風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS監(jiān)測(cè)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(xué)院航海系 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018)

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風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS監(jiān)測(cè)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(xué)院航海系 大連 116018；2.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018)

海岸帶濕度對(duì)人類生產(chǎn)生活有較大影響。文章根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS (Radio Acoustic Sounding System )測(cè)量濕度的相關(guān)理論，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算某海濱觀測(cè)站個(gè)例的大氣濕度分布，并與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析誤差及其原因。結(jié)果表明：風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS測(cè)量濕度的方法得到的濕度結(jié)果與常規(guī)探測(cè)結(jié)果較為接近,可進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)海岸帶大氣濕度的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

海岸帶；風(fēng)廓線雷達(dá)；大氣濕度；大氣環(huán)境；海洋監(jiān)測(cè)

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(huì)發(fā)展的重要場(chǎng)所。由于海-陸-氣等因素的共同作用，海岸帶大氣海洋環(huán)境極其復(fù)雜，對(duì)人類生產(chǎn)生活有較大影響。隨著21世紀(jì)海上絲綢之路戰(zhàn)略的正式實(shí)施，深入研究海岸帶大氣海洋環(huán)境特征將為海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)做出貢獻(xiàn)[1-4]。尤其是其降水特征具有極強(qiáng)的局地性和不穩(wěn)定性，難以預(yù)測(cè)。降水產(chǎn)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(yù)報(bào)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。而目前海岸觀測(cè)站使用的常規(guī)探空方法只能反映1天2個(gè)時(shí)次的大氣濕度情況，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；地基GPS(Globe Position System)水汽探測(cè)系統(tǒng)可以反演監(jiān)測(cè)水汽條件的變化，但要達(dá)到一定精度需要組網(wǎng)探測(cè)，在海岸帶難以實(shí)現(xiàn)，且探測(cè)要素單一。近年來(lái)，風(fēng)廓線雷達(dá)(Wind Profile Radar)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，其主要功能是監(jiān)測(cè)高空風(fēng)場(chǎng)，此外將風(fēng)廓線雷達(dá)嵌入RASS(Radio Acoustic Sounding System) 同時(shí)可監(jiān)測(cè)氣溫的垂直分布，結(jié)合其他資料可以分析降水過(guò)程[5]、強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程[6]、邊界層特征[7]等。風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)要素除風(fēng)外，還有許多其他物理量產(chǎn)品，結(jié)合RASS的溫度產(chǎn)品可擴(kuò)展其測(cè)量?jī)?nèi)容，如濕度[8]、湍流耗散率[9]等；但目前這些伴隨產(chǎn)品的應(yīng)用不足，導(dǎo)致觀測(cè)資源的浪費(fèi)，如能實(shí)現(xiàn)其對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)，將有利于海岸帶大氣環(huán)境的研究。鑒于此，本研究利用某海濱觀測(cè)站的數(shù)據(jù)個(gè)例，研究風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS測(cè)量濕度的理論和方法，將其應(yīng)用于海濱觀測(cè)個(gè)例的濕度計(jì)算中，并與探空資料進(jìn)行比對(duì)，分析其誤差和測(cè)量的有效性，從而得到有價(jià)值的研究結(jié)論。

2 原理、方法與數(shù)據(jù)

2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)原理

在對(duì)流層區(qū)域中，空氣垂直方向上的對(duì)流混合作用很強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生大量的湍流，湍流導(dǎo)致空氣不均勻的大氣折射率，這是風(fēng)廓線雷達(dá)可以探測(cè)到大氣后向散射的理論依據(jù)。湍流的移動(dòng)可認(rèn)為與風(fēng)是基本一致的，風(fēng)廓線雷達(dá)通過(guò)對(duì)“湍流”反射的雷達(dá)徑向速度的測(cè)量，反演“湍流”的平均移動(dòng)速度，并以此作為風(fēng)的速度。為獲得風(fēng)廓線雷達(dá)上空三維風(fēng)場(chǎng)信息，至少需要3個(gè)以上正交的波束。由于5波束反演風(fēng)場(chǎng)的精度高于3波束，大部分風(fēng)廓線雷達(dá)采用5波束，5波束指向?yàn)?個(gè)垂直指向波束和4個(gè)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(dá)工作時(shí)按東、西、天頂、南、北的順序進(jìn)行探測(cè)，1個(gè)周期探測(cè)約為5 min。5波束風(fēng)廓線雷達(dá)波束指向示意如圖1所示[10]。除三維高空風(fēng)外，風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)量過(guò)程中還有譜寬、Cn2和信噪比等伴隨產(chǎn)品。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)5波束的幾何關(guān)系

