風(fēng)廓線雷達(dá)資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用*

漳州市氣象局 黃奕丹 陳錦鵬 吳建成 楊德南

風(fēng)廓線雷達(dá)資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用*

漳州市氣象局 黃奕丹 陳錦鵬 吳建成 楊德南

利用上海徐家匯2014年9月～2015年2月風(fēng)廓線雷達(dá)資料，分析了徐家匯上空水平風(fēng)速與地面能見度的關(guān)系，結(jié)果表明，在800m～1600m高度上，水平風(fēng)速小于10m/s，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，地面能見度下降，風(fēng)速越小，能見度下降越明顯；當(dāng)水平風(fēng)速小于5m/s時(shí)，則可能出現(xiàn)嚴(yán)重灰霾天氣。結(jié)合風(fēng)廓線資料，對(duì)一次灰霾天氣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)具有實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，能較快發(fā)現(xiàn)風(fēng)向的變化，進(jìn)而判斷污染物的擴(kuò)散方向和傳送途徑，能夠?qū)姻蔡鞖庾鞒龆虝r(shí)預(yù)報(bào)；在風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度剖面圖上，可以直觀地看出某時(shí)刻400m～1600m存在上升氣流，當(dāng)大氣的垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯時(shí)，會(huì)使近地面出現(xiàn)弱輻合區(qū)，形成小尺度局地環(huán)流，使污染物集聚，較易出現(xiàn)污染天氣。

風(fēng)廓線雷達(dá) 灰霾天氣 監(jiān)測(cè)分析 上海

1 概述

風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)大氣三維風(fēng)場(chǎng)有著較強(qiáng)的探測(cè)能力，當(dāng)大氣水平均勻時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)利用逐次探測(cè)東、西、南、北4個(gè)傾斜波束指向與一個(gè)天頂?shù)拇怪辈ㄊ赶蛏系母鞣N距離庫(kù)的多普勒頻移速度，將同一層高度上五個(gè)波束指向的多普勒頻移速度探測(cè)值合并求出某地上空的三維風(fēng)場(chǎng)[1]。它能夠在站點(diǎn)的正方位對(duì)風(fēng)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。由于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)準(zhǔn)確度高、有著實(shí)時(shí)性與連續(xù)性的特征，是目前氣球探空儀所不能比擬的，對(duì)天氣預(yù)報(bào)有著很大作用，并且能夠提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

王開燕等[2]利用廣州南沙地區(qū)的風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)2008年7月至2010年6月的灰霾日進(jìn)行了分析，得出風(fēng)速對(duì)灰霾天氣的出現(xiàn)與否有著非常重要的影響。江斌等[3]將合肥地區(qū)對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)獲取的資料進(jìn)行分析，進(jìn)而更好地使用數(shù)值產(chǎn)品。魏文濤等[4]將塔克拉瑪干地區(qū)大氣監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站2010年4月11日沙塵天氣時(shí)的風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行分析，闡明了風(fēng)廓線雷達(dá)是一種能夠進(jìn)行有效沙塵天氣探測(cè)和監(jiān)測(cè)的高空大氣遙感系統(tǒng)。陳楠等[5]將南京地區(qū)的某次降水過(guò)程的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)與自動(dòng)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)伴隨降水天氣的出現(xiàn)，雷達(dá)數(shù)據(jù)中的速度譜寬、垂直速度和折射率結(jié)構(gòu)數(shù)值都顯著變大。徐桂榮等[6]利用風(fēng)廓線雷達(dá)分析大氣邊界層溫度、濕度的結(jié)構(gòu)及其日變化的特點(diǎn)。目前對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的研究主要是在風(fēng)廓線數(shù)據(jù)的分析和評(píng)估上，而將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的較少。

上?？諝馕廴締?wèn)題日益嚴(yán)重，已逐漸成為城市發(fā)展的一大障礙。風(fēng)對(duì)污染物的擴(kuò)散具有十分重要的作用，研究上海不同探空層次的風(fēng)場(chǎng)特征，以及風(fēng)隨高度的變化規(guī)律是分析上海大氣污染的重要依據(jù)。利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)上海上空風(fēng)場(chǎng)特征的研究，有利于了解上海地區(qū)灰霾天氣發(fā)生的一般規(guī)律，提高環(huán)境氣象的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

2 資料與方法

通常在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，人們對(duì)大氣污染情況的直觀反映是能見度。收集2014年6月至2015年2月上海徐家匯的地面觀測(cè)資料，通過(guò)計(jì)算得到各項(xiàng)氣象要素與能見度之間的相關(guān)性。

分析2014年9月至2015年2月風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，把日平均能見度與各個(gè)高度場(chǎng)的日平均風(fēng)速作相關(guān)計(jì)算，探究其規(guī)律。

選取上海地區(qū)一次灰霾天氣過(guò)程，利用風(fēng)廓線圖和垂直氣流圖反演風(fēng)場(chǎng)特征，應(yīng)用在灰霾天氣過(guò)程分析中其生消的天氣成因。

3 能見度與地面要素的關(guān)系

3.1 環(huán)境污染與能見度的聯(lián)系

能見度指的是水平能見度，白天能見度指的是在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空的背景里看到和識(shí)別出目標(biāo)物的最大水平距離，夜間能見度指的是能夠看到和斷定出一定燈光強(qiáng)度的最大水平距離。它可以反映出大氣環(huán)境質(zhì)量，能見度的大小是描述環(huán)境污染程度的特征量。

3.2 能見度與氣象要素的相關(guān)性

將2014年6月至2015年2月上海徐家匯氣象要素和能見度資料計(jì)算相關(guān)系數(shù)。為了較好的分析灰霾天時(shí)氣象要素和能見度的關(guān)系，把降水造成能見度降低的情況排除。從表1可以看出，風(fēng)速與能見度的相關(guān)系數(shù)最大，且成正相關(guān)。

風(fēng)場(chǎng)的時(shí)空變化規(guī)律在空氣污染物擴(kuò)散和傳輸中起著重要的作用，因此提高客觀分析風(fēng)場(chǎng)精度是十分必要的。從表1可見，風(fēng)速與能見度的相關(guān)性并不是很高，這是因?yàn)榈孛嬗^測(cè)所探測(cè)的風(fēng)速是距離地面10m高的風(fēng)速，而是否會(huì)出現(xiàn)污染天氣與大氣混合層高度有著非常重要的聯(lián)系，混合層高度較高時(shí)，就更有利大氣污染物垂直方向上湍流交換。因此，預(yù)測(cè)是否會(huì)出現(xiàn)污染天氣，只有常規(guī)地面觀測(cè)資料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而風(fēng)廓線雷達(dá)可以探測(cè)到距離地面100～4000m以上的風(fēng)場(chǎng)特征，彌補(bǔ)了常規(guī)地面觀測(cè)風(fēng)向、風(fēng)速的局限。

表1 2014年6月至2015年2月能見度和地面氣象要素間的相關(guān)性分析

4 能見度與高空風(fēng)速的關(guān)系

4.1 資料概況

灰霾天氣的產(chǎn)生和風(fēng)場(chǎng)特征關(guān)系密切，風(fēng)廓線雷達(dá)可以對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，顯示各高度層水平、垂直風(fēng)場(chǎng)的特征。上海近20年來(lái)污染排放增加明顯，導(dǎo)致環(huán)境污染日益加重。利用2014年9月至2015年2月上海徐家匯風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，分析風(fēng)場(chǎng)的變化特征，與地面能見度的變化找出相關(guān)性。

4.2 能見度與各高度層水平風(fēng)速的相關(guān)分析

將上海徐家匯2014年9月至2015年2月的日平均能見度數(shù)據(jù)與風(fēng)廓線雷達(dá)所測(cè)量到的各高度層的日水平風(fēng)速進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，如圖1所示，圖中黑色的柱狀圖表示相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下顯著, 800～1600m高度層的風(fēng)速與能見度的相關(guān)性較大，且呈正相關(guān)，表明了800～1600m高度層的風(fēng)速越大時(shí)，地面能見度越高。反之，當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，地面能見度也相應(yīng)降低。這就說(shuō)明800～1600m高度層的風(fēng)速與灰霾天氣的出現(xiàn)與否有著非常重要的聯(lián)系，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，不容易出現(xiàn)灰霾天氣，相反則較易出現(xiàn)灰霾。

