風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)新型應(yīng)用研究進(jìn)展

郭建平 劉博銘 郭曉冉 張穎

（1 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430019；3 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

大氣風(fēng)廓線觀測(cè)資料對(duì)于更好地理解頻繁的極端降水事件、加劇的晴空湍流、復(fù)雜的氣溶膠-云-降水相互作用和大氣污染事件成因等至關(guān)重要。同時(shí)，對(duì)于近地表邊界層內(nèi)風(fēng)場(chǎng)，由于地球自轉(zhuǎn)和地表摩擦力，邊界層內(nèi)湍流主導(dǎo)整個(gè)邊界層內(nèi)的物質(zhì)和能量交換。此外，在大尺度動(dòng)力強(qiáng)迫和地面過(guò)程的影響下，風(fēng)速和風(fēng)向會(huì)發(fā)生巨大變化，這對(duì)模型準(zhǔn)確地模擬或預(yù)報(bào)風(fēng)的變化提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展全天候的大氣風(fēng)場(chǎng)立體探測(cè)技術(shù)，對(duì)我國(guó)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)研究，災(zāi)害性天氣和大氣污染監(jiān)測(cè)、防治與預(yù)警預(yù)報(bào)工作等具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有的大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)手段主要包括：衛(wèi)星和地基遙感監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感方式可以獲取大尺度的全球大氣風(fēng)場(chǎng)變化，如歐空局的Aeolus衛(wèi)星等；而地面監(jiān)測(cè)，如風(fēng)廓線雷達(dá)和探空氣球等，則可以得到該站點(diǎn)高精度的大氣風(fēng)廓線。但隨著研究的深入，在提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型精度以及滿足大氣污染防治工作需求的大背景下，亟需獲取高精度、高時(shí)空分辨率的區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)信息。而衛(wèi)星風(fēng)廓線產(chǎn)品的時(shí)間分辨率較粗，單站點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)的空間覆蓋不大，均無(wú)法滿足這一需求。因此，發(fā)展具有高精度和高時(shí)空分辨率的區(qū)域組網(wǎng)大氣風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)手段，是當(dāng)前大氣遙感科學(xué)發(fā)展的重要方向。

另外，對(duì)流層低層的垂直風(fēng)切變（反映大氣垂直混合的指標(biāo)之一）對(duì)空氣污染和對(duì)流觸發(fā)影響顯著，然而由于缺乏時(shí)間連續(xù)的觀測(cè)，過(guò)去的相關(guān)研究一般均基于再分析數(shù)據(jù)和模型模擬分析。近年來(lái)，針對(duì)大氣污染進(jìn)行的垂直風(fēng)切變觀測(cè)研究逐漸增加，其中大部分是基于多普勒激光雷達(dá)。然而多普勒激光雷達(dá)在極度清潔或多霧多云等大氣條件下提供高分辨率的垂直風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)的能力有限。風(fēng)廓線雷達(dá)（Radar Wind Profiler，RWP）探測(cè)技術(shù)利用大氣湍流多普勒效應(yīng)，理論上可提供秒級(jí)分辨率的垂直風(fēng)廓線、后向散射強(qiáng)度和回波信號(hào)頻散（譜寬）等觀測(cè)，且兼具晴空和云雨天（通過(guò)提高信噪比的方式實(shí)現(xiàn)）的大氣廓線和狀態(tài)觀測(cè)能力。自1970年代晴空測(cè)風(fēng)的首次應(yīng)用以來(lái)，通過(guò)逐步應(yīng)用于大氣廓線觀測(cè)等領(lǐng)域，證實(shí)了該技術(shù)應(yīng)用于全天候條件下風(fēng)廓線的強(qiáng)大觀測(cè)能力，并在美國(guó)科羅拉多州成功應(yīng)用于第一個(gè)區(qū)域性風(fēng)廓線雷達(dá)試驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò)的組建。目前，已發(fā)展成為較為成熟且應(yīng)用最為廣泛的地基遙感設(shè)備和技術(shù)之一。

