2012 年北京MST 雷達（香河站）大氣水平風場數(shù)據(jù)集

田玉芳，陳澤，呂達仁

1. 中國科學院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點實驗室（LAGEO），北京 100029

2. 中國科學院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測試驗站，河北香河 065400

3. 中國科學院大學，北京 100049

引 言

大氣風場是表征大氣平均運動狀態(tài)的重要參量。尤其高時間分辨率的大氣風場廓線數(shù)據(jù)可揭示大氣動力特征及變化，提高數(shù)值天氣預(yù)報準確性，在研究天氣系統(tǒng)生消演變、污染物傳輸、大氣波動特征以及大氣上下層之間的動力耦合等方面均有重要作用。

可獲取大氣風場垂直分布的探測手段主要有無線電探空、激光雷達、流星雷達、中頻雷達以及各類大氣探測雷達，如MST（Mesosphere Stratosphere and Troposphere）雷達、ST（Stratosphere and Troposphere）雷達以及風廓線雷達等。各類大氣探測雷達探測原理相似，采用的無線電波長不同，適用于不同高度大氣層的探測。功能強大的MST 雷達工作在甚高頻（VHF）頻段，可對對流層-下平流層以及中間層-低熱層大氣風場進行高時空分辨率的全天時探測。

自1974 年國際第一部MST 雷達建成以來[1]，MST 雷達技術(shù)在大氣風場探測，大氣動力特征與過程研究中發(fā)揮了非常重要的作用。由于MST 雷達占地面積大，建設(shè)與運行費用高，目前國際上在運行的MST 雷達數(shù)量有限，包括PANSY、MAARSY、MU radar、EAR、Gadanki MST radar、UK NERC MST radar 等。我國于1980 年代中期研制成功第一部VHF-ST 雷達，可對對流層-下平流層大氣風場、湍流等進行探測。自1993 開始陸續(xù)獲取了多種探測結(jié)果[2-4]。近年來我國雷達技術(shù)得到迅速發(fā)展，在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項目的支持下，北京MST 雷達與武漢MST 雷達于2011年成功建設(shè)，代表我國在MST 雷達探測方面技術(shù)的發(fā)展，同時也為大氣動力特征與過程研究及相關(guān)應(yīng)用等提供寶貴的數(shù)據(jù)。

北京MST 雷達由中國科學院大氣物理研究所建設(shè)，位于中國科學院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測試驗站（39.75°N, 116.96°E）。觀測站始建于1973 年，為適應(yīng)大氣物理科學研究與應(yīng)用發(fā)展的需求而建立，對大氣物理、化學、動力等多要素開展綜合觀測，也是中國科學院日地空間環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)站之一。

北京MST 雷達占地10 000 m2，天線陣由576 個三單元八木天線組成。雷達工作頻率為50 MHz±1 MHz，有低、中、高3 種探測模式，本數(shù)據(jù)集包含2012 年中模式探測的3-25 km 高度范圍內(nèi)水平風速、風向數(shù)據(jù)，探測時間間隔為30 分鐘，雷達具體的參數(shù)詳見Tian 和Lu[5]。國內(nèi)學者應(yīng)用北京MST 雷達數(shù)據(jù)已開展了大氣風場、波動、對流層頂高度等方面的研究[5-11]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 雷達探測原理

MST 雷達應(yīng)用相控陣以及數(shù)字波束合成技術(shù)，依次發(fā)射東西南北垂直5 個波束，當雷達發(fā)射的電磁波遇到大氣折射指數(shù)不規(guī)則體（湍流活動導(dǎo)致大氣溫度、濕度等的脈動使得大氣折射指數(shù)發(fā)生變化）產(chǎn)生湍流散射，散射氣團隨風移動，通過接收各波束的散射回波來合成得到大氣風場信息。此外，MST 雷達的回波機制還包括鏡面反射和熱散射，分別主要在對流層頂區(qū)以及中間層-低熱層起作用[12]。北京MST 雷達天線陣及雷達探測原理示意圖見圖1。

圖1 北京MST 雷達天線陣及探測原理示意圖[13]

1.2 信號處理

大氣回波信號由雷達天線接收經(jīng)饋線傳輸至收發(fā)組件接收端，經(jīng)濾波放大后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，再由數(shù)字波束合成分系統(tǒng)進行波束合成，經(jīng)信號處理機進行脈沖壓縮、時域積累（相干積累）、去偏移濾波、加窗處理、快速傅里葉變換（FFT）譜分析、雜波抑制、頻域積累（譜平均）最后得到功率譜密度數(shù)據(jù)，供下一步進行數(shù)據(jù)處理，得到大氣參數(shù)信息。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程通過對功率譜密度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、噪聲電平估算、目標回波識別、譜矩估算，將各波束得到的徑向速度進行合成來得到大氣風場數(shù)據(jù)。圖2 為雷達數(shù)據(jù)處理過程流程圖，相關(guān)處理步驟如下：

