風廓線雷達聯合RASS監測海岸帶大氣濕度的方法研究

蘇軾鵬，王華

(1.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018；2.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018)

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風廓線雷達聯合RASS監測海岸帶大氣濕度的方法研究

蘇軾鵬1，王華2

(1.海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018；2.海軍大連艦艇學院軍事海洋系 大連 116018)

海岸帶濕度對人類生產生活有較大影響。文章根據風廓線雷達和RASS (Radio Acoustic Sounding System )測量濕度的相關理論，結合實測數據計算某海濱觀測站個例的大氣濕度分布，并與探空數據進行比對，分析誤差及其原因。結果表明：風廓線雷達聯合RASS測量濕度的方法得到的濕度結果與常規探測結果較為接近,可進一步研究實現其監測海岸帶大氣濕度的業務化應用。

海岸帶；風廓線雷達；大氣濕度；大氣環境；海洋監測

1 引言

海岸帶是海陸的分界線和海陸相互作用的地帶，是人類生存和社會發展的重要場所。由于海-陸-氣等因素的共同作用，海岸帶大氣海洋環境極其復雜，對人類生產生活有較大影響。隨著21世紀海上絲綢之路戰略的正式實施，深入研究海岸帶大氣海洋環境特征將為海洋開發建設做出貢獻[1-4]。尤其是其降水特征具有極強的局地性和不穩定性，難以預測。降水產生的大氣背景是水汽條件，即大氣的濕度分布狀況，這是降水預報的關鍵問題之一。而目前海岸觀測站使用的常規探空方法只能反映1天2個時次的大氣濕度情況，不能實現實時監測；地基GPS(Globe Position System)水汽探測系統可以反演監測水汽條件的變化，但要達到一定精度需要組網探測，在海岸帶難以實現，且探測要素單一。近年來，風廓線雷達(Wind Profile Radar)開始在國內廣泛應用，其主要功能是監測高空風場，此外將風廓線雷達嵌入RASS(Radio Acoustic Sounding System) 同時可監測氣溫的垂直分布，結合其他資料可以分析降水過程[5]、強對流天氣過程[6]、邊界層特征[7]等。風廓線雷達的觀測要素除風外，還有許多其他物理量產品，結合RASS的溫度產品可擴展其測量內容，如濕度[8]、湍流耗散率[9]等；但目前這些伴隨產品的應用不足，導致觀測資源的浪費，如能實現其對濕度的監測，將有利于海岸帶大氣環境的研究。鑒于此，本研究利用某海濱觀測站的數據個例，研究風廓線雷達和RASS測量濕度的理論和方法，將其應用于海濱觀測個例的濕度計算中，并與探空資料進行比對，分析其誤差和測量的有效性，從而得到有價值的研究結論。

2 原理、方法與數據

2.1 風廓線雷達的探測原理

在對流層區域中，空氣垂直方向上的對流混合作用很強，會產生大量的湍流，湍流導致空氣不均勻的大氣折射率，這是風廓線雷達可以探測到大氣后向散射的理論依據。湍流的移動可認為與風是基本一致的，風廓線雷達通過對“湍流”反射的雷達徑向速度的測量，反演“湍流”的平均移動速度，并以此作為風的速度。為獲得風廓線雷達上空三維風場信息，至少需要3個以上正交的波束。由于5波束反演風場的精度高于3波束，大部分風廓線雷達采用5波束，5波束指向為1個垂直指向波束和4個傾斜指向波束。傾斜波束一般為正東、正西、正南、正北，傾斜波束的天頂夾角一般在15°左右，雷達工作時按東、西、天頂、南、北的順序進行探測，1個周期探測約為5 min。5波束風廓線雷達波束指向示意如圖1所示[10]。除三維高空風外，風廓線雷達測量過程中還有譜寬、Cn2和信噪比等伴隨產品。

