基于地基與星載激光雷達(dá)技術(shù)的武夷山山谷風(fēng)環(huán)流研究分析*

任 雍 張雪芬 吳松華 吳雪菲 任斯敏

1 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心,北京 100081 2 福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心,福州 350008 3 中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)部海洋技術(shù)學(xué)院,青島 266101 4 青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司,青島 266101

提 要：山谷風(fēng)是一種熱力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的局地環(huán)流,武夷山市三面環(huán)山,中部為丘陵地帶,使得該地常年盛行山谷風(fēng)。基于地面氣象觀測(cè)站、邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)及激光雷達(dá)衛(wèi)星Aeolus數(shù)據(jù)研究了武夷山山谷風(fēng)環(huán)流特征。結(jié)果表明,夏季出現(xiàn)山谷風(fēng)日天數(shù)最多,山谷風(fēng)日出現(xiàn)時(shí)大氣日變化特征顯著,表現(xiàn)為山風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間段,以偏北風(fēng)為主,風(fēng)速較小,低空激光雷達(dá)回波信號(hào)較強(qiáng),氣流運(yùn)動(dòng)以下沉為主,垂直方向上形成環(huán)流圈;谷風(fēng)階段,以偏南風(fēng)為主,較山風(fēng)階段風(fēng)速有所增強(qiáng),低空激光雷達(dá)回波信號(hào)減弱,以上升氣流為主;激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的風(fēng)廓線可見,武夷山非山谷風(fēng)日常出現(xiàn)在對(duì)流層中低層盛行偏南風(fēng)的天氣形勢(shì)下,偏南風(fēng)將水汽輸送至當(dāng)?shù)?使得當(dāng)?shù)氐涂毡惠^厚云層覆蓋或出現(xiàn)降水過(guò)程,從而削弱了山地與谷地的熱力差異,局地環(huán)流被打破,山谷風(fēng)環(huán)流無(wú)法形成。

引 言

武夷山市位于福建省西北部,為中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,相對(duì)濕度較大,四季分明,風(fēng)向季節(jié)特征明顯;東、西、北部三面環(huán)山,中南部地勢(shì)較為平坦,海拔高度約為210 m,為山地丘陵地帶,地勢(shì)由西北向東南傾斜,海拔相差較大,最大落差可達(dá)2000 m。特殊的地形使得當(dāng)?shù)爻Ｄ晔⑿猩焦蕊L(fēng),積累了大量的山谷風(fēng)環(huán)流觀測(cè)資料,有利于探究當(dāng)?shù)氐纳焦蕊L(fēng)環(huán)流特征。山谷風(fēng)作為局地環(huán)流,由山地與谷地的熱力差異所驅(qū)動(dòng):夜間山地降溫顯著,形成相對(duì)的冷高壓,氣流自山地流向谷地形成山風(fēng),在地勢(shì)偏低的谷地輻合,并在一定高度向外輻散;白天山地受熱升溫較快,形成相對(duì)的熱低壓,氣流在低空向外輻散,自谷地沿山地向上運(yùn)動(dòng)形成谷風(fēng)。由于不同地區(qū)的地勢(shì)各有特征,使得山谷風(fēng)的出現(xiàn)時(shí)間和環(huán)流結(jié)構(gòu)等存在差異(鞠麗霞等,2003;董群等,2017;賈春暉等,2019)。基于山谷風(fēng)環(huán)流下顯著的大氣日變化特征,大量研究將山谷風(fēng)環(huán)流特征與大氣污染相結(jié)合進(jìn)行相關(guān)分析(鄧家銓等,1989;吳進(jìn)等,2021;2022),目前此類分析的氣象數(shù)據(jù)主要來(lái)源于地面氣象站、自動(dòng)氣象站或是數(shù)值模擬(鞠麗霞等,2003;符嬌蘭和代刊,2016;諶蕓等,2021)等。然而,地面氣象站無(wú)法獲得高精度的三維風(fēng)場(chǎng)信息;盡管結(jié)合探空氣球能夠獲取高空的風(fēng)場(chǎng)信息(劉超等,2017;孟丹等,2019),但受限于自身的釋放地點(diǎn)、時(shí)間和成本等因素,難以普遍地應(yīng)用于實(shí)際的分析當(dāng)中;數(shù)值模擬受限于氣象模型的設(shè)定和初始場(chǎng)輸入,模擬結(jié)果與真實(shí)的大氣存在一定誤差。