圖2 MST 雷達數(shù)據(jù)處理流程圖

（1）預(yù)處理

在處理功率譜密度數(shù)據(jù)之前，先進行零頻去直流以及三點平滑處理。由于地雜波等影響，雷達功率譜密度圖中零頻處會出現(xiàn)異常高值，取零頻左右各兩點的功率譜密度均值代替零頻原有值，之后再對功率譜密度數(shù)據(jù)進行三點平滑處理，可部分消除地雜波、脈沖噪聲的影響，提高信噪比與譜峰識別能力。圖3 給出2012 年1 月4 日01:40（世界時）北京MST 雷達西波束探測12 km 高度處原始及經(jīng)過預(yù)處理后的功率譜密度圖。

圖3 北京MST 雷達一次探測原始及經(jīng)過預(yù)處理后的功率譜密度圖

（2）噪聲電平估算

采用分段平均法來快速估算噪聲電平值。該方法基于噪聲服從自由度為2N/k的χ2分布的假設(shè)，將某個距離庫上FFT 點數(shù)為N 的功率譜密度數(shù)據(jù)分為k 段，計算每一段的均值，將最小均值作為該距離庫的噪聲電平值，實際使用時通常選取k=8[14]。圖3 在功率譜密度圖中給出了應(yīng)用分段平均法（八段）處理得到的噪聲電平值，信號在該值之上。這種方法算法復(fù)雜度低，計算速度快，易于實現(xiàn)。

（3）目標回波識別

MST雷達的探測目標為大氣折射指數(shù)不規(guī)則體，也即大氣湍渦。其作為大氣風場探測的示蹤物，由于大氣風場具有時空連續(xù)性，使得MST 雷達可以探測到這種時空連續(xù)性的特征。MST 雷達的回波功率譜密度滿足高斯分布特征，目標信號在功率譜密度圖中為功率最大、峰值最大、譜寬最大的峰區(qū)。

找出每一個距離庫功率譜密度數(shù)據(jù)中的所有信號，即高于噪聲電平的數(shù)據(jù)段。計算各信號段頻移點上的功率譜數(shù)據(jù)之和，該值最大者被認為是準目標回波。再基于目標信號的時空連續(xù)性（上下距離庫及相鄰時次，目標回波對應(yīng)的中心頻移變化是連續(xù)的）以及對稱波束目標回波中心頻移對稱性（南北波束、東西波束在假設(shè)大氣水平風場均勻時，對稱波束在同高度距離庫上所測得的徑向速度具有對稱性）來確定目標回波。圖4 為2012 年1 月4 日01:40（世界時）北京MST 雷達東西、南北波束分別在4 個距離庫高度的功率譜密度圖及目標回波識別結(jié)果，可見通過以上方法可排除干擾信號，確定目標回波。

圖4 北京MST 雷達東西、南北波束功率譜密度圖及目標回波識別結(jié)果（加粗曲線）

（4）譜矩估算

對于每個波束、每個距離庫的功率譜數(shù)據(jù)，計算信號功率譜的0 階矩、一階矩和二階矩，計算公式如下[15]：

零階距，即目標回波功率，對目標回波部分的功率譜密度Si積分：

其中，M0是目標回波功率，N為目標回波的總FFT 點數(shù)，Si是第i個點的功率譜密度。

一階矩，即多普勒頻移:

其中fi為第i個點的頻率。

二階中心矩，即多普勒頻移譜寬:

多普勒頻移f與多普勒速度vr存在以下關(guān)系：

其中λ為雷達波長。

因此可以將多普勒頻移與多普勒頻移譜寬換算成多普勒速度與速度譜寬。

某距離庫的最大多普勒速度為：

其中，M為相干積累數(shù)，fr為脈沖重復(fù)頻率。

（5）風場合成

對于五波束探測的MST 雷達，根據(jù)徑向速度計算出水平風的經(jīng)向與緯向分量，再進行合成，具體計算公式如下所示：

其中，Vri是指第i波束的徑向速度，E/S/W/N/Z分別指東、南、西、北與垂直波束。θ為斜波束的天頂角，u、v與ω分別是緯向風、經(jīng)向風與垂直速度。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)布

北京MST 雷達探測數(shù)據(jù)生成后實時傳輸?shù)阶游绻こ虜?shù)據(jù)中心進行發(fā)布。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

