雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品性能對(duì)比分析

徐 鋮，朱克云，張 杰，明 靜

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610225;2.成都軍區(qū)空軍氣象中心，四川成都610041)

0 引言

在對(duì)風(fēng)的探測(cè)和研究中，幾十年來人們用了各種工具和各種方法，對(duì)于空中風(fēng)的測(cè)量則主要采用的是探空氣球。然而，利用跟蹤氣球測(cè)風(fēng)，不僅費(fèi)用較高，而且不能進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)、時(shí)間分辨力低。

隨著多普勒天氣雷達(dá)在氣象應(yīng)用上的進(jìn)一步推廣和普及，氣象學(xué)者對(duì)速度產(chǎn)品的研究和應(yīng)用有了極大的發(fā)展，其中速度-方位顯示(Velocity Azimuth Display，VAD)技術(shù)是在風(fēng)場(chǎng)線性假設(shè)的條件下，從多普勒雷達(dá)觀測(cè)的景象風(fēng)中估計(jì)水平風(fēng)的一種簡(jiǎn)單有效的方法。根據(jù)VAD技術(shù)得到不同時(shí)間各高度上的風(fēng)向風(fēng)速制作的垂直廓線圖(VWP)能解釋平均風(fēng)矢量從低層到高層的演變現(xiàn)象，對(duì)分析流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)、分析風(fēng)場(chǎng)在垂直方向上的厚度變化以及冷暖平流變化等非常有用。

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型探測(cè)設(shè)備，其時(shí)空分辨率超過任何高空風(fēng)測(cè)量系統(tǒng)[1－2]。風(fēng)廓線雷達(dá)根據(jù)多普勒效應(yīng)，可以連續(xù)地觀測(cè)測(cè)站上空垂直風(fēng)場(chǎng)信息。它除了具有可連續(xù)探測(cè)優(yōu)點(diǎn)外，還能夠獲取高空風(fēng)和低空急流活動(dòng)特征，能夠提供高時(shí)空密度的氣象信息。

如今，世界很多國(guó)家都已用風(fēng)廓線雷達(dá)組成業(yè)務(wù)運(yùn)行網(wǎng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)飛機(jī)起降、交通管制、氣象預(yù)報(bào)和大氣污染監(jiān)測(cè)等方面[3]。

隨著中國(guó)氣象事業(yè)的發(fā)展和氣象保障工作要求的提高，各級(jí)氣象部門對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備的需求也愈來愈迫切。中國(guó)也一直在開展風(fēng)廓線雷達(dá)的研制及研究工作并取得一定進(jìn)展[4－5]，其中邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)已成熟，并已廣泛應(yīng)用于航空航天、水文水利、大氣監(jiān)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)等方面[9－10]。

目前關(guān)于多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線產(chǎn)品，日常研究則比較少，有關(guān)多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線產(chǎn)品和風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品兩者的對(duì)比的文獻(xiàn)則幾乎沒有。風(fēng)廓線產(chǎn)品對(duì)確定高低空急流、垂直風(fēng)切變、冷暖平流、渦度等都有非常重要的幫助。因此，通過分析兩種雷達(dá)測(cè)風(fēng)原理、風(fēng)矢產(chǎn)品的性能對(duì)比以及各種天氣形勢(shì)下兩者的異同，為雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品的應(yīng)用提供一點(diǎn)思路。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)與多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品的對(duì)比分析

1.1 VWP產(chǎn)品介紹

VWP即速度方位顯示風(fēng)廓線。VWP產(chǎn)品的生成原理是用雷達(dá)每個(gè)體掃資料在不同高度上通過VAD技術(shù)得到該高度上的平均風(fēng)的風(fēng)向風(fēng)速。通過把不同體掃和各個(gè)高度上的計(jì)算結(jié)果畫在同一張圖上，表示測(cè)站上空高空風(fēng)的分布隨時(shí)間的變化，所以利用VWP產(chǎn)品可以直觀地了解高空風(fēng)的變化。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于大氣邊界層氣象研究、大氣污染研究、人工影響天氣等方面。關(guān)于VWP產(chǎn)品的基本應(yīng)用，我們可以總結(jié)得到幾點(diǎn):(1)VWP可以較準(zhǔn)確地反映各層槽線、切變線、地面鋒區(qū)過境情況。(2)VWP可以利用熱成風(fēng)原理確定冷暖平流層次和大小，從而反映本站大氣層結(jié)穩(wěn)定度變化情況。(3)VWP可以判斷本站上空高低空急流。