為了更好地服務(wù)天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警，全球主要經(jīng)濟(jì)體和國(guó)家都已經(jīng)建設(shè)了風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)。我國(guó)于2008年開(kāi)始發(fā)展新一代L波段（1290 MHz）地基風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)，截止2020年底，該網(wǎng)絡(luò)已布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)134部。風(fēng)廓線雷達(dá)良好的時(shí)空連續(xù)觀測(cè)能力為我們提供絕佳機(jī)會(huì)來(lái)量化風(fēng)矢量廓線、垂直風(fēng)切變以及湍流垂直結(jié)構(gòu)，通過(guò)資料同化手段，推動(dòng)其在天氣和大氣污染等的廣泛應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局率先開(kāi)始部署了風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（NPN），運(yùn)行頻率為404 MHz。緊隨其后，歐洲科學(xué)和技術(shù)框架合作組織建立了歐洲風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，提供歐洲垂直風(fēng)廓線的監(jiān)測(cè)。此外，日本氣象廳于2011年建立了覆蓋全日本的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)，結(jié)果表明風(fēng)資料對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有顯著的積極影響。2017年，澳大利亞氣象局完成了由19部風(fēng)廓線雷達(dá)組成的澳大利亞風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的安裝工作，產(chǎn)生足夠精確的風(fēng)數(shù)據(jù)，并納入全球數(shù)值天氣預(yù)測(cè)模型。需要強(qiáng)調(diào)的是，美國(guó)NPN在2017年停止業(yè)務(wù)運(yùn)行，可能由以下兩個(gè)原因所致：1）經(jīng)過(guò)20余年的連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行，風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備性能指標(biāo)下降；2）民用航空可提供高時(shí)空密度的溫度、氣壓和水平風(fēng)等氣象廓線觀測(cè)資料，且基本實(shí)現(xiàn)了與氣象部門(mén)的無(wú)縫共享（https://madis.ncep.noaa.gov/madis_npn.shtml，訪問(wèn)時(shí)間：2021年3月25日）。

上述風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)在包括空氣質(zhì)量和天氣預(yù)報(bào)等各領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用，大大拓展了人們對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)能力，展示了很好的應(yīng)用前景。因此，充分利用地基風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高時(shí)空分辨率的區(qū)域大氣風(fēng)場(chǎng)獲取，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文將簡(jiǎn)要介紹我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時(shí)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)的新型應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)

1.1 站點(diǎn)布設(shè)

我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)始于2008年，當(dāng)時(shí)一共布設(shè)了5部風(fēng)廓線雷達(dá)。截至2020年底，風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)量持續(xù)增加到134個(gè)。我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)儀器信息如表1所示，主要包含四種類(lèi)型的風(fēng)廓線雷達(dá)：高對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)、低對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)、增強(qiáng)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，主要來(lái)自中國(guó)航天科工集團(tuán)公司（China Aerospace Science and Industry Corporation Limited，CASIC）、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司（China Electronics Technology Group Corporation，CETC）和中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)公司（China Huayun Group，CHG）等生產(chǎn)廠家。大部分站點(diǎn)的雷達(dá)是L波段邊界層型，少數(shù)站點(diǎn)是在P波段工作的對(duì)流層型。風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行模式包括高、中、低探測(cè)模式，可以探測(cè)不同高度的風(fēng)場(chǎng)信息。高探測(cè)模式通常用于探測(cè)離地5～10 km高度的風(fēng)場(chǎng)。中低探測(cè)模式用于探測(cè)距離地面0～5 km高度的風(fēng)場(chǎng)。圖1顯示了我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)站點(diǎn)空間分布，可發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象：如京津冀地區(qū)、長(zhǎng)三角、珠三角和成都平原等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)往往更密集，而這些地區(qū)的氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，以及專(zhuān)業(yè)氣象服務(wù)能力也是比較強(qiáng)的，這可能與風(fēng)廓線雷達(dá)區(qū)域組網(wǎng)和相關(guān)資料、產(chǎn)品的高質(zhì)量應(yīng)用高度相關(guān)。

表 1 中國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)儀器信息

圖1 中國(guó)L波段（1290 MHz）風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的站點(diǎn)（黃色圓點(diǎn)）分布（a），以及中國(guó)氣象局風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收和產(chǎn)品處理框架（b）