數(shù)據(jù)集為MST 雷達中模式探測的實時采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件由文件頭和數(shù)據(jù)項組成。第一行為文件頭，依次為觀測的年、月、日、小時、分鐘、臺站代碼以及設(shè)備號。第二行開始為數(shù)據(jù)項。數(shù)據(jù)項按照高度先后順序，由每個高度的觀測值連續(xù)排列組成，觀測值包含高度、水平風向、水平風速、垂直速度以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2這5 個變量。本文只介紹水平風速與水平風向數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)樣例如圖5 所示，文件名為“XHT_MST01_DWM_L21_STP_20120201001010.dat”，數(shù)據(jù)項目格式如表1 所示。圖6 給出了數(shù)據(jù)廓線樣例圖。

圖5 北京MST 雷達中模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)樣例

表1 北京MST 雷達中模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)項格式

圖6 北京MST 雷達201203082310 探測的水平風向、風速廓線圖

圖7 MST 雷達與探空測得的水平風速ws, 水平風向wd, 緯向風u 和經(jīng)向風v 在各高度上季節(jié)、年平均的相關(guān)系數(shù)、差值以及差值的標準差廓線圖[5]

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

由于MST 雷達的探測目標主要是大氣湍渦，回波信號弱，易受到雜波干擾。在經(jīng)過信號處理、數(shù)據(jù)處理之后，仍然會出現(xiàn)個別異常值點。因此在使用數(shù)據(jù)之前，需要做質(zhì)量控制?？刹捎? 倍標準差準則來剔除異常值點，保證風場數(shù)據(jù)的時空連續(xù)性。對于MST 雷達探測的每條廓線，先做5 點中心平均，將得到的廓線作為參考廓線，計算原始廓線與參考廓線的差值。如果差值在Av±3σ（Av和σ分別為差值數(shù)據(jù)的平均值以及標準差）范圍之外，則其對應(yīng)的點被識別為異常值而去掉[5]。

Tian 和Lu[5]將北京MST 雷達2012 年全年3-25 km 水平風速、風向與北京探空數(shù)據(jù)做比對分析，共427 組對比廓線，15 210 組對比點。廓線個例對比結(jié)果顯示二者有很好的一致性。進一步的統(tǒng)計結(jié)果表明水平風速、風向的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.92，平均差值分別為-0.44 m/s、0.77°，平均絕對差值分別為2.51 m/s、12.02°，均方根誤差分別為2.28 m/s 與21.78°，相對偏差分別為7%與2%。圖7 給出MST 雷達與探空測得的水平風速、風向、緯向風、經(jīng)向風在各高度上季節(jié)、年平均的相關(guān)系數(shù)、差值以及差值的標準差分布廓線圖[5]。全年平均來看，各高度上水平風速平均差值在-2～2 m/s之間。表明MST 雷達與探空探測的水平風有很好的一致性，MST 雷達數(shù)據(jù)可靠。

MST 雷達系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)射功率大，且全天時連續(xù)工作。為了保證雷達可長期運行，在雷達運行初期間歇性停機調(diào)整雷達狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)非完全連續(xù)。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可以用來開展對流層-下平流層大氣動力特征與過程等方面的研究。

本數(shù)據(jù)集是雷達觀測的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使用前建議根據(jù)研究、應(yīng)用需求做質(zhì)量控制剔除異常值點。由于雷達發(fā)射功率所限，18 km 以上數(shù)據(jù)獲取率與可靠性下降，建議使用時需謹慎。對數(shù)據(jù)連續(xù)性有要求時，需先查看雷達數(shù)據(jù)獲取的時間信息。

致 謝

本數(shù)據(jù)得到了國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項目資助，并得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家空間科學數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。感謝中國科學院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測試驗站工作人員等對北京MST 雷達運維所做的工作。

數(shù)據(jù)作者分工職責

田玉芳（1989—），女，山西朔州人，博士，博士后，研究方向為全大氣層（邊界層、對流層-平流層、中間層-低熱層）動力特征、過程及大氣層之間垂直耦合研究。主要應(yīng)用大氣雷達如MST 雷達、ST雷達、風廓線雷達等開展研究。主要承擔工作：數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗。

陳澤（1993—），男，湖北大冶人，碩士，研究方向為基于MST 雷達的中層大氣特征與過程研究。主要承擔工作為：數(shù)據(jù)處理。

呂達仁（1940—），男，江蘇常熟人，碩士，研究員，研究方向為大氣物理、地球大氣系統(tǒng)遙感原理與技術(shù)研究、日地物理及地球系統(tǒng)過程研究等。主要承擔工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗。