高郵邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率分析

李 媛，全 慧，常 蘭，范 文

1.邗江區(qū)氣象局，江蘇揚(yáng)州 225100；2.高郵市氣象局，江蘇高郵 225600

風(fēng)廓線雷達(dá)利用多普勒效應(yīng)[1]，通過向空中發(fā)射電磁波，可以連續(xù)獲得高分辨率的垂直風(fēng)廓線資料。風(fēng)廓線雷達(dá)接收的回波主要是由于大氣湍渦對(duì)電磁波的散射而造成[2]，回波信號(hào)很弱，因此，風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)微弱信號(hào)的數(shù)據(jù)獲取能力是其探測(cè)高度性能能否達(dá)標(biāo)的重要指標(biāo)[3]。目前，一般采用數(shù)據(jù)獲取率來分析和評(píng)價(jià)風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)能力。

多項(xiàng)研究表明，不同環(huán)境條件下的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率有所不同。胡明寶等[4]對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)不同高度的數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行了分析，確定邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)威力為2 km，而對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)威力為12 km。董保舉等[5]對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)在不同天氣條件下的數(shù)據(jù)探測(cè)能力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，表明陰雨天氣的探測(cè)高度大于晴天的探測(cè)高度。楊哲等[6]對(duì)貴州省威寧縣風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行了分析，得出不同高度、季節(jié)、時(shí)刻、天氣條件下的雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率特征。筆者利用高郵2020年8月—2021年8月的邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料，從數(shù)據(jù)獲取率的角度對(duì)該風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)性能和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。

1 雷達(dá)簡介及其運(yùn)行情況

揚(yáng)州高郵邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)建于高郵市氣象局內(nèi)，為CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，可以在無人值守情況下24 h不間斷連續(xù)運(yùn)行。高郵CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)定6 min一個(gè)風(fēng)羽圖產(chǎn)品，24 h生成的完整數(shù)據(jù)樣本數(shù)為240個(gè)（表1）。剔除由于設(shè)備維護(hù)維修導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失異常。

表1 CLC-11-D型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)參數(shù)性能

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 不同季節(jié)月份數(shù)據(jù)獲取率的對(duì)比

風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨月份和高度的變化有一定的規(guī)律。圖1給出了不同季節(jié)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨高度的變化。從季節(jié)來看，冬季（12月至翌年2月）幾乎在所有探測(cè)高度層上，數(shù)據(jù)獲取率相對(duì)于其他月份偏低。夏季（6—8月）數(shù)據(jù)獲取率最好，秋季（9—11月）和春季（3—5月）次之。冬季空氣濕度相對(duì)較低、大氣狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、湍流運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)導(dǎo)致風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)弱，是導(dǎo)致冬季數(shù)據(jù)獲取率較低的主要原因。冬、春季節(jié)，晚間有逆溫時(shí)或冷空氣過境2 d內(nèi)，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度會(huì)降低。

圖1 高郵風(fēng)廓線雷達(dá)各高度每月數(shù)據(jù)獲取率變化曲線圖

每個(gè)月的數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化的大體趨勢(shì)具有一定的相似性。高郵風(fēng)廓線雷達(dá)在150 m高度下數(shù)據(jù)都為缺測(cè)，近地層的地雜波一般較強(qiáng)，當(dāng)湍流信號(hào)較弱時(shí)易被地雜波淹沒，從而造成數(shù)據(jù)缺失[7-8]。在1 500 m高度，數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化不明顯，基本能達(dá)到100%。冬季在1 500 m高度層以上，數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加而迅速減小。在高度4 000 m以上，各月數(shù)據(jù)獲取率都隨高度明顯下降。

高郵風(fēng)廓線雷達(dá)各月在70%、80%、90%不同數(shù)據(jù)獲取率情況下的探測(cè)高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，90%數(shù)據(jù)獲取率的最低探測(cè)高度在1 600 m左右，70%數(shù)據(jù)獲取率最高可達(dá)6 600 m左右，3種情況下的平均探測(cè)高度在3 500～4 800 m之間。總體來看，高郵風(fēng)廓線雷達(dá)最可靠的有效探測(cè)高度在150～1 600 m之間，比較可靠的有效探測(cè)高度在1 600～3 500 m之間，基本可靠的有效探測(cè)高度在3 500～4 800 m之間。若取風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率＞80%作為可靠標(biāo)準(zhǔn)，則根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)高郵邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最低有效探測(cè)高度：冬季為1 700 m左右，春季為3 400 m左右；最高有效探測(cè)高度：夏季為6 200 m左右，秋季為4 600 m左右。

