需要定期进行压缩调制，以保证发射能量集中；天线罩需要清理掉灰尘以减少信号传输衰减，但还要足够小心以保护表面的疏水纳米涂层。所有这些维护工作的目标都是为了获取高质量的数据，这些做好了后面才能安心顺利地利用数据开展研究工作。”

突破难题，发展低云特性反演新方法

2019年，杜佳璟加入了葛觐铭教授的课题组。在这之前，课题组成员已围绕雷达探测原始数据的质量控制开展了大量研究，提出了包括双边滤波等先进算法。杜佳璟便在此基础上进一步尝试探究低云的微物理特性，包括云液态水含量、云滴有效半径以及云光学厚度等。

“基于现有的雷达数据开发一套新的方法来反演云微物理特性，对于刚进课题组的我无疑是个巨大的挑战，但很快就感觉到组里的师兄、师姐对云雷达原理和数据很熟悉，我自己对大气辐射比较感兴趣，我便和大家互相学习。”杜佳璟谦虚地说，“最开始关于算法的构建，老师强调要利用雷达在瑞利散射范畴可以避免粒子谱假设的这一优势，然而具体怎么在雷达观测中应用并没有明确的道路。”

以往的云水含量反演算法思路上很直接，主要是利用雷达反射率因子和云水含量的定义表达，通过飞机观测以及假定云滴谱分布函数的基础上模式模拟给出他们之间关系的经验系数来得到云水含量，但这种经验关系受云系类型，气象条件，仪器校准等诸多因素的限制，反演结果误差通常都在100%以上，因此，需要另辟蹊径开发不依赖于经验系数和云滴谱分布假定的新方法来降低这个误差。

“新方法的构建既有思路设计的问题又涉及大量数学推导，刚开始的阶段对如何完成完全没有信心，开展一点工作就会出现意料之外的问题，我便找老师汇报与讨论，”杜佳璟说，“老师面对我写在草稿纸上繁琐冗长的公式和偏差很大的图，非但没有失望，反而很耐心地推导确认公式的准确性，分析梳理思路逻辑，对一个个卡壳问题提出了可以尝试解决的方案，算法的开发进程也逐渐快了起来”。在葛觐铭教授的指导和鼓励下，杜佳璟最终完成一套逻辑清晰、物理过程准确的云雷达质量吸收反演云水含量的新算法。

持续追寻，全面解析不同类型云特征

“这个新算法是通过物理量间协调自适应反演获取云水含量的，实现了在不依赖于云滴谱分布函数和经验系数的前提下，使用单波长云雷达便可反演，这是算法的独特性。”杜佳璟解释道，“疫情期间，老师通过线上会议提到可以在云水含量反演的基础上，从物理量的数学定义出发，进一步尝试开发云滴有效半径的反演方法，并叮嘱我着重考虑物理量间的内在关系。有了先前算法的开发经验，云滴有效半径的工作在对参数开展敏感性分析的基础上开展得很顺利”。

在此基础上，团队同时引入了云光学厚度的计算，并将反演的结果与飞机原位探测、星载微波辐射计和中分辨率成像光谱仪提供的产品进行对比，发现新算法反演云微物理特性与被动传感器观测结果的一致性有了很大提升。

2024年，杜佳璟以第一作者将相关研究发表至遥感领域顶级期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（SCI一区,IF8.2）上，同时也以第一完成人获得了全国气象雷达应用大赛三等奖，这也是毫米波云雷达理论算法研究与实际应用结合体现的价值。

在被问及算法在未来的发展和应用时，杜佳璟补充到，“算法在地基毫米波云雷达的应用是一个成功探索，未来可进一步尝试应用于星载云雷达，特别是近年来我国风云卫星的发展，如果可以改进算法以应用于未来国产的星载云雷达，将为我国开展云和降水观测研究贡献一份自己的力量。”

展望未来，葛觐铭教授对毫米波雷达开展相关研究充满了期待，“理论研究不应该只停留于科研论文，研究出来的结果应该和更多的实际问题结合起来，与业务部门的需求结合起来，在更广的范围内进行应用。当然这也需要我们去沟通和推荐我们的方法，使其能为气象等业务部门的设备观测提供技术支持，获得更好的产品数据来保障气象预报，防灾减灾等工作。”

葛觐铭教授特别提到：“低云特性研究这一部分目前我们取得了较好的进展，但是广泛分布的冰云和同时包含液水与冰晶的混合相态云反演算法仍然存在较多问题，这是我们将来要持续努力的研究方向。”

内容来源 ｜兰州大学校报

编辑 ｜ 王文彬

责任编辑 ｜ 彭倩

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