當(dāng)前,自動(dòng)氣象站已覆蓋全國(guó)的大部分地區(qū),可觀測(cè)一定分辨率的水平風(fēng)場(chǎng),但三維風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)仍然是個(gè)難題。近年來(lái),隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多不同類型的激光雷達(dá)開始逐漸被運(yùn)用于實(shí)際的大氣探測(cè)和氣象過(guò)程分析。多普勒激光雷達(dá)是一種光學(xué)遙感探測(cè)設(shè)備,通過(guò)接收出射激光波束遇到大氣中氣溶膠粒子產(chǎn)生的后向回波信號(hào),來(lái)獲取激光波束方向上的大氣運(yùn)動(dòng)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣三維風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量,具有同時(shí)刻不同高度上風(fēng)廓線的觀測(cè)能力,是一種有效的高精度風(fēng)場(chǎng)探測(cè)手段(Baker et al,2014)。易仕明和陳奕隆(1988)研究指出風(fēng)廓線雷達(dá)能夠彌補(bǔ)探空氣球的不足,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)的高精度觀測(cè)。利用其連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)勢(shì),可用于較為惡劣的天氣過(guò)程中的三維風(fēng)場(chǎng)分析,例如臺(tái)風(fēng)(汪學(xué)淵等,2013)、降水(董麗萍等,2014);利用其對(duì)垂直風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)優(yōu)勢(shì),融合天氣雷達(dá)能夠獲取更為精細(xì)化的中尺度水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)(阮征等,2017)。

激光雷達(dá)具備高靈活性,可搭載在多種設(shè)備上滿足多樣化的觀測(cè)場(chǎng)景需求,包括機(jī)載激光雷達(dá)、漂浮式激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)等。機(jī)載激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式風(fēng)場(chǎng)測(cè)量(翟國(guó)君等,2012;Gutleben and Gro,2021);漂浮式激光雷達(dá)利用其能夠?qū)崿F(xiàn)全天候無(wú)人值守等優(yōu)勢(shì),可用于海上較為惡劣的天氣的三維風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)(王浩等,2021;王強(qiáng)等,2020;Gottschall et al,2017;H?gstr?m et al,1988);星載激光雷達(dá)利用衛(wèi)星搭載激光雷達(dá)在高空探測(cè)中的優(yōu)勢(shì),可不間斷全天候連續(xù)掃描,實(shí)現(xiàn)全球高精度的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)覆蓋(付松琳,2021;黃悅等,2021;汪自軍等,2021)。利用其靈活性,結(jié)合衛(wèi)星全天候、全覆蓋的特性,將衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)融合,可以獲得更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)(齊亞琳和林明森,2012;苗春生等,2015;周璇等,2015),為實(shí)際大氣觀測(cè)提供不同高度的風(fēng)場(chǎng)信息。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 邊界層風(fēng)廓線測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

本文激光雷達(dá)觀測(cè)設(shè)備選用青島鐳測(cè)創(chuàng)芯科技有限公司的WindMast PBL型邊界層風(fēng)廓線測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)(下文簡(jiǎn)稱PBL激光雷達(dá),圖1),其布設(shè)于福建省武夷山市東南部(圖2),海拔高度為221 m。雷達(dá)的激光波束的俯仰角度為71.38°,起測(cè)高度為28 m,徑向距離分辨率為15 m,垂直高度分辨率約為14 m(徑向距離分辨率15 m×sin 71.38°),最大徑向探測(cè)距離為3000 m。PBL激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括信噪比、水平風(fēng)速、水平風(fēng)向、垂直速度、湍流強(qiáng)度,以及消光系數(shù)等,具體的主要系統(tǒng)參數(shù)詳見表1。選取2020年6月至2021年5月(全文均為北京時(shí)),時(shí)間分辨率為10 min的PBL激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)武夷山山谷風(fēng)特征進(jìn)行分析。

表1 邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)WindMast PBL主要系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Main system parameters of WindMast PBL boundary layer wind lidar

