風廓線雷達探測模式組合應用分析

毛文茜，肖 霞，張文煜，冒立鑫，王開強，王 琦

（1.甘肅農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學 大氣科學學院，半干旱氣候變化教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學院大氣物理研究所，北京 100029；4.鄭州大學 地球科學與技術學院，河南 鄭州 450001；5.甘肅省民樂縣氣象局，甘肅 民樂 734500；6.中國人民解放軍91103部隊，海南 三亞 572099）

引 言

風廓線雷達通過接收大氣折射率不均勻結構對電磁波造成的散射回波及多普勒頻移信息［1］，可以連續(xù)獲得大氣風場、湍流等要素［2-6］，同時可獲得降水云體的微觀特征［7-10］，是一種新型的高空氣象遙感探測設備。風廓線雷達定點獲取的資料時空分辨率較高，可以彌補常規(guī)探空資料中氣球漂移、每天觀測2～3 次的局限性，成為高空風等要素探測的重要手段，在數值天氣預報、災害性天氣監(jiān)測等方面具有重要應用價值［11-16］。

我國風廓線雷達最早開發(fā)于20世紀80年代，隨著研制技術的不斷成熟，投入業(yè)務使用的范圍日趨增大，可用于邊界層、對流層、平流層的探測［17-19］。這些不同的探測高度范圍可以由不同雷達探測模式的組合來實現。探測模式若采用短脈沖發(fā)射，能量較小，能夠到達的最大探測高度有限，但分辨率較高、起始探測高度較低，稱為低模式；若采用長脈沖發(fā)射，能量較大，能夠到達的最大探測高度較高，但分辨率較低、起始探測高度較高，稱為高模式［20］。從理論上來說，當高、低模式間存在探測高度范圍重合，則可以完整呈現定點上空的風廓線，保證低空較高分辨率的同時，還能獲得較高的探測高度。然而實際探測中發(fā)現，探測模式的不同組合，會影響風廓線雷達的探測性能，尤其在探測高度的重合或銜接區(qū)域［20］。CFL-03 風廓線雷達在福建采用3個探測模式的組合進行探測，各月均在2個轉換高度處出現不同程度的數據缺失［21］；CFL-06風廓線雷達采用的低、中、高組合探測模式在不同季節(jié)探測中均出現3.6 km 高度左右數據缺測比例較高的現象［22］；CLC-11-D 風廓線雷達在南京探測時，模式轉換高度區(qū)間上也出現數據缺失，且探測性能受季節(jié)影響［23］；TWP3 風廓線雷達在上海松江探測時，低、高模式銜接高度處探測性能降低，10—12月獲取的樣本數逐漸減少［24-25］；ST 風廓線雷達、CFL-03風廓線雷達分別在安徽淮南［26］、烏魯木齊［27］探測時，均存在模式銜接高度處探測性能降低現象。

對單部風廓線雷達來說，工作時高、低模式組合的選擇較多，但模式的不同組合，對雷達探測性能會產生多大改變？探測環(huán)境的變化對其性能影響程度如何？為實現不同的探測目的，應如何選擇合適的模式組合？因此，本文采用中國科學院大氣物理研究所淮南氣候環(huán)境綜合觀測試驗站（Huainan Climate and Environment Observatory，HCEO）的ST 風廓線雷達，進行為期3 a 的探測試驗，結合同期地面觀測數據，對獲取的雷達探測數據，根據不同模式的組合，探討雷達的探測性能，以期根據實際需求選擇適當的模式組合，為后續(xù)雷達技術的改進及資料信息的挖掘提供參考。

1 儀器、資料與方法

HCEO 站位于淮南市上窯國家森林公園西北側的山腰平臺上，周圍以山地丘陵為主，森林覆蓋率較大。該站設有ST 風廓線雷達，工作頻率為46.5 MHz，探測高度為30 km。該雷達分為室外、室內兩大部分，由天線系統、發(fā)射接收系統、信號處理系統、監(jiān)控定標系統以及終端5 個部分組成。其中雷達天線占地2500 m2，采用13×13 的相控陣進行排列，對12×12 的天線配有T/R（transmitter/receiver）組件（共144 個有源天線單元），用于完成電磁波的發(fā)射和接收（T/R 組件的發(fā)射功率和接受增益相同）。當雷達調整各陣列天線單元的相位時，可以使發(fā)射波束保持一定相位差，分別在東、西、南、北、中的轉向上實現4 個天頂角為0°～15°的傾斜波束和1 個垂直波束的探測。然后對雷達接收的大氣湍流散射回波信號進行A/D 轉換，通過相干積累、FFT 變換以及雜波抑制、譜對稱性判斷等數據處理算法，檢測出大氣返回的信號譜［20］。

