基于風廓線雷達技術(shù)的沙塵天氣監(jiān)測研究

魏文壽，王敏仲，何 清

(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002;2.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站，新疆塔中 841000)

1 前言

風廓線雷達是20世紀60年代研發(fā)并逐漸興起的一種高空大氣遙感探測系統(tǒng)，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，風廓線雷達技術(shù)已經(jīng)成熟［1］。在過去的幾十年里，國內(nèi)外學(xué)者利用風廓線雷達在大氣風場探測［2～4］、數(shù)值預(yù)報［5］、降水過程［6～9］、大氣湍流及邊界層厚度［10～12］、雨滴譜反演［13，14］等方面開展了大量的研究工作，取得了一批可喜的科研成果。作為新一代大氣遙感探測系統(tǒng)，美國、日本等國家已將風廓線雷達組網(wǎng)并應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)中。美國國家大氣海洋局(The National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)于1987—1992年在美國中部和南部地區(qū)布設(shè)了35部風廓線雷達，其觀測數(shù)據(jù)已提供給國家天氣服務(wù)中心、環(huán)境研究機構(gòu)和大學(xué)［15］。近20年的運行結(jié)果證明:風廓線雷達對大氣三維風場具有較強的探測能力，精細的垂直廓線數(shù)據(jù)可以顯示出鋒面、短波波動、氣旋、重力波等天氣系統(tǒng)連續(xù)和詳實的演變過程，可在一定程度上改善對災(zāi)害性天氣的預(yù)報質(zhì)量。

中國從20世紀80年代開始風廓線雷達的研制和應(yīng)用工作，在過去的10年里，國產(chǎn)風廓線雷達制造技術(shù)取得了巨大的成功，其硬件性能有了質(zhì)的飛躍，多項技術(shù)指標已經(jīng)達到國際先進水平［16］。風廓線雷達探測方式為連續(xù)、無人值守的遙感形式，探測資料具有種類多、時空分辨率高、精度高等特點，突出的探測優(yōu)勢決定了它在大氣科學(xué)研究、氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用和社會氣象服務(wù)領(lǐng)域有著不可替代的重要作用。在天氣預(yù)報方面，風廓線雷達組網(wǎng)觀測資料在數(shù)值預(yù)報模式中的使用，可在一定程度上改善對風場的短時預(yù)報質(zhì)量。在中小尺度氣象研究領(lǐng)域，可以利用風廓線雷達開展對中小尺度天氣系統(tǒng)、大氣湍流、大氣邊界層等方面的研究，推斷大氣運動的湍流結(jié)構(gòu)，監(jiān)測大氣邊界層厚度的變化，確定風切變的位置高度等。由于風廓線雷達突出的探測優(yōu)勢，它不僅應(yīng)用于氣象主流領(lǐng)域，而且在航空、航天、軍事國防、電磁波傳播、空間精確定位、水資源監(jiān)測、大氣污染監(jiān)測等諸多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用前景［17］。

沙塵暴是干旱和半干旱地區(qū)特有的一種災(zāi)害性天氣，是大氣運動和自然地理環(huán)境的綜合產(chǎn)物。它的發(fā)生發(fā)展不僅破壞生態(tài)平衡，而且對氣候變化有著重要影響，已成為全球性的科學(xué)問題之一。風廓線雷達的發(fā)射波長為分米量級，遠大于沙塵質(zhì)點的直徑，更適合瑞利散射條件，加上它只對近距離大氣進行垂直探測，選用較窄的探測波束寬度，獲取起始高度為近地面幾十米、垂直分辨率100 m左右的探測資料，因此可以利用風廓線雷達對測站上空的沙塵天氣進行探測。當大氣中出現(xiàn)沙塵時，沙塵質(zhì)點散射返回的電磁波信號強度比晴空大氣要強，風廓線雷達獲得的多普勒信息主要是沙塵質(zhì)點運動的結(jié)果。

基于此，中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2010年4月在塔克拉瑪干沙漠腹地實施了風廓線雷達探測沙塵天氣的科學(xué)試驗，該項研究利用探測試驗取得的一次沙塵過程風廓線雷達資料，分析了沙塵天氣啟動爆發(fā)的水平風場和垂直速度特征，給出了典型沙塵天氣的雷達等效回波強度及其垂直分布結(jié)構(gòu)，討論了利用風廓線雷達資料反演沙塵粒子數(shù)濃度的有關(guān)問題，其目的是拓展風廓線雷達的探測應(yīng)用范圍，建立基于風廓線雷達技術(shù)的沙塵天氣監(jiān)測方法。