圖1 PBL激光雷達(dá)設(shè)備安裝圖Fig.1 The installation diagram of PBL lidar equipment

圖2 地面觀測(cè)站與雷達(dá)相對(duì)位置Fig.2 Position of ground observation station relative to lidar

1.2 地面氣象觀測(cè)站

本文選用福建省武夷山市北部地面觀測(cè)站(海拔高度為210 m)(圖1)的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)以及日照計(jì)日照時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1 h(整點(diǎn)),選取2018—2021年連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)用于當(dāng)?shù)貧庀髼l件分析。

1.3 激光雷達(dá)衛(wèi)星Aeolus

Aeolus是全球首顆直接探測(cè)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)衛(wèi)星,能夠提供全球范圍內(nèi)高時(shí)空分辨率的垂直風(fēng)廓線。其運(yùn)行軌道為太陽(yáng)同步軌道,軌道高度為320 km,穿越赤道時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間06時(shí)和18時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)每天準(zhǔn)全球覆蓋(每天約16個(gè)全球觀測(cè)軌道),軌道重復(fù)周期為7 d(Reitebuch,2012)。該衛(wèi)星的唯一載荷為大氣激光多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)(ALADIN),其工作波長(zhǎng)為354.8 nm,設(shè)置了兩個(gè)探測(cè)通道以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束徑向方向兩類不同風(fēng)速示蹤物的探測(cè):Mie散射通道探測(cè)氣溶膠散射頻移以反演包括大氣邊界層在內(nèi)低層大氣的徑向風(fēng)速,Rayleigh散射通道探測(cè)大氣分子散射頻移以反演中高對(duì)流層及低平流層大氣的徑向風(fēng)速。ALADIN在垂直方向上高度觀測(cè)范圍為0～20 km,垂直分辨率由低層至高層分別為0.5、1.0、2.0 km,Mie探測(cè)通道和Rayleigh探測(cè)通道的水平分辨率分別為10 km 和90 km。Aeolus衛(wèi)星正式發(fā)布的數(shù)據(jù)產(chǎn)品主要有L2A級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(氣溶膠、云光學(xué)參數(shù))、L2B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(HLOS水平徑向風(fēng)速)、L2C級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(同化L2B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品后的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型矢量風(fēng)速)(Rennie et al,2020)。

本文選取與PBL激光雷達(dá)數(shù)據(jù)觀測(cè)的相同時(shí)間段(2020年5月至2021年6月)的L2C級(jí) Mie探測(cè)通道數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。Aeolus衛(wèi)星每周兩次在武夷山市上空過(guò)境,過(guò)境時(shí)掃描點(diǎn)分布如圖3所示。Aeolus L2C級(jí)Mie探測(cè)通道數(shù)據(jù)為將HLOS風(fēng)速通過(guò)預(yù)報(bào)模型的四維變分同化至預(yù)報(bào)模式中產(chǎn)生的矢量風(fēng)速,每個(gè)掃描點(diǎn)掃描時(shí)間分辨率為1～2 s,在同一次過(guò)境軌道內(nèi),不同激光束在相同高度的時(shí)間差區(qū)間為1～8 s,時(shí)間差遠(yuǎn)小于中小尺度的大氣過(guò)程。

圖3 Aeolus衛(wèi)星掃描區(qū)域(灰點(diǎn))和武夷山激光雷達(dá)位置(黑點(diǎn))示意圖Fig.3 The diagram of Aeolus satellite scanning area (grey dot) and the position of Wuyishan Lidar (black dot)

為了能夠更好地應(yīng)用衛(wèi)星激光掃描捕獲的風(fēng)場(chǎng)信息,針對(duì)某一時(shí)刻某一掃描點(diǎn)多束激光觀測(cè)數(shù)據(jù),將這一時(shí)刻同一高度上激光雷達(dá)發(fā)射的所有激光束的數(shù)據(jù)作平均,平均的結(jié)果作為對(duì)應(yīng)高度上這一時(shí)刻的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 山谷風(fēng)環(huán)流特征