1.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心負(fù)責(zé)收集和管理風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中從風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)到中國(guó)氣象局氣象大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸主要是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接完成的（圖1）。為了有效地處理風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，由專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和質(zhì)量控制，并生產(chǎn)兩種類(lèi)型的數(shù)據(jù)：原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。前者包括功率譜數(shù)據(jù)文件（以FFT表示）和徑向數(shù)據(jù)文件（以RAD表示）。功率譜數(shù)據(jù)文件由文件識(shí)別、臺(tái)站基本參數(shù)、性能參數(shù)、觀測(cè)參數(shù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)組成，它是根據(jù)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)生成的。徑向數(shù)據(jù)文件分為兩部分：一是參考信息，如臺(tái)站基本參數(shù)、雷達(dá)性能參數(shù)、觀測(cè)參數(shù)等；二是各采樣高度下各波束的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括采樣高度、速度譜寬、信噪比和徑向速度。產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要包括三種風(fēng)廓線產(chǎn)品：1）實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)文件，時(shí)間分辨率為6 min，主要包括采樣高度、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、水平可信度、垂直可信度、大氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)等。每6 min生成一個(gè)單獨(dú)的文件，并將其標(biāo)記為ROBS。2）半小時(shí)數(shù)據(jù)文件，時(shí)間分辨率是30 min，除每半小時(shí)生成48個(gè)文件外，與ROBS文件在數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式上基本一致，該文件被標(biāo)記為HOBS。3）小時(shí)數(shù)據(jù)文件，時(shí)間分辨率是1 h，每天24個(gè)文件，標(biāo)記為OOBS。這些風(fēng)廓線產(chǎn)品是由每個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)生成的，在大部分站點(diǎn)的垂直分辨率為120 m。然而，少數(shù)站點(diǎn)使用低層的探測(cè)模式，具有更高的垂直采樣率，可以提供60 m的垂直分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品。圖2表示北京大興站風(fēng)廓線雷達(dá)在2018年6月10日觀測(cè)到的水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速和信噪比高度-時(shí)間剖面圖。

圖2 2018年6月10日北京南郊觀象臺(tái)站風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的信噪比（a），水平風(fēng)速（b）和垂直風(fēng)速（c）高度-時(shí)間垂直剖面結(jié)果

2 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)新型應(yīng)用

2.1 區(qū)域風(fēng)場(chǎng)探測(cè)

對(duì)于沿海和風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)布設(shè)密集的地區(qū)，以北京地區(qū)為例（圖3），一共布設(shè)了7部L波段對(duì)流層型風(fēng)廓線雷達(dá)，上述站點(diǎn)同時(shí)還配備了毫米波云雷達(dá)，南郊觀象臺(tái)站點(diǎn)還配有L波段探空氣球觀測(cè)。通過(guò)區(qū)域組網(wǎng)聯(lián)合觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域大氣風(fēng)和云廓線，尤其是區(qū)域大氣垂直運(yùn)動(dòng)、輻合輻散等參數(shù)進(jìn)行高精度和高時(shí)效觀測(cè)。水平風(fēng)廓線觀測(cè)資料的累積，可以為區(qū)域風(fēng)力資源和發(fā)電潛力提供重要數(shù)據(jù)支撐；而不同高度上的水平風(fēng)隨高度的變化反映了風(fēng)切變信息，這些信息可為大氣污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警、對(duì)流天氣的觸發(fā)提供重要前期信號(hào)。

圖3 （a）北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)分布和（b）北京海淀站2018年12月1日—2019年2月28日0～1 km（紅色），1～2 km（綠色）和2～3 km（藍(lán)色）水平風(fēng)矢量廓線時(shí)間序列

2.2 大氣邊界層高度

大氣邊界層高度一定程度上影響了大氣環(huán)境容量，在對(duì)流邊界層條件下，邊界層高度與近地面非傳輸?shù)臍馊苣z質(zhì)量濃度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，即邊界層越高，氣溶膠濃度越低，反之亦然。邊界層與氣溶膠之間存在復(fù)雜的反饋過(guò)程，湍流、邊界層云、相對(duì)濕度、邊界層熱力穩(wěn)定度和復(fù)雜的大氣化學(xué)過(guò)程等均影響兩者關(guān)系。傳統(tǒng)的探空氣球和星載激光雷達(dá)（如：CALIPSO）觀測(cè)得到的邊界層高度時(shí)間上缺乏連續(xù)性，激光雷達(dá)觀測(cè)站網(wǎng)又缺乏足夠的空間覆蓋性。鑒于我國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)的高時(shí)空密度特點(diǎn)，亟需發(fā)展針對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的邊界層高度估算算法，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的邊界層高度產(chǎn)品。