2 研究區(qū)概況

塔克拉瑪干沙漠位于北半球中緯度歐亞大陸腹地，面積33.76萬km2，是世界第二、中國第一大流動沙漠，該區(qū)年平均降水量不足40 mm，風沙災(zāi)害極為頻繁。塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站位于沙漠腹地，地理位置為39°00'N ，83°40'E，海拔高度1 099.3 m，觀測場地四周開闊，地表均為沙丘組成的流動沙漠，試驗場地生活區(qū)有少量人工栽培的沙生灌木植物，下墊面特性基本代表了塔克拉瑪干沙漠地表特征。

3 CFL－03風廓線雷達關(guān)鍵技術(shù)流程和主要性能

在對流層范圍內(nèi)，大氣湍流運動會造成大氣折射率的不均勻分布，當風廓線雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射電磁波時，電磁波遇到不均勻分布的大氣湍流運動，湍流運動會讓電磁波能量產(chǎn)生不同方向的散射，其中經(jīng)過湍流運動散射的電磁波能量會被地面的風廓線雷達接收到，這部分能量經(jīng)雷達接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)計算處理后，既可以得到大氣目標物的運動信息，又可以得到大氣目標物的強度信息。其中信號處理是風廓線雷達最重要的環(huán)節(jié)之一，信號處理主要包括三項關(guān)鍵技術(shù)(見圖1):a.氣象信號的相干積累過程，這一過程主要是犧牲時間、增加探測次數(shù)，讓有規(guī)律的氣象信號疊加到一起放大，而無規(guī)律的雜波信號疊加后相互抵消，目的是提高氣象信號的信噪比;b.譜變換，將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號;c.譜平均，降低氣象信號的脈動，提高氣象信號的信噪比。

圖1 風廓線雷達信號處理原理流程圖［17］Fig.1 Wind profiler radar signal processing flow chart［17］

該項研究采用的設(shè)備為中國航天科工集團二十三所研制的CFL－03相控陣風廓線雷達(見圖2)，主要由發(fā)射機系統(tǒng)、接收機系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、信號處理與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)6部分組成，它的設(shè)計高度為3 000～5 000 m，屬于邊界層風廓線雷達。CFL－03采用5個固定指向波束的探測方式，1個垂直波束，4個天頂角為15°的傾斜波束，傾斜波束在方位上均勻正交分布。為了兼顧探測高度和低層的高度分辨率，CFL－03采用高、低兩種工作模式。低模式使用窄脈沖、高度分辨率為50 m，高模式使用寬脈沖、高度分辨率為100 m。兩種模式交替進行，在保證低空具有較高高度分辨率的同時可以達到較高的探測高度。CFL－03提供的格式完全符合中國氣象局要求的高/低模式譜數(shù)據(jù)、徑向譜速度、實時廓線;每種廓線包含水平風、垂直速度、信噪比、C2n(大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù))、譜寬等信息。表1列出了CFL－03的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 CFL－03風廓線雷達主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the CFL－03 wind profiler radar

圖2 CFL－03車載移動風廓線雷達在塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站觀測沙塵暴Fig.2 A vehicle-mounted wind profiler radar detecting dust storm at the experiment station for atmospheric environment observation in the Taklimakan Desert

筆者所用資料為塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站2010年4月11日CFL－03風廓線雷達資料，包括水平風速、風向、垂直速度、信噪比(SNR)等。

4 沙塵天氣過程簡述

2010年4月11日，受西伯利亞冷空氣影響，塔克拉瑪干沙漠腹地發(fā)生了1次沙塵天氣。其中，00:00—11:40為浮塵，11:40—14:17為揚沙，強沙塵暴發(fā)生在14:17—22:10，最小能見度300 m，沙塵暴持續(xù)了約8 h，22:10以后轉(zhuǎn)為揚沙。

5 風廓線雷達對沙塵天氣的探測與監(jiān)測分析

5.1 風廓線雷達對沙塵垂直分布的監(jiān)測

風廓線雷達對沙塵進行探測時，由于采用的電磁波波長遠遠大于沙塵粒子的粒徑，沙塵粒子對電磁波的散射更符合瑞利散射，可用通用雷達氣象方程對沙塵等效回波強度進行計算，公式可表示為［18，19］

式(1)～(3)中，SNR0為原始信噪比，Pn為噪聲功率，K為玻爾茲曼常數(shù)，取值為K=1.38×10－23J/K，B為接收機帶寬，T0是用絕對溫度表示的雷達天線溫度，Nf為噪聲系數(shù)，λ為電磁波波長，R為目標物距離，L為饋線損耗，Pr為回波功率，是常數(shù)，h為高度，Pt為雷達發(fā)射峰值功率，G為天線增益，φ、θ為水平和垂直波束寬度為介電常數(shù)(取值為0.52)，Z為雷達回波強度(反射率因子)。

在計算過程中，首先求出接收機的噪聲功率Pn，并依據(jù)SNR資料求出未做相干積累代表真實返回信號的原始信噪比SNR0，然后求出回波功率Pr，最后推導(dǎo)計算出風廓線雷達回波強度Z。

