清晨，蘭州大學(xué)榆中校區(qū)微露曙光、萃英山還被云霧遮繞著，大氣科學(xué)學(xué)院葛覲銘教授的博士生杜佳璟等幾位同學(xué)已來到萃英山腳下，準(zhǔn)備向位于山頂?shù)陌敫珊禋夂蚺c環(huán)境觀測(cè)站（SACOL）進(jìn)發(fā)，他們一天的工作從攀登開始。

無論酷暑還是嚴(yán)寒，這樣的觀測(cè)已在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中持續(xù)堅(jiān)持了十多年。努力終有所收獲，繼2023年在遙感與地球科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際著名期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》發(fā)表了基于質(zhì)量吸收的云水含量反演新方法，2024年又刊登了題為“An Accurate

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

該研究突破以往毫米波云雷達(dá)利用后向散射信號(hào)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方法獲取云特征的思路。通過考慮電磁波在云中傳輸主要受云水吸收衰減這一特性，提出了基于物理過程自適應(yīng)約束的云滴有效半徑探測(cè)反演新方法。“云是影響天氣和氣候預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)的最重要因素之一，當(dāng)前模式對(duì)這一塊的模擬還存在較大不確定性，而毫米波云雷達(dá)的一個(gè)重要作用是可以提供高分辨率的云特性垂直廓線分布觀測(cè)，用于研究云物理過程，從而對(duì)比和改進(jìn)模式模擬。我們的一個(gè)主要工作方向是利用先進(jìn)云雷達(dá)開展云的外場(chǎng)觀測(cè)，分析和理解云的生消，并準(zhǔn)確識(shí)別和反演云的宏、微觀特性，理解云物理過程?！备鹩P銘教授介紹道。

建立站點(diǎn)，探測(cè)云滴粒子回波信號(hào)

2013年，學(xué)院引進(jìn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際最先進(jìn)的毫米波雷達(dá)KAZR，這個(gè)頂著“大腦袋”的集裝箱設(shè)備被吊放到萃英山上一處提前做好的防下陷承重地基平臺(tái)上，這樣建立了西北最早的云雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。

“大氣要素成分在水平方向上的變化通常要比垂直方向上小很多，選擇合適的站點(diǎn)可以代表一定區(qū)域整體特性。萃英山是一個(gè)很有代表性的站點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)開展觀測(cè)，對(duì)理解西北地區(qū)大氣變化特征有重要作用?！备鹩P銘說，“萃英山處于中緯度我國(guó)西北地區(qū)，這里四季分明，不同季節(jié)受不同的天氣過程控制，云系發(fā)展極其豐富。冷季的鋒面、氣旋活動(dòng)，會(huì)形成大尺度層狀云系。暖季的對(duì)流和熱帶對(duì)流層頂延伸，會(huì)出現(xiàn)對(duì)流降水云系和位置較高的冰云。結(jié)合西北特有的沙塵氣溶膠，這個(gè)站點(diǎn)是研究不同類型云以及云和氣溶膠相互作用非常理想的位置”。

KAZR毫米波云雷達(dá)，每隔四秒便向天空發(fā)射一次電磁脈沖，同時(shí)記錄大氣中水凝物的回波信號(hào)。這樣高分辨率的探測(cè)日復(fù)一日地重復(fù)著，在萃英山上一開展就持續(xù)了十多年，為后續(xù)研究積累了海量數(shù)據(jù)。“我當(dāng)時(shí)剛參加工作，云雷達(dá)的研究相對(duì)于博士期間的學(xué)習(xí)方向完全是陌生和嶄新的。面對(duì)昂貴且先進(jìn)的設(shè)備，和它能解決的重要科學(xué)問題，當(dāng)時(shí)對(duì)我還是產(chǎn)生了一定的吸引力。然而未知領(lǐng)域的探索還是比較艱辛的，從2013年雷達(dá)工作，到第一篇相關(guān)研究論文的發(fā)表，經(jīng)歷了將近5年的時(shí)間，這種漫長(zhǎng)的冷板凳過程放在現(xiàn)在是很難想象的?！背鲇趯?duì)問題求知和探索的好奇心和責(zé)任感，加上后期工作的要求混在一起，葛覲銘不斷探索從無到有，逐漸走出一條路來。