ST 風廓線雷達的波長為6452 mm，發(fā)射功率為43.2 kW，采樣頻率為80 MHz，天線增益為27 dB。試驗期間，雷達正常工作時間占91.2%，可以穩(wěn)定運行，具備24 h 無人值守、連續(xù)正常工作的性能。表1是ST 風廓線雷達的系統參數，其中探測模式由低、高模式組成（低模式脈沖短，高度分辨率高，起始探測高度低，最大探測高度低；高模式脈沖長，高度分辨率低，起始探測高度高，最大探測高度高），對應低、高模式分別有兩種。Rah＝Dcosθ，其中，Rah（m）為實際高度分辨率、θ（°）為波束寬度、D（m）為距離庫長。

表1 ST風廓線雷達的系統參數Tab.1 Parameters of ST wind profile radar system

試驗以探測樣本超過980次為有效的探測模式組合進行統計，按照高、低模式及轉換高度，分為5個組合（表2）。其中，組合1 的低、高模式探測高度分辨率分別是141、1182 m，模式轉換高度在8457～9601 m 之間，探測時間為2014年9月25日至11月2日；組合2 與組合1 相同，其轉換高度在低模式上相差141 m，探測時間為2014年11月8日至12月24日?？紤]到兩者（組合1 和組合2）所占總樣本比率較小且探測時間相近，后續(xù)逐日數據獲取率分析中視為同類型組合。組合3 的低、高模式探測高度分辨率分別是297、1188 m，對應低模式35 層、高模式13 層探測高度，轉換高度在9952～10 843 m 之間，探測時間為2015年1月14日至2016年4月23日，樣本占整個試驗期間的44.10%。組合4 的低、高模式探測高度分辨率分別是290、580 m，模式轉換高度較低，在5940～6519 m 之間，探測時間為2016年4月24日至5月30日。組合5 的低、高模式探測高度分辨率分別為290、1160 m，轉換高度在5940～7099 m之間，對應低模式22 層、高模式17 層，探測時間為2016年6月1日至2017年6月30日，樣本占比為38.07%。上述不同模式的組合，主要是低、高模式及相應轉換高度的選取，取低模式臨近最大探測高度的高度和高模式的起始探測高度作為模式的轉換高度區(qū)，并通過試驗結果來調整轉換高度區(qū)間，進而達到較為穩(wěn)定的低、高模式及轉換高度。

表2 探測模式不同組合的統計結果Tab.2 Statistical results under different combinations of work models

2 結果分析

2.1 雷達不同模式組合的探測性能

通常，數據獲取率是反映風廓線雷達探測性能的一個重要指標。數據獲取率定義為：一定探測時間內，各高度層上由雷達輸出的探測數據樣本與總樣本的百分比［28］。利用2014年7月至2017年7月HCEO 站ST 風廓線雷達資料，分別統計不同模式組合的數據獲取率（圖1），分析各組合間探測性能的差異。可以看到，各探測高度上前4 個組合的探測性能與組合5區(qū)別較大，主要體現在高、低模式轉換高度上數據獲取率的變化，而組合1、2相近，與組合3 的變化規(guī)律相同，但與組合4 有差別。具體來說，組合1、2 均受到地物雜波影響，在500 m 高度以下探測性能較低，組合2 獲取率不足20%，遠低于組合1，但隨高度升高，數據獲取率迅速增大，約900 m 達到100%；當組合1的獲取率在5.0 km以上開始降低時，組合2的獲取率已降到80%以下，到轉換高度處組合1降為40%，組合2降為0%；模式轉換高度區(qū)間內，兩者探測性能迅速提高，獲取率急劇增大到減小前（低模式中）的數值；進入高模式探測后，隨高度升高探測性能逐漸降低，組合1 減小速度約為組合2 的一半，在19.0 km 左右降為70%；往上至20.0 km，雷達接收的散射回波微弱，組合2 基本達到雷達的探測極限。組合3 受地物雜波影響較小，8.0 km 以下（約占低模式探測高度的80%）探測性能較高，數據獲取率接近95%；8.5 km 以上至模式轉換高度處，探測性能降低到50%；經過轉換區(qū)間，其變化與組合1、2 類似，獲取率迅速增大到90%，表現出高模式的探測性能，20.0 km 處降為20%左右。對于組合4，低模式的探測性能最高，數據獲取率維持在95%以上；直到模式轉換區(qū)間，探測性能迅速降低，獲取率減小至65%；往上進入高模式探測，探測性能未能迅速達到較高水平，7.0～10.0 km 逐漸增大到80%后減小，在13.0 km 左右降為20%。對于組合5，在低模式探測范圍與組合4 相同，探測性能較高，但數據獲取率低于組合4；到模式轉換區(qū)間內，探測性能沒有明顯降低，獲取率仍大于90%；高模式探測，探測性能到10.0 km 以上開始減小，獲取率從90%逐漸降低，在15.0 km左右降為20%。

