RASS反演大氣虛溫的誤差及修正研究*

， ，

(1.軍代局氣象水文軍代室， 北京 100081；2.海軍大連艦艇學院航海系， 遼寧大連 116018；3.大連市氣象局， 遼寧大連 116018)

0 引言

無線電-聲探測技術是伴隨風廓線雷達廣泛應用而發展起來的一種新興氣象遙感技術，該技術基于聲傳播理論可反演大氣虛溫的垂直分布情況，進而可反映出大氣溫度廓線狀況。可拓展風廓線雷達的探測功能。該系統自1986年開始使用已有30多年的歷史了，May等[1]、Tsuda等[2]先后利用RASS獲取高分辨率大氣虛溫廓線。近年來，國內也廣泛裝備了風廓線雷達，有不少關于風廓線雷達應用的研究[3-7]，但是配備RASS系統的風廓線雷達較少，相關研究也不多見[8-9]。鑒于此，本文根據收集到的RASS虛溫數據和相應的探空數據，進行對比研究，得出RASS反演虛溫的誤差，分析其產生原因，提出誤差修正的方法。

1 RASS反演大氣虛溫廓線的原理

聲波是縱波，它使周圍的空氣密度發生變化，從而導致其所經區域的大氣折射率發生相應的變化，當微波雷達發射的電磁波到達這些區域時，能產生后向散射，然后微波雷達接收后向散射的能量。當這些折射率變化擾動以當時當地的聲速向上傳播時，微波雷達就可以測量出不同高度處聲波傳播的速度，再根據聲速與溫度的關系可以得到虛溫。RASS反演大氣溫度的原理如圖1所示。

聲波的速度與大氣的虛溫存在密切的關系，可用如下表達式表示：

(1)

(2)

式中，γ為比熱容比，γ=1.4，R為摩爾氣體常數，在此R=8 317，M為空氣分子量，M=29。所以，虛溫與聲速的關系[10]可寫為

(3)

這就是虛溫與聲速之間的關系，也是RASS反演虛溫的理論依據。

2 RASS反演溫度廓線與探空資料的對比分析

2.1 研究數據

RASS系統探測大氣溫度廓線的本質是反演虛溫，通常虛溫與氣溫比較接近，在高空探測中可近似用虛溫來代替氣溫。而無線電探空儀探測的是氣溫，為了精確比較，需要將探空儀的氣溫換算成虛溫。

本文采用大連市氣象臺觀測場的標準探空數據作為比對標準，時間為每日的08：00，20：00，該測場距離風廓線雷達與RASS系統距離約30 km。測量虛溫的RASS設備是CFL-16對流層風廓線雷達的一部分。通過收集處理無線電探空儀測量的溫度、濕度資料，與同時間臨近區域風廓線雷達和RASS系統測量的虛溫作比對分析，從而得到虛溫測量的誤差。

RASS系統測量虛溫的時間與探空數據的測量時間最長相差2 h，RASS系統與探空站點直線距離相距30 km。考慮大氣在局地、短時間內是均一、穩定的，可以認為兩地的大氣狀況近似相同。

分析的實測數據取RASS與探空儀均有數據的時刻，時間從2014年5月22日—2015年6月12日，共16個時次。RASS系統站點海拔70.8 m，第一組數據的高度距地面150 m，1 050 m以下數據垂直間隔75 m，1 050 m以上數據垂直間隔150 m，高度測量范圍為地面到3 500 m高度。探空站點海拔高度為90 m，數據垂直間隔在10～15 m之間。由于探空資料垂直分辨率高，將探空數據測量值插值到與RASS系統相同測量高度上。

2.2 兩種數據的對比分析

將RASS探測數據和探空儀實測數據共16組進行比對分析，可得到其誤差特征。圖2為16組RASS與探空儀測量的虛溫對比情況，圖2(a)橫坐標為RASS測量的虛溫，縱坐標為由探空儀測量數據計算出的虛溫，可見整體上二者一致性較好，但仍然存在一定誤差。下面具體分析一下誤差情況。

如果視探空儀計算的虛溫為正確值，用RASS測量的虛溫減去探空儀的虛溫得到虛溫測量誤差，如圖2(b)所示。綜合圖2(a)和圖2(b)可見，RASS測量的虛溫誤差隨著高度的增加，有先降低再增大然后再降低的特征。還可以從具體數值中反映出來。

數據的起始高度為220.8 m(站點海拔70.8 m，第一組數據的高度為150 m)，該高度的誤差均值為0.55℃，295.8 m處的誤差均值為0.13℃，而在1 720.8 m處的誤差均值為1.04℃，3 220.8 m處的誤差均值為0.26℃。誤差散布情況是：在低高度處散布最大，在445.8 m處達到最小，此后又逐漸增加，到1 870.8 m處散布達到最大，而后又隨高度的增加而減小。誤差隨高度的分布受風場、濕度等因素的影響，下面結合其他要素的探空數據分析RASS虛溫探測產生的原因。

3 影響RASS虛溫反演的因素

RASS的探測性能主要受到聲波衰減、大氣風場、湍流、大氣溫度、濕度等因素的影響。為滿足Bragg條件，雷達頻率越高要求聲頻越高。而聲頻越高聲衰減(指大氣吸收和大氣散射)就越大，并近似與聲頻的平方成正比[1]。

聲波衰減會造成RASS的信噪比劇烈下降，這是溫度探測高度受限的最主要因素。在此擬采用統計對比的方法分析風場、大氣溫度、濕度、湍流對測量精度的影響，對比數據采用較近距離同步(或近似同步)無線電探空數據，統計分析在不同大氣環境下誤差的大小，進而探討利用地面溫濕數據降低誤差的方法。