有了設(shè)備，加上每年招收的碩士、博士研究生，逐漸組成了一個(gè)年輕的云雷達(dá)研究團(tuán)隊(duì)。萃英山冬季寒風(fēng)粗獷，夏季烈日當(dāng)頭，葛覲銘帶著學(xué)生一次又一次從山腳爬到觀測(cè)站點(diǎn)去維護(hù)雷達(dá)系統(tǒng)、采集觀測(cè)數(shù)據(jù)，不斷認(rèn)識(shí)、熟悉和愛護(hù)這臺(tái)設(shè)備。多年的學(xué)習(xí)和工作，讓團(tuán)隊(duì)的每位成員都深刻體會(huì)到學(xué)院黃建平院士等前輩提出的“將地域劣勢(shì)化為科研優(yōu)勢(shì)”的發(fā)展理念。“真實(shí)看到的雷達(dá)和想象中的樣子大相徑庭，我一直以為它是個(gè)裸露著的、孤零零的‘大鍋’。來到觀測(cè)站才發(fā)現(xiàn)KAZR不僅有錐形的雷達(dá)天線保護(hù)罩，還有諸多發(fā)射、接受、控制、存儲(chǔ)和冷卻單元有序安放在集裝箱里，組成了整個(gè)復(fù)雜的工作系統(tǒng)?！倍偶循Z說。

雷達(dá)內(nèi)部有幾大系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控和協(xié)調(diào)下有序工作，但其中有一部分還需要人員來定期維護(hù)保障設(shè)備的正常工作。杜佳璟介紹說：“雷達(dá)的冷卻系統(tǒng)需要每個(gè)月檢查和添加冷卻液，以保障電磁波發(fā)射系統(tǒng)正常，熱噪聲穩(wěn)定；雷達(dá)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要及時(shí)從存儲(chǔ)單元備份出來，這樣雷達(dá)才能持續(xù)不斷地獲取和保存觀測(cè)結(jié)果；雷達(dá)脈沖需要定期進(jìn)行壓縮調(diào)制，以保證發(fā)射能量集中；天線罩需要清理掉灰塵以減少信號(hào)傳輸衰減，但還要足夠小心以保護(hù)表面的疏水納米涂層。所有這些維護(hù)工作的目標(biāo)都是為了獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，這些做好了后面才能安心順利地利用數(shù)據(jù)開展研究工作。”

突破難題，發(fā)展低云特性反演新方法

2019年，杜佳璟加入了葛覲銘教授的課題組。在這之前，課題組成員已圍繞雷達(dá)探測(cè)原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制開展了大量研究，提出了包括雙邊濾波等先進(jìn)算法。杜佳璟便在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步嘗試探究低云的微物理特性，包括云液態(tài)水含量、云滴有效半徑以及云光學(xué)厚度等。

“基于現(xiàn)有的雷達(dá)數(shù)據(jù)開發(fā)一套新的方法來反演云微物理特性，對(duì)于剛進(jìn)課題組的我無疑是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但很快就感覺到組里的師兄、師姐對(duì)云雷達(dá)原理和數(shù)據(jù)很熟悉，我自己對(duì)大氣輻射比較感興趣，我便和大家互相學(xué)習(xí)。”杜佳璟謙虛地說，“最開始關(guān)于算法的構(gòu)建，老師強(qiáng)調(diào)要利用雷達(dá)在瑞利散射范疇可以避免粒子譜假設(shè)的這一優(yōu)勢(shì)，然而具體怎么在雷達(dá)觀測(cè)中應(yīng)用并沒有明確的道路?！?/p>

以往的云水含量反演算法思路上很直接，主要是利用雷達(dá)反射率因子和云水含量的定義表達(dá)，通過飛機(jī)觀測(cè)以及假定云滴譜分布函數(shù)的基礎(chǔ)上模式模擬給出他們之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來得到云水含量，但這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系受云系類型，氣象條件，儀器校準(zhǔn)等諸多因素的限制，反演結(jié)果誤差通常都在100%以上，因此，需要另辟蹊徑開發(fā)不依賴于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和云滴譜分布假定的新方法來降低這個(gè)誤差。