VWP產(chǎn)品對(duì)測(cè)站上空高空風(fēng)的分布隨時(shí)間變化的探測(cè)，這是常規(guī)觀測(cè)手段所無法做到的。

1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)簡(jiǎn)介

1.2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理

風(fēng)廓線雷達(dá)(wind profiler radar/wind profiling radar/wind profiler)是一種新型的測(cè)風(fēng)雷達(dá)，它以晴空大氣湍流對(duì)入射電磁波的散射回波為探測(cè)基礎(chǔ)，采用多普勒雷達(dá)收發(fā)技術(shù)體制，用同一高度上的5個(gè)波束指向的多普勒速度測(cè)量值聯(lián)合求解出大氣3維風(fēng)場(chǎng)。

1.2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品介紹

從原理上講，風(fēng)廓線雷達(dá)能在所有天氣條件下測(cè)量風(fēng)廓線。降雨會(huì)增強(qiáng)回波信號(hào)強(qiáng)度，有助于增大水平風(fēng)測(cè)量的有效垂直高度。風(fēng)廓線雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠在無人值守狀態(tài)下工作，并且?guī)缀跄茉谡局返恼戏阶鲞B續(xù)的風(fēng)測(cè)量。正是由于風(fēng)廓線雷達(dá)具有精度和時(shí)空分辨率高、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，是其成為高空氣象探測(cè)的重要設(shè)備，是當(dāng)前常規(guī)氣球探空體制的重要補(bǔ)充，是天氣預(yù)報(bào)和氣象保障的重要手段。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理

2 實(shí)際觀測(cè)個(gè)例中的對(duì)比分析

文中的數(shù)據(jù)分別來自于成都新一代C波段多普勒天氣雷達(dá)和愛爾達(dá)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，兩部雷達(dá)相距85m。多普勒天氣雷達(dá)資料中VWP的最大探測(cè)高度為12.6km，而邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測(cè)高度為3.4km。因此，涉及到的兩種雷達(dá)產(chǎn)品只在3.4km以下有可對(duì)比性。故文中只對(duì)兩種雷達(dá)產(chǎn)品3.4km以下數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 晴天個(gè)例對(duì)比分析

2010年5月5日，成都天氣為晴天。圖2(a)的數(shù)據(jù)來自于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品，圖2(b)的數(shù)據(jù)來自邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。

圖2 成都2010年5月5日09:03－09:40間的風(fēng)矢圖

圖2(a)給出了多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品在2010年5月5日9時(shí)03分至9時(shí)59分成都的各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。圖2(b)為風(fēng)廓線雷達(dá)在同一時(shí)間段上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線圖中，0.5km至1.8km的風(fēng)向和風(fēng)速較為穩(wěn)定，風(fēng)向隨高度變化均為南風(fēng)向上轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，風(fēng)速略有遞增，與風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線圖較為一致。在離地面3km的風(fēng)速和風(fēng)向相對(duì)于風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線圖十分混亂且不穩(wěn)定。

在該段時(shí)間內(nèi)，都有低空急流出現(xiàn)。且從圖上看，低空急流有向下延伸的趨勢(shì)。而從風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線圖上看到，該低空急流隨時(shí)間有向上收縮的趨勢(shì)。

通過該個(gè)例，發(fā)現(xiàn)除了風(fēng)廓線雷達(dá)無法表示晴天時(shí)大氣中的干區(qū)以外，兩者還存在一些區(qū)別:風(fēng)廓線雷達(dá)得到的風(fēng)向比多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品得到的風(fēng)向偏北;對(duì)于低空急流位置的確定，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的低空急流比多普勒天氣雷達(dá)VWP產(chǎn)品得到的低空急流范圍更加集中，這說明，在晴天狀態(tài)下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)低空風(fēng)場(chǎng)更準(zhǔn)確。