圖1 HCEO站ST風廓線雷達不同工作模式組合下的數據獲取率Fig.1 The data availability of ST wind profile radar under different combinations of work models at HCEO station

綜上所述，6.0 km 以下，雷達組合4 獲取數據的能力較高，每個高度層上獲取率接近100%，組合3 次之，獲取率接近95%；6.0 km 以上，組合5 獲取數據的穩(wěn)定性更高，獲取率在模式轉換高度范圍均未發(fā)生迅速變化；高模式探測范圍，組合1、3 獲取數據的高度更高，且獲取率隨高度減小的較慢。相比之下，邊界層及對流層低層的探測，雷達采用組合3、4 較好；對流層中高層，組合3、5 的探測能力較高；在對流層頂附近，組合5 有較穩(wěn)定的探測能力；組合1、3可以較好地獲取更高高度的風廓線數據。

2.2 探測環(huán)境對雷達探測性能的影響

將高模式探測范圍內，某高度上日數據獲取率不低于80%的樣本定義為有效樣本，考慮模式組合的最大探測高度，分別統計逐日數據獲取率（圖2）。圖2（a）是組合1、2 先后間隔6 d 探測的不同高度數據獲取率?？梢钥闯觯湍Ｊ街?，受地物雜波影響，高度1.0 km 以下，組合1 出現數據獲取率小于80%的情況，組合2 大部分時段小于30%；臨近高低模式轉換的高度范圍內，數據獲取率的變化隨時間逐漸增大，組合1 在9.6 km 以下間歇性出現低于30%的獲取率，影響高度約占低模式探測高度的28%，而組合2 在7.7～9.6 km 高度內形成連續(xù)小于30%的低值區(qū)，影響高度約占43%；高模式中，兩者最大探測高度隨時間逐漸降低，且組合2 在12月變率較大，無法清晰地界定最大探測高度。

圖2 HCEO站ST風廓線雷達探測模式組合1和組合2（a），組合4（b）、組合3（c）、組合5（d）不同高度數據獲取率的逐日變化（單位：%）Fig.2 The daily variations of data acquisition rate at different heights under combination 1 and 2 （a），4 （b），3 （c） and 5 （d） of work models from ST wind profile radar at HCEO station （Unit：%）

圖2（b）是組合4在不同高度的數據獲取率。低模式中，5月20日前后，1.8 km 高度以下持續(xù)約2 d數據獲取率介于50%～70%，其余時間段沒有明顯的低值區(qū)；高模式中，最大探測高度隨時間從9.0 km升高至11.0 km。

圖2（c）是組合3各高度的數據獲取率。可以看出，以9月初為界將該組合的數據獲取率分為兩段。前段，最大探測高度較高，可達18.0 km，臨近模式轉換高度范圍內，數據缺失較少，僅個別觀測日獲取率低于80%；3.0～6.0 km 高度內出現數據獲取率介于40%～70%之間的不連續(xù)低值區(qū)，其時間較短，影響高度占比較小。后段，最大探測高度先降低后升高，平均約12.0 km；1.0 km 以下在10月中旬至次年2月獲取率略有降低，說明秋冬季受地物雜波影響；12月零星出現中心高度在4.5 km 左右、厚度約1.0 km的低值區(qū)；12月至次年3月在9.0～10.8 km 高度內出現獲取率小于30%的低值區(qū)，影響高度約占低模式探測的22%；高模式中，12月未獲得有效數據。

考慮到組合4探測性能穩(wěn)定、探測高度較低，將其高模式高度分辨率調整為1160 m，進行組合5 的探測試驗［圖2（d）］?？梢钥闯?，組合5 最大探測高度呈現春夏季高、秋冬季低的變化趨勢，平均約11.0 km；高模式探測內，大部分時段的數據獲取率在14.0 km 以下大于70%，夏季部分時段的數據獲取率較低，冬季僅個別觀測日低于30%；低模式探測內，臨近模式轉換高度處數據連續(xù)性較高，未發(fā)生獲取率明顯降低的現象，數據獲取率低值區(qū)主要分布在2016年6—7月、9—10月和2017年6月，低值中心小于30%，其中10月下旬低值中心所在高度為4.5 km左右。