圖1 風廓線雷達5波束的幾何關系

2.2 RASS測量虛溫原理

無線電-聲探測技術(Radio Acoustic Sounding Technology)是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，與風廓線雷達結合可拓展其探測功能。RASS的探測原理是：聲波傳播時會使周圍空氣密度發生變化，導致其折射率隨之發生變化，當雷達電磁波經過這些區域會產生后向散射，雷達通過接收這部分能量能測量出不同高度層聲傳播的速度，并根據聲速與虛溫的關系得到虛溫垂直分布。RASS反演大氣溫度的原理如圖2所示[11]。

圖2 RASS反演大氣溫度的原理

這些聲波的速度與大氣的虛溫存在密切的關系，其表達式為

(1)

如進行精確計算，可用式(1)將虛溫轉換為溫度，得到實際的大氣溫度廓線。

2.3 濕度反演的原理

濕度反演理論涉及的許多物理量都可用風廓線雷達直接或間接測量得到，主要包括布維頻率、湍流耗散率、湍流結構常數和大氣折射梯度等，需首先介紹這些物理量及其計算方法，原理與文獻[8]類似。

布維頻率N(Brunt-Vaisala頻率)是一個與大氣靜力穩定度有關的參數，N值越大說明大氣穩定度越大，計算式為

(2)

式中：θ為位溫；z為高度；g=9.8 m/s2為重力加速度；θ可由虛溫Tv近似計算得到。

湍流耗散率ε是表征湍流強弱的重要參數，Hocking[12]、Cohn[13]、Worthington[14]指出湍流耗散率ε與譜寬σ2之間的關系[6]，即

(3)

式中：N為布維頻率；b為1個無量綱常數，Weinstock指出b≈α1-3/2≈ 0.5，本研究b值采用0.6，與文獻[15]相同；α1為柯爾莫戈洛夫常數；譜寬σ2可由風廓線雷達直接測量得到，描述有效照射體積內散射粒子相對運動的劇烈程度。

大氣折射指數梯度dn/dz與大氣折射率結構常數之間的關系，其形式為

(4)

在大氣低層，比濕的垂直分布表達式為

(5)

Γ為干絕熱遞減率，其值為0.009 8 ℃/m，上述方程的解采用位溫θ可表示

(6)

式中：z0為起始高度；q0為起始邊界比濕；θ0為起始邊界位溫。

2.4 具體方法

利用位于大連附近海濱觀測站的CFL-16風廓線雷達和RASS數據，采用的計算方法為：先由溫度計算出布維頻率，再得到湍流耗散率，加上譜寬和湍流結構常數計算出大氣折射指數梯度，最后根據比濕與大氣折射指數梯度的關系計算出大氣濕度廓線(圖3)。以該方法計算海岸帶大氣濕度的垂直分布情況。

圖3 反演大氣濕度廓線的計算方法

2.5 實測數據

本研究采用的雷達是航天23所研制的CFL-16型風廓線雷達，從探測范圍上屬于對流層風廓線雷達，配有4個RASS發生裝置，位于大連附近海濱觀測站。CFL-16風廓線雷達是以大氣湍流為探測目標的脈沖多普勒雷達，采用全相參相控陣體制，能夠連續提供150 m～12 km高度范圍內(垂直分辨率可到75 m)的大氣風場、譜寬、湍流結構常數等氣象要素。可按照前述理論和方法得到濕度數據，并與附近的大連市氣象臺觀測場的標準探空數據進行誤差比對分析。大連市氣象臺觀測場與風廓線雷達與RASS均位于海岸帶附近，距離約30 km，在允許的比對范圍內。所選數據個例日期為2015年6月1日，但二者時間不同，無線電探空儀測量數據時間為19時15分，風廓線雷達和RASS數據為17時38分。

3 結果分析

3.1 研究數據

從6月1日20時的地面分析圖(圖4)來看，大連地區當天處于鞍形場中，天氣形勢相對穩定，大氣物理特性在一定時間內變化不大。因此，可近似地認為1738時刻風廓線雷達+RASS探測時，氣象要素的垂直分布與1915時刻基本相同。