2.2 小降水天氣個(gè)例

圖3 成都2010年8月24日17:15－21:45小雨天氣的風(fēng)矢圖

2010年8月24日成都為小雨天氣。圖3(a)的數(shù)據(jù)來自于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品，圖3(b)的數(shù)據(jù)來自邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。圖3(a)給出了多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品在2010年8月24日17時(shí)15分至21時(shí)42分探測(cè)的各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。圖3(b)顯示的是風(fēng)廓線雷達(dá)在2010年8月24日17時(shí)15分至21時(shí)50分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。由該圖可以看到在此時(shí)間段內(nèi)，多普勒雷達(dá)圖1km以下風(fēng)向以偏南風(fēng)為主，19時(shí)17分至19時(shí)43分0.6km以上均顯示“ND”(干區(qū))。在1.5km以上，風(fēng)向較為混亂，風(fēng)速值也存在較大的變動(dòng)。在風(fēng)廓線雷達(dá)圖中，0.6km以下為穩(wěn)定的東南氣流。隨著高度增加，風(fēng)向逐漸呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，1.3km高度上風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，隨高度往上轉(zhuǎn)為東北風(fēng)，在3.4km高度上邊界層附近，轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)。

通過該個(gè)例發(fā)現(xiàn):(1)多普勒天氣雷達(dá)VWP產(chǎn)品得到的風(fēng)廓線圖可以根據(jù)其“ND”區(qū)厚度的變化來判斷降水前后大氣中的水汽含量，而風(fēng)廓線雷達(dá)無法判斷。(2)在小降水的天氣狀況下，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的風(fēng)廓線圖仍然比多普勒天氣雷達(dá)VWP產(chǎn)品得到的風(fēng)廓線圖顯示的風(fēng)向偏北。(3)小降水時(shí)，多普勒天氣雷達(dá)得到的近地層風(fēng)速略大于風(fēng)廓線雷達(dá)得到的近地層風(fēng)速。(4)在濕度層很薄，僅有弱降水時(shí)，天氣雷達(dá)VWP數(shù)據(jù)精度不高。

2.3 大降水天氣個(gè)例

2010年8月18日成都天氣為雷雨、陣雨轉(zhuǎn)多云的天氣。圖4(a)的數(shù)據(jù)來自于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品，圖4(b)的數(shù)據(jù)來自邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。

圖4 成都2010年8月18日雷雨、陣雨轉(zhuǎn)多云天氣的風(fēng)矢圖

圖4(a)顯示的是多普勒天氣雷達(dá)在2010年8月18日07時(shí)55分至19時(shí)45分VWP圖。圖4(b)顯示的是風(fēng)廓線雷達(dá)在2010年8月18日07時(shí)44分至11時(shí)57分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。從圖上可以看到，整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)向隨高度成逆時(shí)針變化，風(fēng)速較為穩(wěn)定。風(fēng)廓線雷達(dá)圖中風(fēng)向較多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線圖稍混亂。

下面對(duì)兩個(gè)時(shí)刻的兩個(gè)風(fēng)廓線圖進(jìn)行比較:

(1)07時(shí)55分，此時(shí)天氣狀況為陣雨。在圖4(a)上，1.2 km高度以下風(fēng)向?yàn)槠珫|氣流。1.5 km以上為偏南氣流。在圖4(b)上的同一時(shí)刻，0.2 km以下為東北風(fēng)，0.2 km至0.5 km高度內(nèi)為東南氣流，0.5km以上為偏南氣流。與多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線圖相比，風(fēng)向比較相符，風(fēng)速兩者有所不同，風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)廓線圖上風(fēng)速比多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線圖上的風(fēng)速快2～4 m/s。

(2)11時(shí)46分，該時(shí)刻沒有降水，為陰天。圖4(a)上，1.2 km高度以下風(fēng)向?yàn)槠珫|氣流。1.5 km以上為偏南氣流。圖4(b)上的同一時(shí)刻，0.6 km以下為東北風(fēng)。0.6 km至3.4 km高度內(nèi)，風(fēng)向由東南風(fēng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為南風(fēng)。與多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線圖相比，兩者基本上相符合。

說明在大降水天氣下，兩者的風(fēng)向基本一致，而風(fēng)廓線雷達(dá)所得到的風(fēng)速比多普勒天氣雷達(dá)得到的風(fēng)速快2～4m/s。在大降水結(jié)束后，天氣狀況由陣雨轉(zhuǎn)為陰天時(shí)，兩者的風(fēng)向和風(fēng)速都基本吻合，可信度較高。

2.4 系統(tǒng)過境個(gè)例

2.4.1 小高壓過境個(gè)例

2010年8月17日成都為多云轉(zhuǎn)雷雨天氣。圖5(a)的數(shù)據(jù)來自于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品，圖5(b)的數(shù)據(jù)來自邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。