2.2 不同時(shí)次數(shù)據(jù)獲取率的對(duì)比

圖2給出了高郵風(fēng)廓線雷達(dá)日平均逐時(shí)變化曲線。從圖中可以看出，不同時(shí)間段數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化曲線差異并沒有十分明顯，1 600 m以下數(shù)據(jù)獲取率基本上為100%，1 600 ～2 000 m數(shù)據(jù)獲取率迅速降低，2 000～4 000 m數(shù)據(jù)獲取率較為穩(wěn)定，4 000 m以上數(shù)據(jù)獲取率持續(xù)下降。一般情況下，白天的數(shù)據(jù)獲取率要高于夜間，這主要是由于通常情況下白天的湍流運(yùn)動(dòng)要強(qiáng)于夜間。

圖2 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率逐時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3給出了風(fēng)廓線雷達(dá)不同時(shí)次數(shù)據(jù)獲取率為80%、90%的探測(cè)高度結(jié)果。結(jié)果顯示，風(fēng)廓線雷達(dá)同一數(shù)據(jù)獲取率探測(cè)高度呈現(xiàn)明顯的日變化特征，其中，數(shù)據(jù)獲取率為90%的探測(cè)高度日變化特征更明顯，最低與最高探測(cè)高度相差1 688 m。一天之中，夜間的探測(cè)高度一般低于白天，探測(cè)高度通常在午后達(dá)到最高值，這是由于湍流活動(dòng)通常在午后最強(qiáng)。80%和90%數(shù)據(jù)獲取率的探測(cè)高度平均差值為1 100 m左右。同樣以80%數(shù)據(jù)獲取率為準(zhǔn)，一天中最大探測(cè)高度在12:00～16:00，其值為4 600 m左右，最低探測(cè)高度在0:00～5:00，其值為3 800 m。

圖3 不同時(shí)次數(shù)據(jù)獲取率為80%、90%的探測(cè)高度

2.3 不同天氣條件數(shù)據(jù)獲取率的對(duì)比

最后，本文研究了不同降水情況下不同高度風(fēng)廓線雷達(dá)獲取率。結(jié)果顯示，2 000 m以下降水對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)獲取率的影響較小；2 000 m以上，當(dāng)有降水時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)的獲取率會(huì)有所升高。

圖4給出了有、無降水時(shí)不同季節(jié)的有效探測(cè)高度。有降水時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測(cè)高度始終大于無降水時(shí)的高度，同時(shí)冬季有、無降水的有效探測(cè)高度差值最大，這是由于冬季空氣干燥氣流穩(wěn)定無降水時(shí)的探測(cè)高度依然很低。夏季空氣濕度大、降水充沛且湍流活動(dòng)較強(qiáng)，所以夏季有無降水時(shí)的有效探測(cè)高度都較高，基本上在5 400 m以上。

圖4 降水時(shí)不同季節(jié)的有效探測(cè)高度

3 結(jié)論

高郵風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨月份和高度的變化有一定的規(guī)律。從季節(jié)來看，冬季數(shù)據(jù)獲取率最偏低。夏季數(shù)據(jù)獲取率最好，秋季和春季次之。雷達(dá)在1500 m高度以下的數(shù)據(jù)都為缺測(cè)；在1 500 m高度，數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化不明顯，基本能達(dá)到100%。冬季在1 500 m高度層以上，數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加而迅速減小。在4 000 m高度以上，各月數(shù)據(jù)獲取率都隨高度明顯下降。高郵邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)最低有效探測(cè)高度在冬季：1 700 m 左右，春季為3 400 m左右，最高有效探測(cè)高度：夏季為6 200 m左右，秋季為4 600 m左右。

高郵風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率有一定的日變化特征。不同時(shí)間段數(shù)據(jù)獲取率隨高度變化曲線差異并不十分明顯，1 600 m以下數(shù)據(jù)獲取率基本上為100%，1 600～2 000 m數(shù)據(jù)獲取率迅速降低，2 000～4 000 m數(shù)據(jù)獲取率較為穩(wěn)定，4 000 m以上數(shù)據(jù)獲取率持續(xù)下降。一天當(dāng)中，夜間的探測(cè)高度一般低于白天，探測(cè)高度通常在午后達(dá)到最高值，這是由于湍流活動(dòng)通常在午后最強(qiáng)。

降水也會(huì)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的獲取率產(chǎn)生一定的影響。2 000 m以下的降水對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)獲取率的影響較小；2 000 m以上，當(dāng)有降水時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)的獲取率會(huì)有所升高。冬季有、無降水的有效探測(cè)高度差值最高。夏季有、無降水時(shí)的有效探測(cè)高度都較高，基本上在5 400 m以上。