圖1 能見度與各高度層水平風(fēng)速的相關(guān)分析

篩選出2014年9月至2015年2月上海徐家匯的灰霾天氣，并分別計(jì)算高度層為760～1000m、1060～1300m、1360～1600m的平均高度層風(fēng)速，將出現(xiàn)灰霾天氣時(shí)的日平均能見度分別與這三層的日平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比分析（圖2），可以看出：出現(xiàn)灰霾天氣時(shí)，在800～1600m高度上的水平風(fēng)速不會(huì)超過(guò)20m/s，大多數(shù)風(fēng)速在10m/s以下，偶爾風(fēng)速較大時(shí)，能見度在10km左右，出現(xiàn)輕度灰霾天氣；當(dāng)水平風(fēng)速減小時(shí)，能見度隨之降低，并且較小的水平風(fēng)速持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，能見度越低，甚至降低至5km以下，出現(xiàn)嚴(yán)重的污染天氣。表明在800～1600m的高度層上，水平風(fēng)速的減小趨勢(shì)和持續(xù)的時(shí)間與灰霾天氣的嚴(yán)重程度具有密切關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速較小、持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)，灰霾越嚴(yán)重。

圖2 灰霾天氣地面能見度與不同高度水平風(fēng)速的對(duì)比分析

5 基于風(fēng)廓線雷達(dá)的一次灰霾天氣過(guò)程探測(cè)分析

5.1 實(shí)例概述

2015年1月10日8時(shí)起，上海發(fā)布空氣重污染藍(lán)色預(yù)警?，F(xiàn)將10日前后的能見度進(jìn)行分析。如圖3所示，1月8 日14時(shí)的能見度為11km，還未達(dá)到灰霾天的標(biāo)準(zhǔn)，9日08時(shí)的能見度下降至3.7km，往后幾個(gè)時(shí)刻能見度都小于5km，出現(xiàn)重度污染天氣，直到12日08時(shí)天空狀況才轉(zhuǎn)好，能見度達(dá)到20km，污染過(guò)程結(jié)束。

圖3 2015年1月7～12日上海能見度變化

5.2 水平風(fēng)廓線資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用

將2015年1月7－12日的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)廓線圖，圖4所示，1月7日800～2500m風(fēng)速大，1600m以上水平風(fēng)速主要大于18m/s，800～1600m水平風(fēng)速主要為10～16m/s，此時(shí)平均能見度達(dá)到15km。8日下午（圖5），800～1600m風(fēng)速開始減小，當(dāng)風(fēng)速小于10m/s時(shí)地面能見度開始下降，而后風(fēng)速持續(xù)減小，到了9日（圖6），1600m以下的風(fēng)速以小于5m/s的風(fēng)速為主，造成9日至10日能見度小于5km，出現(xiàn)嚴(yán)重的污染天氣。圖7所示，11日1600m以下的風(fēng)速逐漸增大，但能見度并沒(méi)有好轉(zhuǎn)，因?yàn)?1日下午起1600m以下東北風(fēng)加大，滯留在上海東北方向海面上的污染氣團(tuán)順著東風(fēng)回流（圓圈位置），輸送回上海，瞬間加劇了空氣污染。利用風(fēng)廓線雷達(dá)每五分鐘能夠探測(cè)一次，及時(shí)監(jiān)測(cè)到整個(gè)過(guò)程風(fēng)場(chǎng)的變化過(guò)程。因此，利用風(fēng)廓線雷達(dá)來(lái)進(jìn)行短時(shí)的灰霾預(yù)報(bào)具有可能性。12日凌晨800～1600m的風(fēng)速逐漸加大到10m/s以上，能見度開始好轉(zhuǎn)，達(dá)到10km左右，而后風(fēng)速一直維持在大于10m/s（圖8），12日08時(shí)能見度達(dá)到20km以上,此次灰霾天氣過(guò)程結(jié)束。

從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，灰霾天氣是否出現(xiàn)主要是受800～1600m風(fēng)速影響，當(dāng)800～1600m風(fēng)速較大時(shí)，能見度較好，不容易出現(xiàn)灰霾，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)減小時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)灰霾天氣。風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)具有實(shí)時(shí)性，能較快發(fā)現(xiàn)風(fēng)向變化特征，有助于灰霾天氣短時(shí)預(yù)報(bào)，實(shí)際中將風(fēng)廓線雷達(dá)資料應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量變化預(yù)測(cè)也有很好效果。

圖4 2015年1月7日風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速高空剖面圖

圖5 2015年1月8日風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速高空剖面圖

圖6 2015年1月9日風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速剖面圖

圖7 2015年1月11日風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速剖面圖

圖8 2015年1月12日風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)速剖面圖

5.3 垂直風(fēng)廓線資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用

風(fēng)廓線雷達(dá)不僅能夠獲取高低空水平風(fēng)速、風(fēng)向的信息，還能獲取垂直風(fēng)速的數(shù)據(jù)，將2015年1月9－10日上海徐家匯垂直風(fēng)速資料進(jìn)行處理，制作垂直速度剖面圖（圖9），發(fā)現(xiàn)400m以下的垂直風(fēng)速很小，接近于0，高度在400～1600m時(shí)，垂直風(fēng)速明顯增大。高度在1600m以上時(shí)，垂直風(fēng)速又急劇下降。9日20時(shí)的垂直速度顏色表示明顯，垂直速度為負(fù)，且在700m處達(dá)到負(fù)的最大值，表明此刻上升氣流明顯，大氣垂直上升運(yùn)動(dòng)會(huì)使近地面較容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成了小尺度的局地環(huán)流，周邊的污染物容易輸送過(guò)來(lái)，并集聚，導(dǎo)致了9～10日嚴(yán)重的空氣污染。

6 結(jié)果與討論

（1）在排除降水對(duì)能見度的影響時(shí)，常規(guī)氣象要素中的風(fēng)速和能見度呈現(xiàn)正相關(guān)，是否出現(xiàn)灰霾天氣與當(dāng)天的風(fēng)速密切相關(guān)。

（2）上海秋、冬季地面能見度的高低與800～1600m高度層的水平風(fēng)速大小有著緊密的聯(lián)系。當(dāng)水平風(fēng)速大的情況下，能見度也相應(yīng)的較大，不易出現(xiàn)灰霾天氣。反之，當(dāng)水平風(fēng)速小于10m/s，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，能見度就會(huì)下降，風(fēng)速越小時(shí)，能見度越低，當(dāng)風(fēng)速比持續(xù)小于5m/s時(shí)，就可能出現(xiàn)很嚴(yán)重的空氣污染現(xiàn)象。

（3）風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)具有實(shí)時(shí)性，能很快發(fā)現(xiàn)風(fēng)向的變化特征，進(jìn)而判斷污染物的輸送途徑和擴(kuò)散方向，對(duì)開展灰霾天氣短時(shí)預(yù)報(bào)有幫助。

（4）在風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度剖面圖上，可以清楚地看出某地區(qū)在某時(shí)刻是否存在明顯的上升氣流，當(dāng)上升氣流明顯時(shí)，會(huì)使近地面容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成小尺度局地環(huán)流形勢(shì)，易造成大氣污染物的集聚，容易出現(xiàn)灰霾天氣。

[1] 侯武威,袁安民,趙穎輝.風(fēng)廓線雷達(dá)中頻數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真, 2013, 30(3): 26-29.

[2] 王開燕,朱建軍,張振清，等.風(fēng)廓線雷達(dá)資料在灰霾預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2012,35(1):164-167.

[3] 江斌,張?zhí)K,肖艷嬌，等.對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析與應(yīng)用[J].氣象與減災(zāi),2011,23(2):115-119.

[4] 魏文壽,王敏仲,何清，等.基于風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)的沙塵天氣監(jiān)測(cè)研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2012,14(10):51-56.

[5] 陳楠,胡明寶,孫磊，等.一次降雨過(guò)程風(fēng)廓線雷達(dá)回波特征[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2012,28(5):19-24.

[6] 徐桂榮,崔春光,徐海富,等.宜昌冬季兩次降水過(guò)程大氣邊界層的觀測(cè)分析[J].暴雨災(zāi)害,2008,27(4):48-54.

漳州市科技局科研項(xiàng)目（zz2016j12）。