圖4 2015年6月1日20時地面分析

3.2 數據對比及誤差

可按前述理論和方法計算風廓線雷達和RASS的數據，計算結果如圖5所示。布維頻率總的趨勢是隨著高度升高逐漸減小，在370 m附近出現極大值，為6.255×10-4℃/S2(圖5(a))；由此造成湍流耗散率隨高度變化情況與布維頻率基本相同，在295.8 m處出現極大值，為0.21(圖5(b))；大氣湍流結構常數在370 m處較大(圖5(c))。可見，風廓線雷達和RASS的數據可以反映大氣中細微結構變化，這是常規資料無法實現的。

圖5 2015年6月1日1630時風廓線雷達+ RASS測量數據的計算結果

濕度方面，2015年6月1日風廓線雷達和RASS反演的比濕與無線電探空儀獲得的比濕的比較情況如圖6所示，可見二者吻合較好。

圖6 2015年6月1日1630時風廓線雷達+ RASS反演的比濕

比濕垂直分布的總體趨勢是隨高度升高而下降，細微差別較為明顯，數值差異最大處位于接近1 000 m處、2 000 m附近和2 500 m附近，最大誤差值超過2 g/kg；其對應布維頻率、湍流耗散率和湍流結構常數在該處附近都有1個極大值出現，同時布維頻率、湍流耗散率、湍流結構常數在300～400 m附近數值均達到較大值的高度，在2種探空資料中都顯示為濕度變化劇烈。濕度與這些物理量之間的關系值得深入研究，此外計算濕度采用的溫度值是RASS測量的，同時2個觀測地點和時間的差異也是造成誤差的原因。

4 結論與展望

本研究利用CEL-16型風廓線雷達和RASS的實測數據，采用風廓線雷達聯合RASS測量濕度的方法，計算海岸帶實測個例的大氣濕度分布。從本次海岸帶濕度個例計算結果可得到結論。

(1)風廓線雷達聯合RASS測量濕度的方法得到的濕度結果與常規探測結果較為接近，誤差較小，可進一步進行誤差訂正研究，在業務應用中作為常規探空手段的補充。

(2)風廓線雷達聯合RASS的伴隨產品，包括布維頻率、湍流耗散率和湍流結構常數等，與海岸帶大氣濕度有一定的相關性，可用來進一步深入研究海岸帶大氣的微觀結構和機理。

本研究也存在不足和需要進一步深入研究的問題：首先，風廓線雷達聯合RASS測量濕度的垂直分辨率低于探空資料，本個例應用的CEL-16風廓線雷達垂直分辨率為75 m，低于常規探空資料；其次，比對數據的時間地點不一致以及計算濕度應用RASS測量溫度，是帶來誤差的原因；最后，可結合風廓線雷達測量的三維風場與其濕度場相結合，得到海岸帶大氣環境的綜合狀況。

總之，隨著對風廓線雷達聯合RASS測量方法開展進一步深入研究并實現其對海岸帶大氣濕度的監測，將為海岸帶天氣過程演變、海岸帶氣象預報等相關研究提供有益參考。

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Theory of Wind Profile Radar and RASS Inverting Humidity of Coast Zone

SU Shipeng1，WANG Hua2

(1.Department of Navigation，the Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China； 2.Department of Military Ocean，the Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China)

Humidity of coast zone affects people.According to the method of calculating Wind Profile Radar and RASS inverting humidity of coast zone，the single example of station humidity was calculated，and it was compared with WPR and RASS data for analyzing the error and the reasons.It was concluded that the two data are very close，and the method of calculating Wind Profile Radar and RASS inverting humidity of coast zone is a useful way to research atmospheric humidity of coast zone.

Coast zone，Wind Profile Radar，Atmospheric humidity，Atmospheric environment，Marine monitoring

2016-11-11；

2017-03-10

蘇軾鵬，講師，博士研究生，研究方向為海戰場環境建設和軍事海洋氣象保障，電子信箱：qxsspgx@163.com

P7

A

1005-9857(2017)04-0061-05