圖5 成都2010年8月17日多云轉(zhuǎn)雷雨天氣風(fēng)矢圖

圖5(a)顯示的是多普勒天氣雷達(dá)在2010年8月17日07時(shí)45分至13時(shí)44分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。圖5(b)顯示的是風(fēng)廓線雷達(dá)在2010年8月17日10時(shí)14分至13時(shí)44分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。可以看到，圖5＜b＞中，在1.3 km至2 km高度內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)，10時(shí)14分吹東北風(fēng)，隨著時(shí)間的推移，風(fēng)向逐漸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)向逐漸由東北風(fēng)變?yōu)闁|風(fēng)，再變到東南風(fēng)。至12時(shí)44分時(shí)，已經(jīng)是穩(wěn)定的東南氣流。可以清楚地辨別出這里有一個(gè)高壓過境，這是一個(gè)小高壓從測(cè)站北側(cè)經(jīng)過的過程。而圖5(a)中，系統(tǒng)過境的特征不明顯。由此我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)有小高壓過境時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)廓線圖上有明顯的特征，而多普勒天氣雷達(dá)VWP產(chǎn)品上無法清楚地辨別。

2.4.2 高空槽過境個(gè)例

2010年8月20日成都為多云天氣。圖6(a)的數(shù)據(jù)來自于多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品，圖6(b)的數(shù)據(jù)來自邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。

圖6 成都2010年8月20日多云天氣風(fēng)矢圖

圖6(a)顯示的是多普勒天氣雷達(dá)在2010年8月20日09時(shí)44分至19時(shí)42分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。由圖上可以看出，從15時(shí)42分開始，在約2.4 km高度上發(fā)生了風(fēng)切變，2.4 km以下吹東北風(fēng)，2.4 km以上為西南風(fēng)。由圖上看到，雖然存在風(fēng)切變，但無明顯的高空槽過境的特征。

圖6(b)顯示的是風(fēng)廓線雷達(dá)在2010年8月20日15時(shí)32分至19時(shí)22分上空各高度上的風(fēng)速和風(fēng)向廓線。由圖上可知，15時(shí)32分時(shí)，2 km高度以下為深厚的東北氣流，2 km以上風(fēng)向發(fā)生切變，變?yōu)槲髂巷L(fēng)速風(fēng)，且風(fēng)速隨高度增大。17時(shí)02分切變消失，風(fēng)向隨高度順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在2 km以上由東風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)最后轉(zhuǎn)為南風(fēng)，說明此時(shí)高空槽已經(jīng)過境。

對(duì)高空槽過境時(shí)兩種雷達(dá)資料進(jìn)行對(duì)比分析，風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)廓線圖與多普勒雷達(dá)的風(fēng)廓線圖所顯示的風(fēng)向以及發(fā)生切變的位置和時(shí)間都大致相同，但兩者所顯示的風(fēng)速卻相差很大，多普勒天氣雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速比風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的風(fēng)速快2～4 m/s。相比之下，高空槽過境時(shí)在多普勒天氣雷達(dá)的風(fēng)廓線圖上的特征不如在風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)廓線圖上明顯。

3 結(jié)論

選取了5個(gè)實(shí)例來對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)和多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，分別對(duì)比了兩者在晴天、小降水、大降水以及小高壓和高空槽過境情況下的異同點(diǎn)。綜上所述，可以得出以下結(jié)論:

(1)天氣狀況為晴天時(shí)，兩種雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品的風(fēng)速一致，風(fēng)廓線雷達(dá)所測(cè)風(fēng)向在南北方向上偏北。對(duì)于低空急流位置的確定，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的低空急流范圍更加集中。

(2)若有小降水時(shí)，兩種雷達(dá)風(fēng)矢產(chǎn)品所顯示的地面風(fēng)向相似度很高，風(fēng)速有所差別:對(duì)于空中風(fēng)，風(fēng)廓線雷達(dá)得到的風(fēng)廓線圖風(fēng)速、風(fēng)向都比較混亂，尤其在接近邊界層，兩者的風(fēng)速和風(fēng)向差別都比較大。

(3)在大降水天氣下，兩者的風(fēng)向基本一致，風(fēng)廓線雷達(dá)所得到的風(fēng)速比多普勒天氣雷達(dá)得到的風(fēng)速快2～4 m/s。天氣狀況由降水轉(zhuǎn)為陰天時(shí)，兩者的風(fēng)向和風(fēng)速都基本吻合，可信度較高。

(4)當(dāng)有系統(tǒng)過境時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)所得產(chǎn)品表現(xiàn)的更為明顯，而多普勒雷達(dá)則不夠清楚。

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