“新方法的構(gòu)建既有思路設(shè)計(jì)的問題又涉及大量數(shù)學(xué)推導(dǎo)，剛開始的階段對(duì)如何完成完全沒有信心，開展一點(diǎn)工作就會(huì)出現(xiàn)意料之外的問題，我便找老師匯報(bào)與討論，”杜佳璟說，“老師面對(duì)我寫在草稿紙上繁瑣冗長(zhǎng)的公式和偏差很大的圖，非但沒有失望，反而很耐心地推導(dǎo)確認(rèn)公式的準(zhǔn)確性，分析梳理思路邏輯，對(duì)一個(gè)個(gè)卡殼問題提出了可以嘗試解決的方案，算法的開發(fā)進(jìn)程也逐漸快了起來”。在葛覲銘教授的指導(dǎo)和鼓勵(lì)下，杜佳璟最終完成一套邏輯清晰、物理過程準(zhǔn)確的云雷達(dá)質(zhì)量吸收反演云水含量的新算法。

持續(xù)追尋，全面解析不同類型云特征

“這個(gè)新算法是通過物理量間協(xié)調(diào)自適應(yīng)反演獲取云水含量的，實(shí)現(xiàn)了在不依賴于云滴譜分布函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的前提下，使用單波長(zhǎng)云雷達(dá)便可反演，這是算法的獨(dú)特性?！倍偶循Z解釋道，“疫情期間，老師通過線上會(huì)議提到可以在云水含量反演的基礎(chǔ)上，從物理量的數(shù)學(xué)定義出發(fā)，進(jìn)一步嘗試開發(fā)云滴有效半徑的反演方法，并叮囑我著重考慮物理量間的內(nèi)在關(guān)系。有了先前算法的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，云滴有效半徑的工作在對(duì)參數(shù)開展敏感性分析的基礎(chǔ)上開展得很順利”。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)同時(shí)引入了云光學(xué)厚度的計(jì)算，并將反演的結(jié)果與飛機(jī)原位探測(cè)、星載微波輻射計(jì)和中分辨率成像光譜儀提供的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)新算法反演云微物理特性與被動(dòng)傳感器觀測(cè)結(jié)果的一致性有了很大提升。

2024年，杜佳璟以第一作者將相關(guān)研究發(fā)表至遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（SCI一區(qū),IF8.2）上，同時(shí)也以第一完成人獲得了全國(guó)氣象雷達(dá)應(yīng)用大賽三等獎(jiǎng)，這也是毫米波云雷達(dá)理論算法研究與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合體現(xiàn)的價(jià)值。

在被問及算法在未來的發(fā)展和應(yīng)用時(shí)，杜佳璟補(bǔ)充到，“算法在地基毫米波云雷達(dá)的應(yīng)用是一個(gè)成功探索，未來可進(jìn)一步嘗試應(yīng)用于星載云雷達(dá)，特別是近年來我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星的發(fā)展，如果可以改進(jìn)算法以應(yīng)用于未來國(guó)產(chǎn)的星載云雷達(dá)，將為我國(guó)開展云和降水觀測(cè)研究貢獻(xiàn)一份自己的力量?！?/p>

展望未來，葛覲銘教授對(duì)毫米波雷達(dá)開展相關(guān)研究充滿了期待，“理論研究不應(yīng)該只停留于科研論文，研究出來的結(jié)果應(yīng)該和更多的實(shí)際問題結(jié)合起來，與業(yè)務(wù)部門的需求結(jié)合起來，在更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用。當(dāng)然這也需要我們?nèi)贤ê屯扑]我們的方法，使其能為氣象等業(yè)務(wù)部門的設(shè)備觀測(cè)提供技術(shù)支持，獲得更好的產(chǎn)品數(shù)據(jù)來保障氣象預(yù)報(bào)，防災(zāi)減災(zāi)等工作。”

葛覲銘教授特別提到：“低云特性研究這一部分目前我們?nèi)〉昧溯^好的進(jìn)展，但是廣泛分布的冰云和同時(shí)包含液水與冰晶的混合相態(tài)云反演算法仍然存在較多問題，這是我們將來要持續(xù)努力的研究方向?！?/p>

內(nèi)容來源 ｜蘭州大學(xué)校報(bào)

編輯 ｜ 王文彬

責(zé)任編輯 ｜ 彭倩

原文鏈接｜萃英山頂十余載　巧用雷達(dá)測(cè)云天