圖3給出了4月11日沙塵天氣等效回波強度時間—高度剖面，可以清晰地看到，揚沙、沙塵暴發(fā)生期間(11:40—22:10)，回波強度表現(xiàn)為密實的大值層，大值層頂高約1 500 m，回波強度約為－3～10 dBZ;浮塵天氣時段(00:00—11:40)回波強度相對較弱，約為－15～－3 dBZ。從圖3中也可以看出，揚沙、沙塵暴期間600～1 500 m高度內(nèi)回波強度隨高度呈減弱趨勢，1 500 m高度以上出現(xiàn)了明顯的低值區(qū)，這說明在沙塵過程中，低層沙塵粒子的濃度要大于高層粒子濃度，沙塵粒子對電磁波產(chǎn)生的后向散射強度隨沙塵濃度的變化而變化，低層粒子較濃，雷達探測到的回波信號就強，高層粒子濃度較低，其回波強度就弱。

以上分析表明，風廓線雷達是進行沙塵探測和監(jiān)測的一種有效的高空大氣遙感系統(tǒng)，它不僅可以捕捉到沙塵天氣的開始和結(jié)束時間，而且能監(jiān)測到沙塵被輸送的高度、厚度以及垂直強度分布特征。通過對沙塵天氣等效回波強度的分析表明:揚沙和沙塵暴回波強度約為－3～10 dBZ，浮塵回波強度約為－15～－3 dBZ，沙塵回波強度明顯小于降水回波，卻大于晴空回波;此次沙塵被輸送的高度約在1 500 m以內(nèi)，粒子濃度從低層向上呈遞減趨勢。

圖3 2010年4月11日沙塵天氣回波強度時間—高度剖面圖Fig.3 Time-height profiles of dust weather echo intensity on 11 April，2010

5.2 風廓線雷達對沙塵天氣水平風場的監(jiān)測

圖4 給出了CFL－03風廓線雷達對2010年4月11日沙塵天氣水平風場的探測結(jié)果。圖4中帶箭頭的實線為風垂直切變所處的位置高度。可以看出，在切變線以上主要為西風和西北風，切變線以下為東南風和東風，說明低空東風的維持是沙塵天氣發(fā)生的動力條件。從水平風場的量級來看，沙塵天氣啟動前，垂直風切變的位置高度約為500 m，低空500 m以下水平風速較大，約為12 m/s，500 m以上西風并不是非常強烈，當沙塵天氣開始后，水平風垂直切變位置逐漸升高到1 000 m以上，但風速相對較小。進一步結(jié)合4月11日等效回波強度垂直剖面(見圖3)，發(fā)現(xiàn)在東南風的動力作用下，塔克拉瑪干沙漠沙塵被輸送到高空1 200～1 300 m高度左右，而這一高度恰好與邊界層偏東風維持的高度基本一致，說明在這次過程中，主要是低空偏東風吹動沙塵向西輸送，高空西風氣流并沒有將沙塵向東遠距離輸送，只是局限在塔里木盆地活動。

以上分析表明:風廓線雷達可以有效監(jiān)測沙塵天氣水平風場的變化特征，由于受塔里木盆地三面環(huán)山地形的影響，水平風垂直切變以及低空東風的維持是此次沙塵天氣發(fā)生的動力成因，在地表熱力和大氣層結(jié)條件滿足的狀況下，近地表風速大于3.0～4.0 m/s就有可能誘發(fā)揚沙天氣，風速更大時則會導(dǎo)致沙塵暴的發(fā)生。

圖4 2010年4月11日沙塵天氣水平風時間—高度圖Fig.4 Time-height of horizontal winds of dust weather processes on 11 April，2010

5.3 風廓線雷達對沙塵天氣垂直速度的監(jiān)測

風廓線雷達探測到的垂直速度數(shù)據(jù)常采用“時間—高度”序列方式顯示，即橫坐標為時間、縱坐標為高度，每次垂直風探測結(jié)果按彩色等級顯示為一列，并按觀測時間先后順序排列。“時間—高度”序列的顯示方法有利于反映垂直速度的時間、高度變化，所以被普遍采用。