多普勒激光雷達(dá)是一種光學(xué)遙感探測(cè)裝備,通過(guò)接收出射激光波束遇到大氣中氣溶膠粒子產(chǎn)生的后向回波信號(hào),計(jì)算回波信號(hào)中的多普勒頻移,來(lái)獲取激光波束方向上的大氣運(yùn)動(dòng)信息,結(jié)合特定的掃描模式,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣三維風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量,具有同時(shí)刻不同高度上的風(fēng)場(chǎng)廓線觀測(cè)能力,其觀測(cè)范圍大、測(cè)量精度高,尤其是對(duì)于對(duì)流層內(nèi)復(fù)雜天氣過(guò)程的捕捉,是一種有效的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)手段。山谷風(fēng)環(huán)流是低空一種由熱力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的局地環(huán)流,山地和谷地地勢(shì)差異產(chǎn)生的熱力梯度驅(qū)動(dòng)了山谷風(fēng)的形成。除了地勢(shì)熱力差異驅(qū)動(dòng)外,靜穩(wěn)天氣形勢(shì)也是山谷風(fēng)日出現(xiàn)的必要基礎(chǔ)。為了診斷山谷風(fēng)日的基本大氣特征,選取 2020年8月3日PBL激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)日,天氣狀態(tài)較穩(wěn)定,氣溫偏高,偏南風(fēng)風(fēng)力較小,天空中無(wú)顯著的較厚云層長(zhǎng)期覆蓋,較少的云層對(duì)山地與谷地的熱力差異削弱效果較弱,使得山谷風(fēng)出現(xiàn)的基本條件得以維持;從激光雷達(dá)觀測(cè)角度,激光雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)有效探測(cè)高度可達(dá)2 km,能夠捕獲山谷風(fēng)發(fā)生的對(duì)流層低層大氣風(fēng)場(chǎng), PBL激光雷達(dá)10 min平均數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)山谷風(fēng)日的大氣變化基本特征(圖4)具有一定的代表性。

圖4 2020年8月3日PBL激光雷達(dá)觀測(cè)的(a)水平風(fēng)速,(b)水平風(fēng)向,(c)雷達(dá)信噪比(SNR),(d)垂直速度,以及(e)湍流強(qiáng)度的時(shí)間-高度變化Fig.4 The time-altitude profiles of (a) horizontal wind speed, (b) horizontal wind direction, (c) signal-noise ratio (SNR), (d) vertical velocity, (e) turbulence intensity observed by PBL lidar on 3 August 2020

武夷山地勢(shì)為西南—東北走向,PBL激光雷達(dá)安裝于地勢(shì)相對(duì)平坦的谷地(圖2)。2020年8月3日山谷風(fēng)環(huán)流的PBL激光雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果表明(圖4),山谷風(fēng)日大氣日變化特征顯著。夜間為山風(fēng)盛行階段(00—08時(shí),以及18時(shí)至次日00時(shí)),谷地低空水平風(fēng)速較小,接近于1 m·s-1,200 m高度以下激光雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度較大,湍流強(qiáng)度較弱。400 m 高度以下為偏北風(fēng),400 m高度以上為偏南風(fēng),氣流自山地流向谷地,通過(guò)較弱的下沉運(yùn)動(dòng)在谷地堆積,并逐漸在一定高度上向外擴(kuò)散,單點(diǎn)激光雷達(dá)觀測(cè)到谷地上空形成了閉合的風(fēng)向環(huán)流圈。白天為谷風(fēng)盛行階段(08—18時(shí)),1 km高度以下谷地為偏南風(fēng),水平風(fēng)速大約為4 m·s-1,低空激光雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度減弱,氣流自谷地向山地流動(dòng),補(bǔ)充山地空氣受熱垂直輻合的抬升量。山地上空的輻合氣流在一定高度向空間擴(kuò)散,單點(diǎn)激光雷達(dá)未觀測(cè)到谷地上空形成閉合的環(huán)流圈,這表明山風(fēng)與谷風(fēng)階段的垂直風(fēng)場(chǎng)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。15—18時(shí),隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸減弱,垂直方向氣流交換強(qiáng)度逐漸減小,垂直氣流上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減弱,山地與谷地的熱力差異變化驅(qū)動(dòng)當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)由谷風(fēng)階段逐漸向山風(fēng)階段轉(zhuǎn)換。