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和氣象參數(shù)在邊界層的頂部具有明顯的特征。由于與夾卷過(guò)程有關(guān)的小規(guī)模浮力波動(dòng)，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在邊界層頂部處達(dá)到最大值。同時(shí)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與風(fēng)廓線雷達(dá)的信噪比成正比。在這個(gè)理論基礎(chǔ)上，可以通過(guò)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的上述相關(guān)大氣參數(shù)來(lái)反演大氣邊界層高度。

目前各國(guó)學(xué)者針對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)提出了一系列的邊界層高度反演算法。峰值法是最早的風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層高度反演算法之一，該方法通過(guò)查找信噪比廓線上的最大值處來(lái)確定邊界層高度。同時(shí)也有學(xué)者提出可以依靠查找大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線的最大值來(lái)反演邊界層高度。但是這類(lèi)方法容易受到大氣對(duì)流引起的嵌入結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生劇烈振蕩的結(jié)果。因此，相關(guān)學(xué)者提出模糊邏輯算法來(lái)克服多重最大值的影響，將峰值、梯度、多普勒頻譜寬度和垂直速度變化等一系列參數(shù)結(jié)合使用，以消除邊界層反演中雜波的影響。相關(guān)研究還表明：風(fēng)廓線獲取的垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差和沿地面風(fēng)向的水平動(dòng)量分量的垂直通量等變量的局部最小值或最大值位于邊界層的頂部，也可以用于反演邊界層高度。此外，還有學(xué)者提出可以基于邊界層內(nèi)外地轉(zhuǎn)風(fēng)的差異，基于湍流模型來(lái)反演邊界層高度。近年來(lái)，小波變換和閾值方法已被用于風(fēng)廓線雷達(dá)反演邊界層高度。Compton等采用小波協(xié)方差變換來(lái)反演邊界層高度。Singh等提出了基于固定閾值的方法（SNR=6 dB），從風(fēng)雷達(dá)信噪比廓線中反演邊界層高度。Liu等發(fā)展了改進(jìn)閾值算法，提出基于歸一化信噪比廓線反演邊界層高度，極大提升了算法應(yīng)用范圍。這些方法加深了從風(fēng)雷達(dá)反演邊界層高度的認(rèn)識(shí)。圖4展示了基于改進(jìn)閾值法反演得到的中國(guó)地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)邊界層高度初步產(chǎn)品?？梢钥吹?，相較于探空氣球只能得到部分時(shí)刻的邊界層高度結(jié)果，風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)可以更好地觀測(cè)全天時(shí)的邊界層高度演變。

2.3 垂直風(fēng)切變與PM2.5

圖4 基于全國(guó)風(fēng)廓線雷達(dá)借助改進(jìn)閾值法獲取的2018年12月27日13—16時(shí)的小時(shí)分辨率邊界層高度分布