圖5給出了2010年4月11日沙塵過程大氣垂直速度的時間—高度圖?？梢钥闯觯硥m天氣發(fā)生前及發(fā)生過程中，低空1 000 m以下大氣主要以輻合上升運動為主，3:30—13:00有一個“較強上升速度回波區(qū)”，從中可以分辨出2個強中心。第1個強中心(4:00—7:00)最大上升速度1.0 m/s、所在高度300 m;第2個強中心(10:00—13:00)最大上升速度1.27 m/s、所在高度500 m。根據(jù)“較強上升速度回波區(qū)”可以判定:2個強中心分別對應(yīng)著2個上升速度較大的空氣塊。上升空氣塊的時間尺度約為2～3 h，垂直尺度約300 m。風廓線雷達可以直接測量上升空氣塊的時間尺度和垂直尺度，水平尺度則需要根據(jù)時間尺度和水平風進行估計。在上述2個上升空氣塊出現(xiàn)的時間和高度范圍內(nèi)，水平風平均約7.5 m/s，由此可以估計上升空氣塊的水平尺度在67.5 km左右。圖6給出了與第2個強中心對應(yīng)時刻(12:00)的垂直速度廓線，可見在沙塵啟動時1 km以下高度為上升氣流，1 km高度以上以下沉氣流為主。大氣垂直向上運動起到了抽氣筒的效應(yīng)，有利于揚沙和沙塵暴天氣的發(fā)生。

圖5 2010年4月11日沙塵天氣垂直速度時間—高度剖面圖(單位:m/s)(負值表示上升運動，正值表示下沉運動)Fig.5 Time-height profiles of the vertical velocity of the dust weather processes on 11 April，2010(unit:m/s)(negative stands for an ascending motion，positive for a sinking motion)

圖6 2010年4月11日12時垂直速度廓線(負值為上升，正值為下降)Fig.6 A vertical velocity profile at 12:00，11 April，2010(negative stands for an ascending motion，positive for a sinking motion)

6 討論

在計算出沙塵等效回波強度Z后，進一步嘗試利用Z與沙塵粒徑的關(guān)系估算了大氣中沙塵粒子的濃度分布，這里假定沙塵為均勻的球形粒子，平均粒徑為20 μm，其回波強度Z與粒子數(shù)濃度的對應(yīng)關(guān)系可采用文獻［20］中的公式:

式(4)中，N表示沙塵粒子數(shù)濃度，單位為個/m3，為沙塵粒子平均粒徑。

圖7給出了2010年4月11日揚沙和沙塵暴過程(10:00—24:00)由回波強度Z估算出的粒子數(shù)濃度時間—高度圖?？梢钥闯?，低空600 m高度沙塵粒子數(shù)濃度相對較大，每立方米大氣中最多有1.2×1011個沙塵粒子，隨著高度升高，粒子數(shù)濃度逐漸減小，在1 000 m高度每立方米大氣中約有2×1010個粒子。游來光［21］等曾在飛機上安裝粒子測量系統(tǒng)(PMS)，在中國內(nèi)蒙阿拉善沙漠進行了沙塵暴粒子濃度的飛機探測，結(jié)果表明:在2 000～3 300 m高度內(nèi)每立方米大氣中最多有1.5×106個沙塵粒子。通過與此結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)利用風廓線雷達資料反演估算的粒子濃度明顯比飛機探測結(jié)果偏大。塔克拉瑪干沙漠沙塵粒子形態(tài)各異，粒徑大小不均，況且缺少沙漠高空沙塵粒譜觀測資料，目前還無法利用風廓線雷達對高空沙塵數(shù)濃度和質(zhì)量濃度進行準確的反演計算，這部分工作有待今后繼續(xù)進行深入的分析和研究。

圖7 2010年4月11日10:00—24:00沙塵過程粒子數(shù)濃度時間—高度圖(單位:1×109個/m3)Fig.7 Time-height of particle concentration of the 10:00 －24:00 dust process on 11 April，2010(unit:1×109numeral/m3)

7 結(jié)語

筆者利用設(shè)在塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀測試驗站的CFL－03風廓線雷達資料，對2010年4月11日發(fā)生的典型沙塵天氣進行分析，給出了沙塵天氣啟動爆發(fā)的水平風場和垂直速度特征，計算分析了典型沙塵暴、揚沙、浮塵天氣的雷達回波強度及垂直分布結(jié)構(gòu)，討論了利用風廓線雷達資料反演大氣沙塵數(shù)濃度的有關(guān)問題。通過筆者的分析，可以初步得到以下幾點結(jié)論:

1)風廓線雷達是進行沙塵探測和監(jiān)測的一種有效的高空大氣遙感系統(tǒng)，它不僅可以捕捉到沙塵天氣的開始和結(jié)束時間，而且能監(jiān)測到沙塵在空中被輸送的高度、厚度范圍以及沙塵運動的垂直強度特征。

2)塔克拉瑪干沙漠揚沙和沙塵暴等效回波強度約為－3～10 dBZ，浮塵等效回波強度約為－15～－3 dBZ，沙塵回波強度總體小于降水回波，卻大于晴空回波。

3)水平風垂直切變以及低空東風的維持是此次沙塵天氣發(fā)生的動力成因。揚沙、沙塵暴發(fā)生時，大氣垂直速度表現(xiàn)為上升運動，在較大水平風速及干燥下墊面的配合下，導(dǎo)致地面沙粒被輸送到高空，形成了沙塵天氣。

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