武夷山為典型的季風(fēng)氣候,風(fēng)場(chǎng)具有鮮明的季節(jié)特征,同時(shí),不同季節(jié)日照時(shí)長(zhǎng)存在差異,這使得山谷風(fēng)環(huán)流受到季節(jié)波動(dòng)的影響。根據(jù)前文個(gè)例分析,當(dāng)出現(xiàn)山谷風(fēng)日時(shí),低空風(fēng)場(chǎng)特征為“偏北風(fēng)-偏南風(fēng)-偏北風(fēng)”,激光雷達(dá)回波信號(hào)存在差異等,對(duì)四個(gè)季節(jié)的山谷風(fēng)日進(jìn)行提取,統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)山谷風(fēng)日出現(xiàn)的頻率(即計(jì)算山谷風(fēng)日出現(xiàn)的總天數(shù)與PBL激光雷達(dá)有效觀測(cè)天數(shù)的比值),評(píng)估不同季節(jié)日照條件下的山谷風(fēng)差異。圖5a表明,武夷山地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流存在顯著的季節(jié)差異。夏季和冬季山谷風(fēng)日出現(xiàn)的次數(shù)偏多,均可占當(dāng)季度的0.5以上;其中,夏季(2020年6—8月)為50 d,冬季(2020年12月至2021年2月)為46 d。秋季和春季出現(xiàn)山谷風(fēng)日的頻率偏低,大約在0.2～0.3;其中,春季(2021年3—5月)為12 d,秋季(2020年9—11月)為16 d。由圖5b可見,秋季平均的日照時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng),但不穩(wěn)定,山谷風(fēng)日出現(xiàn)的頻次偏低;夏季日照時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)且相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)山谷風(fēng)日出現(xiàn)頻次最多,山谷風(fēng)與日照時(shí)長(zhǎng)具有一定的相關(guān)性,季節(jié)性特征較顯著。

日照條件的季節(jié)差異,使得武夷山的山谷風(fēng)存在季節(jié)性特征。圖4對(duì)典型的山谷風(fēng)環(huán)流觀測(cè)指出,在山風(fēng)階段垂直方向上存在風(fēng)向切變,可形成風(fēng)場(chǎng)環(huán)流圈。為了診斷山風(fēng)階段特殊垂直水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu),進(jìn)一步評(píng)估了四個(gè)季節(jié)山風(fēng)階段垂直方向上出現(xiàn)風(fēng)向切變的高度(圖6)。

圖6 武夷山各季節(jié)山谷風(fēng)環(huán)流在垂直方向風(fēng)向切變的高度Fig.6 The height of vertical wind direction shear of mountain-valley wind circulation

圖6結(jié)果表明山風(fēng)階段的風(fēng)向切變具有季節(jié)性。冬季風(fēng)向切變高度最高,可達(dá)1.0～1.5 km,并且隨著季節(jié)進(jìn)程,切變高度具有減小的趨勢(shì),冬季初期,切變高度偏高,中期和后期高度下降至500 m高度附近,波動(dòng)性較強(qiáng)。夏季,風(fēng)向切變發(fā)生在500 m高度附近,隨著季節(jié)進(jìn)程具有升高的趨勢(shì),夏季中后期,切變高度在500 m附近有所波動(dòng)。春季和秋季出現(xiàn)山谷風(fēng)日的頻次較少,切變高度也在500 m附近。利用激光雷達(dá)技術(shù)探究山風(fēng)階段垂直高度上的風(fēng)向切變特征,彌補(bǔ)了地面氣象站等對(duì)高空風(fēng)場(chǎng)信息獲取的不足,增加了對(duì)山谷風(fēng)垂直高度的認(rèn)識(shí),能夠更好地應(yīng)用于污染擴(kuò)散等分析實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中。