2.2 RASS測(cè)量虛溫原理

無(wú)線電-聲探測(cè)技術(shù)(Radio Acoustic Sounding Technology)是一種新興氣象遙感技術(shù)，該技術(shù)基于聲傳播理論可反演大氣虛溫的垂直分布，與風(fēng)廓線雷達(dá)結(jié)合可拓展其探測(cè)功能。RASS的探測(cè)原理是：聲波傳播時(shí)會(huì)使周圍空氣密度發(fā)生變化，導(dǎo)致其折射率隨之發(fā)生變化，當(dāng)雷達(dá)電磁波經(jīng)過(guò)這些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生后向散射，雷達(dá)通過(guò)接收這部分能量能測(cè)量出不同高度層聲傳播的速度，并根據(jù)聲速與虛溫的關(guān)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(guān)系，其表達(dá)式為

(1)

如進(jìn)行精確計(jì)算，可用式(1)將虛溫轉(zhuǎn)換為溫度，得到實(shí)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(fēng)廓線雷達(dá)直接或間接測(cè)量得到，主要包括布維頻率、湍流耗散率、湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)和大氣折射梯度等，需首先介紹這些物理量及其計(jì)算方法，原理與文獻(xiàn)[8]類似。

布維頻率N(Brunt-Vaisala頻率)是一個(gè)與大氣靜力穩(wěn)定度有關(guān)的參數(shù)，N值越大說(shuō)明大氣穩(wěn)定度越大，計(jì)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(jì)算得到。

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

(3)

式中：N為布維頻率；b為1個(gè)無(wú)量綱常數(shù)，Weinstock指出b≈α1-3/2≈ 0.5，本研究b值采用0.6，與文獻(xiàn)[15]相同；α1為柯?tīng)柲曷宸虺?shù)；譜寬σ2可由風(fēng)廓線雷達(dá)直接測(cè)量得到，描述有效照射體積內(nèi)散射粒子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。

大氣折射指數(shù)梯度dn/dz與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)之間的關(guān)系，其形式為

(4)

在大氣低層，比濕的垂直分布表達(dá)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(cè)站的CFL-16風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS數(shù)據(jù)，采用的計(jì)算方法為：先由溫度計(jì)算出布維頻率，再得到湍流耗散率，加上譜寬和湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)計(jì)算出大氣折射指數(shù)梯度，最后根據(jù)比濕與大氣折射指數(shù)梯度的關(guān)系計(jì)算出大氣濕度廓線(圖3)。以該方法計(jì)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(jì)算方法

2.5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本研究采用的雷達(dá)是航天23所研制的CFL-16型風(fēng)廓線雷達(dá)，從探測(cè)范圍上屬于對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，配有4個(gè)RASS發(fā)生裝置，位于大連附近海濱觀測(cè)站。CFL-16風(fēng)廓線雷達(dá)是以大氣湍流為探測(cè)目標(biāo)的脈沖多普勒雷達(dá)，采用全相參相控陣體制，能夠連續(xù)提供150 m～12 km高度范圍內(nèi)(垂直分辨率可到75 m)的大氣風(fēng)場(chǎng)、譜寬、湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素?？砂凑涨笆隼碚摵头椒ǖ玫綕穸葦?shù)據(jù)，并與附近的大連市氣象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)探空數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比對(duì)分析。大連市氣象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)與風(fēng)廓線雷達(dá)與RASS均位于海岸帶附近，距離約30 km，在允許的比對(duì)范圍內(nèi)。所選數(shù)據(jù)個(gè)例日期為2015年6月1日，但二者時(shí)間不同，無(wú)線電探空儀測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間為19時(shí)15分，風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS數(shù)據(jù)為17時(shí)38分。

