貴州邊界層風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)獲取率分析*

楊 哲，許 弋，曾 勇，曹 水，李麗麗

（1.貴州省大氣探測技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽550081；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽550081；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽550081）

1 概述

風(fēng)廓線雷達利用大氣中折射率的不均勻能夠引起對電磁波的散射[1]，其后向散射回波被風(fēng)廓線雷達接收以此來探測目標(biāo)物所在位置和運動速度，其回波信號強度很微弱，因此風(fēng)廓線雷達對微弱信號的數(shù)據(jù)獲取能力是其探測高度性能能否達標(biāo)的重要指標(biāo)。胡明寶[2]等對邊界層和對流層風(fēng)廓線雷達一整年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出兩種雷達的探測威力分別為2km 和12km。董保舉[3]等對風(fēng)廓線雷達在不同天氣條件下的數(shù)據(jù)探測能力進行了統(tǒng)計分析，表明陰雨天氣的探測高度大于晴天的探測高度。李晨光[4]等分析了1998 年華南暴雨和南海季風(fēng)的風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)得出高度分布和天氣狀況對數(shù)據(jù)的獲取率有影響。在云貴高原腹地和強對流過程頻發(fā)的威寧，邊界層風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)探測能力是否可靠？各種天氣條件對其探測性能有多大影響？本文將利用威寧風(fēng)廓線雷達自運行以來的風(fēng)場數(shù)據(jù)對這些問題進行系統(tǒng)分析。

2 雷達簡介及運行情況

貴州威寧邊界層風(fēng)廓線雷達建于威寧縣氣象局內(nèi)，為固定式相控陣體制雷達，可以在無人值守情況下24 小時不間斷連續(xù)運行，整機功耗較低，自帶ups 功能，其環(huán)境適應(yīng)性較強。該雷達可以長時間固定在某觀測點進行探測，通過連續(xù)向五個不同波束方向發(fā)射電磁波，再利用探測返回的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)實時計算出雷達上空的即時三維風(fēng)場，然后每隔6 分鐘以色塊、廓線圖或表單的形式不間斷地在PC 端顯示出風(fēng)廓線雷達高度探測能力（60m-5.3km）內(nèi)的水平風(fēng)速風(fēng)向、垂直風(fēng)速、Cn2（即大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)）等氣象探測要素隨高度的分布，供業(yè)務(wù)人員或研究人員分析使用[5]。

2019 年3 月4 日威寧風(fēng)廓線雷達正式建成開機，全天24 小時不間斷連續(xù)運行，自開機至5 月底雷達每天的探測數(shù)據(jù)樣本數(shù)均有丟失，威寧CFL-03 邊界層風(fēng)廓線雷達設(shè)定6 分鐘一個風(fēng)羽圖產(chǎn)品，24 小時生成完整的數(shù)據(jù)樣本數(shù)為240 個，據(jù)實際統(tǒng)計，3 月份運行期間雷達數(shù)據(jù)樣本數(shù)在45-232 之間，數(shù)據(jù)完整性較差。4 月3 日開始，雷達接連出現(xiàn)停止掃描故障，導(dǎo)致4、5 月份數(shù)據(jù)完整性極差，故文中均不予討論，6 月初維修完成，雷達正常工作，因此本文主要討論自2019 年6 月至2020 年6 月的風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)。

表1 CFL-03 固定式邊界層風(fēng)廓線雷達參數(shù)性能

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 不同季節(jié)月份數(shù)據(jù)獲取率對比

圖1 威寧風(fēng)廓線雷達各高度月數(shù)據(jù)獲取率變化曲線圖

（1）由圖1 可知，1 至12 月份威寧邊界層風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)獲取率隨月份和季節(jié)的變化有一定的區(qū)別，以月份來看：1 月、12 月數(shù)據(jù)獲取率最差，6、7 月最好；以季節(jié)來看：夏季數(shù)據(jù)獲取率最好，秋季、春季次之，冬季獲取率最差。主要由于：冬季天氣特征為降水量較少、空氣濕度較低、天氣系統(tǒng)比較穩(wěn)定、湍流運動不強，致使回波信號微弱[6]，導(dǎo)致風(fēng)廓線雷達探測到的數(shù)據(jù)量減少。

（2）每個月的數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化的大體趨勢具有一定的相似性，各月在低探測高度層60m-180m，數(shù)據(jù)獲取率均在95%左右，這是由于近地層的地雜波一般較強，當(dāng)湍流信號較弱時易被地雜波淹沒[7]，從而造成數(shù)據(jù)缺失。各月在高度層300m-2000m（個別月份可達3000m）之間，隨高度升高，數(shù)據(jù)獲取率變化不明顯，且數(shù)值幾乎接近于100%；在2000m-4700m 高度層數(shù)據(jù)獲取率基本呈快速下降趨勢，到4700m 左右高度到達最小值；各月在4700m 以上高度層數(shù)據(jù)獲取率變化基本趨于平緩。