2.2 非山谷風(fēng)出現(xiàn)的氣象條件

武夷山市的特殊地勢(shì)使得當(dāng)?shù)爻Ｄ晔⑿猩焦蕊L(fēng),云層覆蓋是使得山地與谷地?zé)崃Σ町悳p弱的重要影響因素。當(dāng)出現(xiàn)大霧或降水天氣過(guò)程時(shí),空中被一定的云層覆蓋,相對(duì)濕度較高,導(dǎo)致山地與谷地?zé)崃Σ町悳p小,熱力差異減弱可能無(wú)法驅(qū)動(dòng)山谷風(fēng)形成。選用地面氣象觀測(cè)站的逐小時(shí)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)氐臐穸葪l件進(jìn)行分析。由圖7a可見,武夷山相對(duì)濕度整體偏高,相對(duì)濕度大于60%的天數(shù)占全年總天數(shù)的80%以上,濕度條件的年際差異較小,各濕度段分布相對(duì)穩(wěn)定。圖7b表明各季節(jié)山谷風(fēng)日相對(duì)濕度整體偏高,其高值濕度段與全年的相對(duì)濕度分布相似。夏季,山谷風(fēng)日出現(xiàn)的濕度條件差異較大,90%～100%濕度段出現(xiàn)的頻次最高。考慮武夷山特殊的地勢(shì)條件,在夏季凌晨可能易出現(xiàn)大霧天氣,大霧散去后,山地與谷地的熱力差異可能再驅(qū)動(dòng)山谷風(fēng)的形成。夏季,40%～60%濕度段下山谷風(fēng)日出現(xiàn)頻次可達(dá)0.3,考慮夏季日照時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)(圖5b),溫度較高,相對(duì)較干燥,有利于山谷風(fēng)日形成。秋季和冬季,相對(duì)濕度分別集中在40%～60%、60%～80%,春季則集中在60%～80%。武夷山山谷風(fēng)日出現(xiàn)時(shí)的濕度條件與相對(duì)濕度不是直接的線性關(guān)系,高濕度條件下也有山谷風(fēng)的形成,考慮相對(duì)濕度是對(duì)大氣整體潮濕程度的反映,可能受到季風(fēng)、降水和大霧等氣象因素影響較大,因此,僅通過(guò)不同季節(jié)的山谷風(fēng)日出現(xiàn)時(shí)的濕度條件,難以對(duì)山谷風(fēng)日與非山谷風(fēng)日的氣象條件差異進(jìn)行直接評(píng)估。

地基激光雷達(dá)通過(guò)對(duì)氣溶膠的垂直分布進(jìn)行觀測(cè),來(lái)反演獲取大氣風(fēng)場(chǎng)。云內(nèi)含有的大量氣溶膠粒子,使得激光束穿越較厚云層時(shí)能量快速衰減,導(dǎo)致探測(cè)高度受限。為了解決地基探測(cè)高度受限的問(wèn)題,同時(shí)沿用激光雷達(dá)觀測(cè)的高時(shí)空分辨率優(yōu)勢(shì),選用星載激光雷達(dá)自高空向下的觀測(cè)模式,利用地基和星載激光雷達(dá)觀測(cè)融合,實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)武夷山非山谷風(fēng)日垂直各高度風(fēng)場(chǎng)的觀測(cè)分析。

本文利用Aeolus衛(wèi)星與PBL激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)武夷山上空不同高度的風(fēng)廓線觀測(cè)。融合方式如下:首先,選取Aeolus衛(wèi)星從武夷山上空過(guò)境的日期,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)地基測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果,挑選出非山谷風(fēng)日出現(xiàn)的日期,然后將有效垂直風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)融合,并進(jìn)行10點(diǎn)滑動(dòng)平均,最終獲得非山谷風(fēng)日時(shí),從近地面至高層大氣的連續(xù)風(fēng)廓線。發(fā)現(xiàn),典型非山谷風(fēng)日,低空風(fēng)場(chǎng)可劃分為兩類:低空偏南風(fēng)(2020年6月2日和15日、7月6日和7日);偏北風(fēng)(2020年6月15日、2020年12月14日和15日、2021年1月26日)。

2.2.1 近地面偏南風(fēng)