眾所周知，垂直風(fēng)切變（vertical wind shear，VWS）能夠強(qiáng)烈影響邊界層中氣溶膠的垂直混合過(guò)程及其濃度變化。圖5為污染和清潔條件下VWS的垂直分布。主對(duì)角線（右上角到左下角）表示每一層的局地VWS，而填色表示任意兩個(gè)垂直高度間VWS值。注意，VWS分布不考慮切變方向。研究發(fā)現(xiàn)，在污染條件下VWS的量級(jí)要比清潔條件下小得多，表明邊界層中氣溶膠濃度較高時(shí)垂直混合較弱，從而又導(dǎo)致了地表PM的進(jìn)一步累積。普遍的，污染條件下的局地VWS為8.5 m·s·km，而清潔條件下的VWS高達(dá)11～12 m·s·km。圖6為污染和清潔條件下不同高度VWS與地表PM的相關(guān)分布，在兩種情況下，它在邊界層通常表現(xiàn)出明顯的差異（相反的符號(hào)）。特別是在污染條件下，從地表到2.5 km的高度的相關(guān)系數(shù)基本為正（圖6a），與圖5中觀測(cè)到的邊界層的弱VWS有利于氣溶膠的積累一致。而在清潔條件下，在幾乎整個(gè)低層大氣中，除了高度2.5 km以上之外，VWS與地表PM之間普遍存在負(fù)相關(guān)（圖6b）。VWS增加伴隨的氣溶膠垂直混合增強(qiáng)所導(dǎo)致的PM降低，則可以解釋清潔條件下觀測(cè)到的負(fù)相關(guān)。2.5 km以上高度的相關(guān)異?？赡芘c氣溶膠遠(yuǎn)距離傳輸相關(guān)，因?yàn)檫h(yuǎn)距離跨界傳輸?shù)母叨韧ǔ８哂?.5 km。

圖5 不同高度日間平均（08—18時(shí)）垂直風(fēng)切變（VWS）（a）污染條件；（b）清潔條件（基于北京2018年12月至2019年2月的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，X軸和Y軸分別代表VWS頂層與底層高度）

圖6 不同高度間的VWS與標(biāo)準(zhǔn)化PM2.5的相關(guān)系數(shù)分布（a）污染條件；（b）清潔條件（灰點(diǎn)表示統(tǒng)計(jì)顯著性超過(guò)90%，X軸和Y軸分別代表VWS頂層與底層高度）

2.4 大氣湍流探測(cè)

目前，北京地區(qū)區(qū)域尺度時(shí)空連續(xù)的邊界層結(jié)構(gòu)和湍流發(fā)展演變過(guò)程的觀測(cè)十分缺乏，尤其人們是對(duì)湍流－邊界層云相互作用機(jī)制仍不清楚。上述問(wèn)題一定程度上制約和影響著北京地區(qū)天氣預(yù)報(bào)模式邊界層參數(shù)化方案的改進(jìn)，對(duì)空氣污染精細(xì)預(yù)報(bào)而言也是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，已成為大氣邊界層領(lǐng)域亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，不同尺度環(huán)流可顯著改變邊界層結(jié)構(gòu)，單站的邊界層觀測(cè)已難以滿足揭示復(fù)雜下墊面區(qū)域尺度邊界層內(nèi)湍流過(guò)程及其演變規(guī)律。渦流耗散率可以從能量的角度揭示邊界層內(nèi)不同尺度渦流演變規(guī)律，是湍流研究中的關(guān)鍵參數(shù)。高時(shí)空分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)可實(shí)時(shí)獲取其多普勒譜寬數(shù)據(jù)，按照如下公式計(jì)算渦流耗散率（

ε

）：

圖7 基于北京海淀站的風(fēng)廓線雷達(dá)譜寬數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到的2019年7月12，14，23和31日的渦流耗散率廓線

湍流混合來(lái)源主要包括浮力、剪切和云輻射冷卻，這些來(lái)源呈現(xiàn)出很大的時(shí)空變異性。近年來(lái)的研究表明：后向衰減系數(shù)、垂直速度偏度、湍流動(dòng)能耗散率和垂直風(fēng)切變等參數(shù)可被用來(lái)識(shí)別大氣邊界層內(nèi)湍流來(lái)源。目前，相關(guān)方面的研究已經(jīng)基于多普勒激光雷達(dá)在不同地區(qū)迅速展開(kāi)。例如，在湍流混合來(lái)源量化方面，Huang等借助香港天氣臺(tái)King’s Park站點(diǎn)長(zhǎng)期高分辨率測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)，初步揭示了該站大氣邊界層內(nèi)精細(xì)的湍流結(jié)構(gòu)及其演變特征，并量化了浮力（地面加熱引起）、剪切和云輻射冷卻效應(yīng)對(duì)湍流的相對(duì)貢獻(xiàn)率（圖8）。這一研究為今后基于風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行相關(guān)研究提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)和重要參考。

圖8 浮力、剪切和云輻射冷卻效應(yīng)等三種不同湍流來(lái)源對(duì)香港King’s Park站云下層湍流貢獻(xiàn)率廓線[55]

2.5 大氣輻合輻散探測(cè)

動(dòng)力抬升信號(hào)在強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)和隨后的演變過(guò)程中起著十分重要的作用，而大氣水平輻合輻散正與垂直運(yùn)動(dòng)緊密聯(lián)系。Bellamy在1949年提出利用三個(gè)不共線站點(diǎn)上空的水平風(fēng)觀測(cè)計(jì)算其組成的三角形區(qū)域內(nèi)的水平散度。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)學(xué)者引進(jìn)了三角形法來(lái)計(jì)算我國(guó)各個(gè)探空站點(diǎn)間的渦度、散度等量，并提出了各種改進(jìn)方案。近年來(lái)風(fēng)廓線雷達(dá)在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛開(kāi)展建設(shè)，多地相繼建成站點(diǎn)密集、間距小的風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)，可提供更高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)三維風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)，是提高對(duì)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)的能力和短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式質(zhì)量的重要手段。劉夢(mèng)娟等將散度和渦度計(jì)算的三角形法應(yīng)用到上海地區(qū)風(fēng)廓線中尺度組網(wǎng)，即可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局地輻合輻散特征及其變化，進(jìn)而捕捉強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴的前期信號(hào)，為強(qiáng)降水精細(xì)預(yù)報(bào)提供參考。

以北京地區(qū)為例，利用位于北京主城區(qū)的6部風(fēng)廓線雷達(dá)，可構(gòu)建自西向東相鄰的4個(gè)三角形組成的中尺度網(wǎng)。根據(jù)某一三角形3個(gè)頂點(diǎn)測(cè)站位置的經(jīng)緯度(

λ, φ

) (

i

=1,2,3)和地球平均半徑

R

計(jì)算該三角形三邊的分量(Δ

x,

Δ

y

) (

i

=1,2,3)，結(jié)合某一高度處3個(gè)測(cè)站的水平風(fēng)數(shù)據(jù)(

u, v

) (

i

=1,2,3)計(jì)算該高度處此三角形內(nèi)的水平散度

D

和相對(duì)渦度

ζ

，計(jì)算公式如下：

將該算法遍歷三角形組網(wǎng)，可得每一個(gè)三角形上空任意高度處的水平散度和相對(duì)渦度數(shù)值，從而提供京津冀區(qū)域性的輻合、輻散實(shí)時(shí)產(chǎn)品。圖9為基于三角形法反演計(jì)算得到的2018年7月16日18：12北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)上空各高度層水平散度的空間分布。

圖9 基于三角形法反演計(jì)算得到的2018年7月16日18：12北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)上空各高度層水平散度的空間分布，紅色（藍(lán)色）陰影表示輻散（輻合）

根據(jù)地面自動(dòng)站觀測(cè)（圖10），2018年7月16日18時(shí)后北京中、西部出現(xiàn)強(qiáng)降水，部分站點(diǎn)最大小時(shí)雨量可達(dá)50 mm，對(duì)流觸發(fā)與其上空低層輻合、高層輻散的動(dòng)力抬升作用密不可分。由此可見(jiàn)，根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)提供的三維風(fēng)場(chǎng)反演輻合、輻散場(chǎng)，能夠分析強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)前大氣動(dòng)力條件的變化特征，精密捕捉中尺度組網(wǎng)內(nèi)的上升運(yùn)動(dòng)，為判斷中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供依據(jù)。

圖10 2018年7月16日17：30—20：00（時(shí)間分辨率為6 min）四個(gè)三角形上空0.5～8 km水平散度垂直廓線的時(shí)間序列（陰影，單位：×10-5 s-1）（紅色（藍(lán)色）陰影表示輻散（輻合），主次刻度之間間隔為50×10-5 s-1；黑色虛線表示0.5 km高度，未計(jì)算此高度以下的散度；帶實(shí)點(diǎn)的綠線表示每個(gè)三角形中的6 min累積面積平均降雨量）