3 結(jié)果分析

3.1 研究數(shù)據(jù)

從6月1日20時(shí)的地面分析圖(圖4)來(lái)看，大連地區(qū)當(dāng)天處于鞍形場(chǎng)中，天氣形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，大氣物理特性在一定時(shí)間內(nèi)變化不大。因此，可近似地認(rèn)為1738時(shí)刻風(fēng)廓線雷達(dá)+RASS探測(cè)時(shí)，氣象要素的垂直分布與1915時(shí)刻基本相同。

圖4 2015年6月1日20時(shí)地面分析

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)比及誤差

可按前述理論和方法計(jì)算風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。布維頻率總的趨勢(shì)是隨著高度升高逐漸減小，在370 m附近出現(xiàn)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(xiàn)極大值，為0.21(圖5(b))；大氣湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)在370 m處較大(圖5(c))。可見(jiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS的數(shù)據(jù)可以反映大氣中細(xì)微結(jié)構(gòu)變化，這是常規(guī)資料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖5 2015年6月1日1630時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)+ RASS測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果

濕度方面，2015年6月1日風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS反演的比濕與無(wú)線電探空儀獲得的比濕的比較情況如圖6所示，可見(jiàn)二者吻合較好。

圖6 2015年6月1日1630時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)+ RASS反演的比濕

比濕垂直分布的總體趨勢(shì)是隨高度升高而下降，細(xì)微差別較為明顯，數(shù)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(guò)2 g/kg；其對(duì)應(yīng)布維頻率、湍流耗散率和湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)在該處附近都有1個(gè)極大值出現(xiàn)，同時(shí)布維頻率、湍流耗散率、湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)在300～400 m附近數(shù)值均達(dá)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(guān)系值得深入研究，此外計(jì)算濕度采用的溫度值是RASS測(cè)量的，同時(shí)2個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)和時(shí)間的差異也是造成誤差的原因。

4 結(jié)論與展望

本研究利用CEL-16型風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS測(cè)量濕度的方法，計(jì)算海岸帶實(shí)測(cè)個(gè)例的大氣濕度分布。從本次海岸帶濕度個(gè)例計(jì)算結(jié)果可得到結(jié)論。

(1)風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS測(cè)量濕度的方法得到的濕度結(jié)果與常規(guī)探測(cè)結(jié)果較為接近，誤差較小，可進(jìn)一步進(jìn)行誤差訂正研究，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中作為常規(guī)探空手段的補(bǔ)充。

(2)風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS的伴隨產(chǎn)品，包括布維頻率、湍流耗散率和湍流結(jié)構(gòu)常數(shù)等，與海岸帶大氣濕度有一定的相關(guān)性，可用來(lái)進(jìn)一步深入研究海岸帶大氣的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)理。

本研究也存在不足和需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題：首先，風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS測(cè)量濕度的垂直分辨率低于探空資料，本個(gè)例應(yīng)用的CEL-16風(fēng)廓線雷達(dá)垂直分辨率為75 m，低于常規(guī)探空資料；其次，比對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間地點(diǎn)不一致以及計(jì)算濕度應(yīng)用RASS測(cè)量溫度，是帶來(lái)誤差的原因；最后，可結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)量的三維風(fēng)場(chǎng)與其濕度場(chǎng)相結(jié)合，得到海岸帶大氣環(huán)境的綜合狀況。

總之，隨著對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)聯(lián)合RASS測(cè)量方法開(kāi)展進(jìn)一步深入研究并實(shí)現(xiàn)其對(duì)海岸帶大氣濕度的監(jiān)測(cè)，將為海岸帶天氣過(guò)程演變、海岸帶氣象預(yù)報(bào)等相關(guān)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?yàn)楹?zhàn)場(chǎng)環(huán)境建設(shè)和軍事海洋氣象保障，電子信箱：qxsspgx@163.com

P7

A

1005-9857(2017)04-0061-05