低空偏南風(fēng)期間,地基激光雷達(dá)有效探測(cè)高度低于2 km,2 km以上的對(duì)流層中低層風(fēng)場(chǎng)無(wú)法獲取(圖8),地基激光雷達(dá)與星載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)融合后可獲取更高層大氣的風(fēng)場(chǎng)信息,得到較為完整的垂直風(fēng)廓線。結(jié)果表明,低空為偏南風(fēng)時(shí),對(duì)流層中低層水平風(fēng)向一致性較高(圖8b),水平風(fēng)速隨著高度增大而增大(圖8a)。對(duì)流層中高層,水平風(fēng)速差異較大,水平風(fēng)向一致性高,為西北風(fēng)。地基激光雷達(dá)受空中氣溶膠粒子濃度影響,使得其有效探測(cè)高度受影響,利用地基激光雷達(dá)的信噪比對(duì)氣溶膠粒子隨高度的分布特征進(jìn)行分析。由圖9可見,2020年6月2日,1～2 km高度,信噪比(圖9a)的大值呈條帶狀分布,表明低空有云霧覆蓋,云霧層較厚,高度貼近近地面,為夏季凌晨的大霧現(xiàn)象。隨著太陽(yáng)逐漸升高,霧層逐漸消散,垂直方向上的信噪比大值條帶所在高度隨時(shí)間呈“斜坡”式上升,10時(shí),空中垂直氣流(圖9b)的下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),空中信噪比大值迅速減小,垂直方向上大值出現(xiàn)斷層,表明出現(xiàn)降水過(guò)程,山谷風(fēng)結(jié)構(gòu)被破壞。6月15日(圖9c)、7月6日(圖9e),以及7月7日(圖9g),1～2 km信噪比的大值為條帶狀分布,空中覆蓋較厚云層,白天水平風(fēng)速偏大,低空氣流垂直運(yùn)動(dòng)較弱,強(qiáng)勁的垂直運(yùn)動(dòng)主要集中在云下,使得氣流在山地與谷地之間的流動(dòng)較弱;夜間云層覆蓋使得輻射冷卻效應(yīng)減弱,低空為較弱的上升氣流,山風(fēng)無(wú)法形成。

圖9 近地面偏南風(fēng)時(shí)PBL激光雷達(dá)觀測(cè)的(a,c,e,g)信噪比和(b,d,f,h)垂直速度的時(shí)間-高度剖面(a,b)2020年6月2日,(c,d)2020年6月15日,(e,f)2020年7月6日,(g,h)2020年7月7日Fig.9 The time-altitude profiles of (a, c, e, g) SNR and (b, d, f, h) vertical velocity observed by PBL lidar at the time with southerly wind near the surface on (a, b) 2 June 2020, (c, d) 15 June 2020, (e, f) 6 July 2020, (g, h) 7 July 2020

2.2.2 近地面偏北風(fēng)

圖10表明,地基激光雷達(dá)觀測(cè)到低空盛行偏北風(fēng)時(shí)主要出現(xiàn)在冬季,與偏南風(fēng)期間相比,低空水平風(fēng)速偏小,在0～10 m·s-1,對(duì)流層中高層風(fēng)速顯著增大。冬季,2020年12月14—15日,以及2021年1月26日(圖10b),1.5 km高度以下以東北風(fēng)為主,在對(duì)流層的中低層風(fēng)向切變較強(qiáng);夏季(6月8日)則為西北風(fēng),無(wú)顯著風(fēng)向切變(圖10b)。地基激光雷達(dá)觀測(cè)到低空為偏北風(fēng)時(shí),PBL激光雷達(dá)有效探測(cè)高度在1～2 km(圖11),有效探測(cè)高度仍然偏低,6月8日,信噪比大值在空中呈現(xiàn)條帶狀分布(圖11a),較穩(wěn)定地覆蓋在低空,使得信噪比大值上方激光回波信號(hào)很弱,空中有云霧層覆蓋,08—14時(shí),下沉氣流增強(qiáng)(圖11b),出現(xiàn)降水過(guò)程,17時(shí)起,降水逐漸結(jié)束,1 km高度出現(xiàn)信噪比大值條帶,空中出現(xiàn)云層。融合所得風(fēng)廓線表明1.5～5.0 km為偏南風(fēng),輸送水汽使得空中出現(xiàn)降水云,降水過(guò)程和低空云霧使得山谷風(fēng)結(jié)構(gòu)被破壞。12月14日,00—09時(shí),1 km高度附近出現(xiàn)顯著的信噪比條帶(圖11c),圖10b顯示,1～2 km為西南風(fēng),其輸送水汽使得空中形成低云,之后由于設(shè)備檢修使得部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失;14時(shí),下沉氣流增強(qiáng)(圖11d),降水過(guò)程使得氣溶膠粒子濃度衰減顯著,山地與谷地的熱力差異減小,影響山谷風(fēng)形成。12月15日(圖11e)與1月26日(圖11g),云層在空中穩(wěn)定覆蓋,使得山地與谷地的晝夜熱力差異變化較小,也影響了山谷風(fēng)環(huán)流形成。