圖2 各月數(shù)據(jù)獲取率為70%、80%、90%時探測高度

（3）圖2 為威寧邊界層風(fēng)廓線雷達全年12 個月在70%、80%、90%三種不同數(shù)據(jù)獲取率情況下的探測高度統(tǒng)計結(jié)果，圖中曲線為80%數(shù)據(jù)獲取率的隨月份變化情況。90%數(shù)據(jù)獲取率的最低探測高度在2200m 左右，70%數(shù)據(jù)獲取率最高可達4800m 左右，三種情況下平均探測高度在3000m-3500m 之間。總體來看威寧邊界層雷達最可靠的有效探測高度在0-2200m，比較可靠的有效探測高度在2200m-3500m，基本可靠的有效探測高度在3500m-4200m 左右。

（4）若以風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)獲取率大于80%為可靠標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上圖統(tǒng)計結(jié)果所示威寧邊界層風(fēng)廓線雷達最低有效探測高度在冬季（12、1、2 月）為2400m 左右，春季（3、4、5 月）為3300m 左右，最高有效探測高度在夏季（6、7、8 月份）為4700m 左右，秋季（9、10、11 月）為3800m 左右。

3.2 不同時次數(shù)據(jù)獲取率對比

圖3 為一整年每天數(shù)據(jù)獲取率的平均變化曲線，圖中可以看出邊界層風(fēng)廓線雷達一天中各個時段數(shù)據(jù)獲取率變化差異不明顯，2000m 以下高度穩(wěn)定，2000m 以上高度數(shù)據(jù)獲取率直線下降，最終趨于穩(wěn)定。通常情況下白天的湍流運動要強于夜間，因此在較高的高度層上白天數(shù)據(jù)獲取率會高于白天，有學(xué)者提出[8]這是由于冬春季節(jié)，晚間有逆溫時或冷空氣過境兩天內(nèi)，風(fēng)廓線雷達探測高度會降低。而夏季夜間長有降水?dāng)?shù)據(jù)獲取率又會提高，從而使得各高度層年均數(shù)據(jù)獲取率的日變化較小。

圖3 分時次數(shù)據(jù)獲取率統(tǒng)計結(jié)果

圖4 不同時次數(shù)據(jù)獲取率為80%、90%的探測高度

圖4 為風(fēng)廓線雷達全年的分時段統(tǒng)計80%、90%數(shù)據(jù)獲取率下的探測高度結(jié)果，同一數(shù)據(jù)獲取率時一天24小時各個時段的探測高度有區(qū)別但相差不大，最低與最高探測高度僅有300 余米的差值，一整天探測高度的最低值在黎明時分，而最大探測高度在傍晚。80%和90%數(shù)據(jù)獲取率的探測高度平均差值為400m 左右。同樣以80%數(shù)據(jù)獲取率為準(zhǔn)，一天中最大探測高度在17 點至21點之間其值為3350m 左右，最低探測高度在6 點至7 點之間為2880m 左右。

3.3 不同天氣條件數(shù)據(jù)獲取率對比

選取4、7、10、1 月為春、夏、秋、冬的代表月份，對比有、無降水對風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)探測力的影響。

圖5 有、無降水時各代表月綜合數(shù)據(jù)獲取率曲線

如圖5 所示，有降水時近地面層（高度300m 以下）的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)獲取率為80%左右始終低于無降水時的將近100%，從500m 處開始有降水?dāng)?shù)據(jù)獲取率迅速升高至近100%但仍然較無降水時的獲取率稍低，直至2000m處無降水的數(shù)據(jù)獲取率開始急劇下降，而有降水的獲取率一直保持至3500m 才開始下降且降速較無降水的慢，到5300m 處無降水時的數(shù)據(jù)獲取率降低至不到30%，有降水時的獲取率降至大于60%多。

圖6 有、無降水時的探測高度

如圖6，有降水時風(fēng)廓線雷達的有效探測高度始終大于無降水時的高度，且冬季有、無降水的有效探測高度差值最高，這是由于冬季空氣干燥氣流穩(wěn)定無降水的探測高度已依然很低，而有降水時的探測高度各個季節(jié)都穩(wěn)定在4000m 以上，造成有、無降水的探測高度差值大。處于夏季的7 月份較其他季節(jié)月份降雨多且湍流強，因此其有效探測高度可達5300m 以上。

4 結(jié)束語

（1）一天24 小時各個時段的風(fēng)廓線雷達探測高度有區(qū)別但相差不大，最低與最高探測高度僅有300 余米的差值，探測高度的最低值在黎明時分，而最大探測高度在傍晚。一天中最大探測高度在17 點至21 點之間其值為3350m 左右，最低探測高度在6 點至7 點之間為2880m左右。

（2）隨月份和季節(jié)的變化風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)獲取率也產(chǎn)生了一定的變化，以月份來看：1 月、12 月數(shù)據(jù)獲取率最差，6、7 月最好；以季節(jié)來看：夏季數(shù)據(jù)獲取率最好，秋季、春季次之，冬季獲取率最差。以數(shù)據(jù)獲取率大于80%為可靠標(biāo)準(zhǔn)，該風(fēng)廓線雷達最低有效探測高度在冬季為2400m 左右，最高有效探測高度在夏季為4700m 左右。

（3）有、無降水對風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)獲取率有一定影響，除近地面層（300m 以下）外有降水?dāng)?shù)據(jù)獲取率均較無降水的好，各季節(jié)有降水的雷達有效探測高度均高于無降水的高度，且有降水的雷達探測高度均高于4000m，夏季最高可達5300m 以上；有、無降水的最大有效探測高度差在冬季，差值為2000m 左右；有、無降水的平均有效探測高度差為1000m。