3.1 風場的影響

風場對RASS測量虛溫[11]的表現在兩個方面，一是降低信噪比，導致信號提取困難；二是垂直運動導致聲速測量出現誤差，進而影響虛溫的計算。

大氣三維風場對RASS信噪比的影響可以表現在：

1) 使聲波的球面波前不再與電磁波的球面波前相互平行，可稱之為“偏饋式效應”；

2) 使聲波束在某些高度處不能完全囊括雷達波束，可稱之為“錯位式效應”。

上述兩種效應總的后果是使所測溫度既有可能偏高，也有可能偏低(可稱之為“譜重心偏移”)以及譜展寬。

風場的具體影響包括風速過大、風的垂直切變和垂直運動的影響。

風速越大或風速垂直切變越大，對測溫的影響就越大，甚至使信噪比降低到無法提取有效信號的程度，導致虛溫的缺測。例如探空儀與RASS和風廓線系統測量數據共比對16次，每次測量數據共27層，數據垂直間隔為75 m，頂部數據 (3 370.8 m)共缺失了12次，如表1所示。

表1 各高度層有效數據統計

數據缺失的原因主要為風速較大，通常風速超過約10 m/s時，會存在虛溫數據缺失現象。例如2015年6月12日19：31的測量情況，從1 870.8 m高度開始數據全部缺測，1 870.8 m高度處水平風速為9.9 m/s，隨著高度的升高水平風速逐漸增大，在3 070.8 m處水平風速達到最大，為17.35 m/s。

風速的垂直切變是另一種對虛溫測量有較大影響的因素，當風速垂直切變較大時，會影響信噪比的測量，從而增大測量誤差，甚至導致數據的缺測。例如該時次由于底層的水平風速垂直切變大，導致信噪比顯著降低，從而導致最下面兩層數據缺失。如圖3所示，220.8 m與295.8 m處風的水平分量和垂直分量變化均較大，所以該兩處的有效數據個數也偏少。此外，風的垂直分量，即垂直運動可與聲波疊加，能直接改變聲傳播的速度，這也是風的影響因素之一，也是目前唯一能夠修正的因素。

3.2 大氣濕度的影響

由于RASS測量虛溫需要依靠大氣對電磁波的后向散射，當大氣濕度變化劇烈時，會導致大氣折射率變化劇烈，從而使電磁波的后向散射變換劇烈，從而導致信噪比變化明顯，而導致信號測量出現較大誤差，甚至出現缺測的情況。例如2014年8月20日09：12，相對濕度從121 m處的69%(絕對水氣壓20.9 hPa)下降到193 m處的54%(絕對水氣壓17.0 hPa)，從而導致220.8 m和295.8 m兩層數據缺測。濕度垂直梯度的改變對虛溫測量的影響需要做進一步的觀察分析工作。

此外，濕度的改變會使聲速發生改變，將聲速視為相對濕度的函數，在濕空氣的速度與干空氣的速度比值設為R，當相對濕度從0%升到15%，R從1降到0.999 4，當相對濕度從15%升到100%，R從0.999 4升到1.003 3，從而導致虛溫測量出現誤差[3]。

3.3 地面等因素的影響

另外，在靠近地面，會存在地雜波的影響，從而影響到信噪比，進而影響信號的測量，因此，在最下面兩層的數據可靠性較差，如圖4所示，220.8 m處的高度誤差為0.55、標準差為2.24，295.8 m處的高度誤差為0.13、標準差為1.494。地雜波的成因及其影響是極其復雜的，目前還無法描述其規律性。但根據相關理論和實驗地點的環境可推測誤差的主要原因是近地面噪聲對RASS的聲波傳播的干擾所造成的。

4 RASS測量虛溫的修正

由前面的誤差分析可知，影響RASS虛溫測量的因素主要有風、大氣濕度和地面干擾等，風的影響又包括水平風速過大、風的垂直切變和垂直運動。大氣濕度和地面干擾的影響機理過于復雜，目前還沒有有效的方法去除，風的影響中水平風速過大和風的垂直切變難以改變，對聲速的影響較為復雜，所以目前最簡單的方法是利用垂直運動進行誤差修正。其具體方法如下：

首先，利用測量的Tv計算出聲速，然后再利用下式修正虛溫：

(4)

式中，w為垂直風速，單位為m/s，可由風廓線雷達測量，其符號向上為負，向下為正。由于聲源向外傳播，所以，ca的符號為負。

按照上述方法對16組數據進行修正，取平均值，結果如圖5所示，圖5(a)中“*”表示修正前的虛溫誤差，“+”表示修正后的虛溫誤差，可見，修正后誤差較小，修正前誤差均值為0.435 6，修正后誤差均值為0.378，而且，修正后誤差的散布也較小，修正前誤差標準差為0.672 8，修正后誤差標準差為0.515 9，可見修正后誤差減小，圖5(b)為風廓線雷達測量的垂直運動速度。

5 結束語

通過對16組RASS虛溫數據和探空儀經氣溫換算的虛溫數據進行對比，分析其誤差及成因，并進行了修正研究，結果表明：

1) RASS探測數據和探空儀實測數據整體上二者一致性較好；

2) RASS測量的虛溫誤差隨著高度有先降低再增大然后再降低的特征；

3) 風場對RASS探測虛溫有很大的影響,主要包括水平風速過大、風速垂直切變和垂直運動；

4) 濕度、地雜波等因素同樣會對RASS測量虛溫產生較大影響，但是其影響機理復雜，目前還無法明確描述;5) 利用垂直運動速度修正虛溫公式可在一定程度上減小誤差。