3 結(jié)論

風(fēng)廓線雷達(dá)具有連續(xù)觀測(cè)、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)時(shí)提供水平風(fēng)風(fēng)向、水平風(fēng)風(fēng)速、垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等要素信息。利用風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)觀測(cè)，不僅可進(jìn)行區(qū)域三維風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，而且長(zhǎng)期風(fēng)廓線觀測(cè)資料的累積也可為區(qū)域風(fēng)力資源和發(fā)電潛力提供重要數(shù)據(jù)支撐。尤其是利用不同高度處的水平風(fēng)可反演出時(shí)空分辨率更高的散度、渦度、風(fēng)切變和垂直速度等大氣動(dòng)力參數(shù)，若結(jié)合探空觀測(cè)、靜止衛(wèi)星、多波長(zhǎng)多普勒天氣雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)、地面自動(dòng)站觀測(cè)等多源觀測(cè)資料，可捕捉對(duì)流觸發(fā)前大氣垂直動(dòng)力、熱力、水汽變化特征，為強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警和短期臨近預(yù)報(bào)提供重要參考。

在污染條件下垂直風(fēng)切變的量級(jí)要比清潔條件下小得多，表明邊界層中氣溶膠濃度較高時(shí)垂直混合較弱，由此可見(jiàn)，風(fēng)切變可顯著影響邊界層內(nèi)氣溶膠的垂直混合過(guò)程及其濃度變化，進(jìn)而應(yīng)用于大氣污染物成因分析與預(yù)測(cè)預(yù)警。此外，由于大氣邊界層與氣溶膠之間存在復(fù)雜的反饋過(guò)程，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)探空氣球一天兩次觀測(cè)難以捕捉大氣邊界層的日變化特征，借助高時(shí)間分辨率（6 min）風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間連續(xù)且全天候的大氣邊界層高度和垂直風(fēng)切變等關(guān)鍵參數(shù)的反演，進(jìn)而為大氣污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供參考。同時(shí)，基于風(fēng)廓線雷達(dá)多普勒譜寬數(shù)據(jù)可計(jì)算渦流耗散率，有助于探究區(qū)域尺度邊界層內(nèi)湍流混合特征和發(fā)展演變過(guò)程。若結(jié)合靜止氣象衛(wèi)星和云雷達(dá)觀測(cè)，可進(jìn)一步開(kāi)展邊界層云過(guò)程研究，重點(diǎn)探索弱天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下的晴空對(duì)流邊界層、積云/層積云覆蓋邊界層和中小尺度局地環(huán)流影響下的邊界層等三種不同邊界層內(nèi)湍流演變規(guī)律，進(jìn)而深化對(duì)區(qū)域大氣邊界層內(nèi)湍流-邊界層云相互作用機(jī)制的科學(xué)理解，為區(qū)域天氣氣候模式的大氣邊界層方案改進(jìn)提供重要科學(xué)依據(jù)。

由此可見(jiàn)，利用高時(shí)空分辨率的區(qū)域風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)資料一方面能夠更加精細(xì)地捕捉強(qiáng)對(duì)流天氣觸發(fā)前的大氣動(dòng)力信號(hào)，另一方面可以全天時(shí)全天候地監(jiān)測(cè)邊界層內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展變化，為大氣污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供參考。數(shù)值天氣實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模式，若能同化上述區(qū)域高分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)得到的熱動(dòng)力和邊界層結(jié)構(gòu)參數(shù)，可獲得較為精準(zhǔn)大氣分析場(chǎng)，有望提升短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)技巧。此外，上述新產(chǎn)品也有助于揭示復(fù)雜的邊界層氣溶膠-云-降水相互作用，且有望在航空安全、可再生能源、災(zāi)害天氣和氣候變化等科學(xué)研究和應(yīng)用中發(fā)揮重要的科技支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)作用?？紤]到在沙漠、海洋、極區(qū)、干旱半干旱及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)部署風(fēng)廓線雷達(dá)的困難和挑戰(zhàn)，如何發(fā)展基于星載的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演算法和同化技術(shù)也是有待我們繼續(xù)加強(qiáng)的領(lǐng)域?？紤]到目前還缺乏時(shí)間連續(xù)的大氣熱力廓線觀測(cè)，亟需大力發(fā)展我國(guó)微波輻射計(jì)組網(wǎng)或衛(wèi)星觀測(cè)，以彌補(bǔ)此類(lèi)觀測(cè)的不足。