通過上述數據獲取率日變化特征分析，發(fā)現探測氣象環(huán)境對雷達探測性能會產生一定影響。首先在高模式探測中，由于春夏季風切變較大，對流層較強的湍流使得數據獲取率較高、造成雷達最大探測高度呈現季節(jié)變化。其次臨近模式轉換高度內，低、高模式下電磁波功率不同產生的數據缺失從秋季到冬季逐漸加重，數據缺失的高度范圍增大；同時，冬季地物雜波對雷達獲取數據的干擾略有增強。此外，伴隨著降水過程，雷達對對流層低層的探測會出現數據缺失，數據獲取率低值中心高度與降水形成高度有關。

對雷達模式的不同組合，探測性能因探測氣象環(huán)境會產生一定差異。以觀測期較長的組合3、5來看，最大探測高度在季節(jié)上的變化程度不同，從春季到冬季，組合3、5分別平均降低約6.0、3.0 km；組合3 的高模式探測性能受季節(jié)影響更大，在冬季明顯低于組合5。相比于組合3，組合5 對降水過程的數據獲取有局限性，探測性能在降水形成高度上較低。

2.3 探測模式不同組合下的水平風速和垂直風速差異

為進一步比較探測模式不同組合應用的差異，分別對其獲得的水平風速和垂直風速進行分析。圖3是兩者統計值隨高度的變化關系?？梢钥闯?，不同組合中水平風速的標準差隨平均值增大而增大，減小而減?。淮怪憋L速的標準差在低模式下變化較小，在高模式下隨高度升高而增大。從水平風速來看，組合1、2 低模式中的標準差比組合3、4、5??；在模式轉換高度內，組合3 的標準差相對較大；高模式中，不同組合無顯著差異。垂直風速中，除了1.0 km 以下不同組合的標準差略有區(qū)別外，低模式的標準差在其他高度范圍內沒有明顯變化；模式轉換高度內，組合4、5的標準差相對較大，但數值仍較?。坏礁吣Ｊ街?，組合5的標準差略大，而組合2、3臨近最大探測高度處平均值和標準差均較大（圖中省略誤差棒右端數值超過1.5 m·s-1的情況）。總體來看，不同組合下獲得的水平風速和垂直風速變化規(guī)律相同，不同組合間的差異較小。

圖3 HCEO站ST風廓線雷達不同模式組合下水平風速（上）及垂直風速（下）隨高度的變化（黑色圓點表示平均值，誤差棒為對應的標準偏差σ，線段長度為2 σ）Fig.3 The variation of horizontal （the top） and vertical （the bottom） wind speed with height under different combinations of work models from ST wind profile radar at HCEO station（The black dots represent the average，error bars represent the standard deviations σ，and the line segment length is 2 σ）

3 結 論

風廓線雷達的定點高空風場數據的時空分辨率較高，是常規(guī)探空資料的重要補充。利用2014—2017年HCEO 站ST風廓線雷達探測資料，分析在不同探測模式組合下雷達的探測性能，探討了探測氣象環(huán)境的影響，進而給出滿足不同探測需求的模式組合方式。具體結論如下：

（1）HCEO 站ST 風廓線雷達選用高、低模式和轉換高度進行探測模式組合，可以實現不同探測目的，但不同探測模式組合的探測性能存在差異。邊界層及對流層低層的探測，可以選用雷達組合4 或組合3；對流層中高層，可以選用組合5 或組合3；對流層到平流層，可以考慮組合1或組合2或組合3。

（2）觀測期間，各組合的探測性能呈現兩種變化規(guī)律。一種是臨近轉換高度范圍內，探測性能在轉換前逐漸降低，但轉換后迅速升高，進入高模式后探測性能隨高度逐漸降低。另一種是在轉換過程中探測性能未發(fā)生明顯改變，進入高模式某一探測高度后性能逐漸降低。

（3）探測氣象環(huán)境的變化對探測性能的影響主要體現在兩方面。一是秋冬季，臨近轉換高度范圍，探測性能降低的程度逐漸加大，可獲取數據的高度層減少；高模式下數據缺失嚴重，最大探測高度降低約30%。二是降水過程中，探測性能較穩(wěn)定的組合在對流層中低層的探測性能降低，獲取數據偏少。若在春夏季探測，可以考慮組合3，其獲取的探測高度較高，且7.0～10.0 km 的高度分辨率較高；秋冬季的探測，可以考慮組合5；降水期間的探測，可以考慮組合1或組合3或組合4。