RASS反演大氣虛溫的誤差及修正研究*

， ，

(1.軍代局氣象水文軍代室， 北京 100081；2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系， 遼寧大連 116018；3.大連市氣象局， 遼寧大連 116018)

0 引言

無線電-聲探測(cè)技術(shù)是伴隨風(fēng)廓線雷達(dá)廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的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情況，進(jìn)而可反映出大氣溫度廓線狀況?？赏卣癸L(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)功能。該系統(tǒng)自1986年開始使用已有30多年的歷史了，May等[1]、Tsuda等[2]先后利用RASS獲取高分辨率大氣虛溫廓線。近年來，國內(nèi)也廣泛裝備了風(fēng)廓線雷達(dá)，有不少關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用的研究[3-7]，但是配備RASS系統(tǒng)的風(fēng)廓線雷達(dá)較少，相關(guān)研究也不多見[8-9]。鑒于此，本文根據(jù)收集到的RASS虛溫?cái)?shù)據(jù)和相應(yīng)的探空數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比研究，得出RASS反演虛溫的誤差，分析其產(chǎn)生原因，提出誤差修正的方法。

1 RASS反演大氣虛溫廓線的原理

聲波是縱波，它使周圍的空氣密度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其所經(jīng)區(qū)域的大氣折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)微波雷達(dá)發(fā)射的電磁波到達(dá)這些區(qū)域時(shí)，能產(chǎn)生后向散射，然后微波雷達(dá)接收后向散射的能量。當(dāng)這些折射率變化擾動(dòng)以當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐穆曀傧蛏蟼鞑r(shí)，微波雷達(dá)就可以測(cè)量出不同高度處聲波傳播的速度，再根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系可以得到虛溫。RASS反演大氣溫度的原理如圖1所示。

聲波的速度與大氣的虛溫存在密切的關(guān)系，可用如下表達(dá)式表示：

(1)

(2)

式中，γ為比熱容比，γ=1.4，R為摩爾氣體常數(shù)，在此R=8 317，M為空氣分子量，M=29。所以，虛溫與聲速的關(guān)系[10]可寫為

(3)

這就是虛溫與聲速之間的關(guān)系，也是RASS反演虛溫的理論依據(jù)。

2 RASS反演溫度廓線與探空資料的對(duì)比分析

2.1 研究數(shù)據(jù)

RASS系統(tǒng)探測(cè)大氣溫度廓線的本質(zhì)是反演虛溫，通常虛溫與氣溫比較接近，在高空探測(cè)中可近似用虛溫來代替氣溫。而無線電探空儀探測(cè)的是氣溫，為了精確比較，需要將探空儀的氣溫?fù)Q算成虛溫。

本文采用大連市氣象臺(tái)觀測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)探空數(shù)據(jù)作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，時(shí)間為每日的08：00，20：00，該測(cè)場(chǎng)距離風(fēng)廓線雷達(dá)與RASS系統(tǒng)距離約30 km。測(cè)量虛溫的RASS設(shè)備是CFL-16對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的一部分。通過收集處理無線電探空儀測(cè)量的溫度、濕度資料，與同時(shí)間臨近區(qū)域風(fēng)廓線雷達(dá)和RASS系統(tǒng)測(cè)量的虛溫作比對(duì)分析，從而得到虛溫測(cè)量的誤差。

RASS系統(tǒng)測(cè)量虛溫的時(shí)間與探空數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間最長相差2 h，RASS系統(tǒng)與探空站點(diǎn)直線距離相距30 km?？紤]大氣在局地、短時(shí)間內(nèi)是均一、穩(wěn)定的，可以認(rèn)為兩地的大氣狀況近似相同。

分析的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取RASS與探空儀均有數(shù)據(jù)的時(shí)刻，時(shí)間從2014年5月22日—2015年6月12日，共16個(gè)時(shí)次。RASS系統(tǒng)站點(diǎn)海拔70.8 m，第一組數(shù)據(jù)的高度距地面150 m，1 050 m以下數(shù)據(jù)垂直間隔75 m，1 050 m以上數(shù)據(jù)垂直間隔150 m，高度測(cè)量范圍為地面到3 500 m高度。探空站點(diǎn)海拔高度為90 m，數(shù)據(jù)垂直間隔在10～15 m之間。由于探空資料垂直分辨率高，將探空數(shù)據(jù)測(cè)量值插值到與RASS系統(tǒng)相同測(cè)量高度上。

2.2 兩種數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

將RASS探測(cè)數(shù)據(jù)和探空儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)共16組進(jìn)行比對(duì)分析，可得到其誤差特征。圖2為16組RASS與探空儀測(cè)量的虛溫對(duì)比情況，圖2(a)橫坐標(biāo)為RASS測(cè)量的虛溫，縱坐標(biāo)為由探空儀測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出的虛溫，可見整體上二者一致性較好，但仍然存在一定誤差。下面具體分析一下誤差情況。

如果視探空儀計(jì)算的虛溫為正確值，用RASS測(cè)量的虛溫減去探空儀的虛溫得到虛溫測(cè)量誤差，如圖2(b)所示。綜合圖2(a)和圖2(b)可見，RASS測(cè)量的虛溫誤差隨著高度的增加，有先降低再增大然后再降低的特征。還可以從具體數(shù)值中反映出來。

數(shù)據(jù)的起始高度為220.8 m(站點(diǎn)海拔70.8 m，第一組數(shù)據(jù)的高度為150 m)，該高度的誤差均值為0.55℃，295.8 m處的誤差均值為0.13℃，而在1 720.8 m處的誤差均值為1.04℃，3 220.8 m處的誤差均值為0.26℃。誤差散布情況是：在低高度處散布最大，在445.8 m處達(dá)到最小，此后又逐漸增加，到1 870.8 m處散布達(dá)到最大，而后又隨高度的增加而減小。誤差隨高度的分布受風(fēng)場(chǎng)、濕度等因素的影響，下面結(jié)合其他要素的探空數(shù)據(jù)分析RASS虛溫探測(cè)產(chǎn)生的原因。

3 影響RASS虛溫反演的因素

RASS的探測(cè)性能主要受到聲波衰減、大氣風(fēng)場(chǎng)、湍流、大氣溫度、濕度等因素的影響。為滿足Bragg條件，雷達(dá)頻率越高要求聲頻越高。而聲頻越高聲衰減(指大氣吸收和大氣散射)就越大，并近似與聲頻的平方成正比[1]。

聲波衰減會(huì)造成RASS的信噪比劇烈下降，這是溫度探測(cè)高度受限的最主要因素。在此擬采用統(tǒng)計(jì)對(duì)比的方法分析風(fēng)場(chǎng)、大氣溫度、濕度、湍流對(duì)測(cè)量精度的影響，對(duì)比數(shù)據(jù)采用較近距離同步(或近似同步)無線電探空數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析在不同大氣環(huán)境下誤差的大小，進(jìn)而探討利用地面溫濕數(shù)據(jù)降低誤差的方法。

3.1 風(fēng)場(chǎng)的影響

風(fēng)場(chǎng)對(duì)RASS測(cè)量虛溫[11]的表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是降低信噪比，導(dǎo)致信號(hào)提取困難；二是垂直運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致聲速測(cè)量出現(xiàn)誤差，進(jìn)而影響虛溫的計(jì)算。

大氣三維風(fēng)場(chǎng)對(duì)RASS信噪比的影響可以表現(xiàn)在：

1) 使聲波的球面波前不再與電磁波的球面波前相互平行，可稱之為“偏饋式效應(yīng)”；

2) 使聲波束在某些高度處不能完全囊括雷達(dá)波束，可稱之為“錯(cuò)位式效應(yīng)”。

上述兩種效應(yīng)總的后果是使所測(cè)溫度既有可能偏高，也有可能偏低(可稱之為“譜重心偏移”)以及譜展寬。

風(fēng)場(chǎng)的具體影響包括風(fēng)速過大、風(fēng)的垂直切變和垂直運(yùn)動(dòng)的影響。

風(fēng)速越大或風(fēng)速垂直切變?cè)酱?，?duì)測(cè)溫的影響就越大，甚至使信噪比降低到無法提取有效信號(hào)的程度，導(dǎo)致虛溫的缺測(cè)。例如探空儀與RASS和風(fēng)廓線系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)共比對(duì)16次，每次測(cè)量數(shù)據(jù)共27層，數(shù)據(jù)垂直間隔為75 m，頂部數(shù)據(jù) (3 370.8 m)共缺失了12次，如表1所示。

表1 各高度層有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)缺失的原因主要為風(fēng)速較大，通常風(fēng)速超過約10 m/s時(shí)，會(huì)存在虛溫?cái)?shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。例如2015年6月12日19：31的測(cè)量情況，從1 870.8 m高度開始數(shù)據(jù)全部缺測(cè)，1 870.8 m高度處水平風(fēng)速為9.9 m/s，隨著高度的升高水平風(fēng)速逐漸增大，在3 070.8 m處水平風(fēng)速達(dá)到最大，為17.35 m/s。

風(fēng)速的垂直切變是另一種對(duì)虛溫測(cè)量有較大影響的因素，當(dāng)風(fēng)速垂直切變較大時(shí)，會(huì)影響信噪比的測(cè)量，從而增大測(cè)量誤差，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺測(cè)。例如該時(shí)次由于底層的水平風(fēng)速垂直切變大，導(dǎo)致信噪比顯著降低，從而導(dǎo)致最下面兩層數(shù)據(jù)缺失。如圖3所示，220.8 m與295.8 m處風(fēng)的水平分量和垂直分量變化均較大，所以該兩處的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)也偏少。此外，風(fēng)的垂直分量，即垂直運(yùn)動(dòng)可與聲波疊加，能直接改變聲傳播的速度，這也是風(fēng)的影響因素之一，也是目前唯一能夠修正的因素。

3.2 大氣濕度的影響

由于RASS測(cè)量虛溫需要依靠大氣對(duì)電磁波的后向散射，當(dāng)大氣濕度變化劇烈時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大氣折射率變化劇烈，從而使電磁波的后向散射變換劇烈，從而導(dǎo)致信噪比變化明顯，而導(dǎo)致信號(hào)測(cè)量出現(xiàn)較大誤差，甚至出現(xiàn)缺測(cè)的情況。例如2014年8月20日09：12，相對(duì)濕度從121 m處的69%(絕對(duì)水氣壓20.9 hPa)下降到193 m處的54%(絕對(duì)水氣壓17.0 hPa)，從而導(dǎo)致220.8 m和295.8 m兩層數(shù)據(jù)缺測(cè)。濕度垂直梯度的改變對(duì)虛溫測(cè)量的影響需要做進(jìn)一步的觀察分析工作。

此外，濕度的改變會(huì)使聲速發(fā)生改變，將聲速視為相對(duì)濕度的函數(shù)，在濕空氣的速度與干空氣的速度比值設(shè)為R，當(dāng)相對(duì)濕度從0%升到15%，R從1降到0.999 4，當(dāng)相對(duì)濕度從15%升到100%，R從0.999 4升到1.003 3，從而導(dǎo)致虛溫測(cè)量出現(xiàn)誤差[3]。

3.3 地面等因素的影響

另外，在靠近地面，會(huì)存在地雜波的影響，從而影響到信噪比，進(jìn)而影響信號(hào)的測(cè)量，因此，在最下面兩層的數(shù)據(jù)可靠性較差，如圖4所示，220.8 m處的高度誤差為0.55、標(biāo)準(zhǔn)差為2.24，295.8 m處的高度誤差為0.13、標(biāo)準(zhǔn)差為1.494。地雜波的成因及其影響是極其復(fù)雜的，目前還無法描述其規(guī)律性。但根據(jù)相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境可推測(cè)誤差的主要原因是近地面噪聲對(duì)RASS的聲波傳播的干擾所造成的。

4 RASS測(cè)量虛溫的修正

由前面的誤差分析可知，影響RASS虛溫測(cè)量的因素主要有風(fēng)、大氣濕度和地面干擾等，風(fēng)的影響又包括水平風(fēng)速過大、風(fēng)的垂直切變和垂直運(yùn)動(dòng)。大氣濕度和地面干擾的影響機(jī)理過于復(fù)雜，目前還沒有有效的方法去除，風(fēng)的影響中水平風(fēng)速過大和風(fēng)的垂直切變難以改變，對(duì)聲速的影響較為復(fù)雜，所以目前最簡單的方法是利用垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差修正。其具體方法如下：

首先，利用測(cè)量的Tv計(jì)算出聲速，然后再利用下式修正虛溫：

(4)

式中，w為垂直風(fēng)速，單位為m/s，可由風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)量，其符號(hào)向上為負(fù)，向下為正。由于聲源向外傳播，所以，ca的符號(hào)為負(fù)。

按照上述方法對(duì)16組數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，取平均值，結(jié)果如圖5所示，圖5(a)中“*”表示修正前的虛溫誤差，“+”表示修正后的虛溫誤差，可見，修正后誤差較小，修正前誤差均值為0.435 6，修正后誤差均值為0.378，而且，修正后誤差的散布也較小，修正前誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.672 8，修正后誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.515 9，可見修正后誤差減小，圖5(b)為風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)量的垂直運(yùn)動(dòng)速度。

5 結(jié)束語

通過對(duì)16組RASS虛溫?cái)?shù)據(jù)和探空儀經(jīng)氣溫?fù)Q算的虛溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其誤差及成因，并進(jìn)行了修正研究，結(jié)果表明：

1) RASS探測(cè)數(shù)據(jù)和探空儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體上二者一致性較好；

2) RASS測(cè)量的虛溫誤差隨著高度有先降低再增大然后再降低的特征；

3) 風(fēng)場(chǎng)對(duì)RASS探測(cè)虛溫有很大的影響,主要包括水平風(fēng)速過大、風(fēng)速垂直切變和垂直運(yùn)動(dòng)；

4) 濕度、地雜波等因素同樣會(huì)對(duì)RASS測(cè)量虛溫產(chǎn)生較大影響，但是其影響機(jī)理復(fù)雜，目前還無法明確描述;5) 利用垂直運(yùn)動(dòng)速度修正虛溫公式可在一定程度上減小誤差。