注:不同顏色代表不同日期,如0608表示6月8日。圖10 近地面偏北風(fēng)時(shí)地基和星載激光雷達(dá)觀測(cè)融合的水平(a)風(fēng)速和(b)風(fēng)向廓線Fig.10 The curve profiles of (a) horizontal wind speed and (b) horizontal wind direction after the fusion of Aeolus satellite radar and PBL lidar at the time with northerly wind near the surface

圖11 近地面偏北風(fēng)時(shí)PBL激光雷達(dá)觀測(cè)到的(a,c,e,g)信噪比和(b,d,f,h)垂直速度的時(shí)間-高度剖面(a,b)2020年6月8日,(c,d)2020年12月14日,(e,f)2020年12月15日,(g,h)2021年1月26日Fig.11 The time-altitude profiles of (a, c, e, g) SNR and (b, d, f, h) vertical velocity observed by PBL lidar at the time with northerly wind near the surface on (a, b) 8 June 2020, (c, d) 14 December 2020, (e, f) 15 December 2020, and (g, h) 26 January 2021

通過(guò)比較非山谷風(fēng)日出現(xiàn)的兩種低空風(fēng)場(chǎng)表明,非山谷風(fēng)日出現(xiàn)時(shí),對(duì)流層中低層可能存在兩種低空風(fēng)向主導(dǎo),但兩種低空風(fēng)場(chǎng)條件下,對(duì)流層中層均出現(xiàn)了穩(wěn)定的偏南風(fēng),其輸送水汽使得當(dāng)?shù)厮麠l件充沛,PBL激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀測(cè)到空中的信噪比大值呈現(xiàn)條帶狀分布,空中出現(xiàn)水汽含量較大的云霧層,使得凌晨可能出現(xiàn)大霧天氣,或白天強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)觸發(fā)降水等過(guò)程,導(dǎo)致山地與谷地的熱力差異減弱,破壞山谷風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論與討論

本文基于邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)、地面氣象觀測(cè)站以及激光雷達(dá)衛(wèi)星等數(shù)據(jù),對(duì)武夷山地區(qū)的山谷風(fēng)特征進(jìn)行了分析,得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)山谷風(fēng)日,大氣具有顯著日變化特征:山風(fēng)階段,以偏北風(fēng)為主,風(fēng)速較小,低空激光雷達(dá)回波信號(hào)較強(qiáng),湍流發(fā)展較弱,以下沉氣流為主;谷風(fēng)階段,以偏南風(fēng)為主,風(fēng)速較山風(fēng)階段有所增強(qiáng),低空激光雷達(dá)回波信號(hào)較山風(fēng)階段減弱,湍流強(qiáng)度較強(qiáng),以上升氣流為主。

(2)谷風(fēng)主要出現(xiàn)在08—18時(shí),山風(fēng)主要出現(xiàn)在00—08時(shí)以及18時(shí)至次日00時(shí)。

(3)山谷風(fēng)日出現(xiàn)頻次最多是在夏季,可占當(dāng)季50%以上,日照時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定,除了降水過(guò)程外,濕度條件相對(duì)較差。

(4)山風(fēng)階段,垂直方向上存在顯著的風(fēng)向切變環(huán)流圈,環(huán)流圈高度具有季節(jié)性特征。冬季最高,可達(dá)1.0～1.5 km高度,高度變化具有減小的趨勢(shì);其余三個(gè)季節(jié)環(huán)流圈在500 m高度附近,其中,夏季環(huán)流圈高度具有增大的趨勢(shì),春秋季相對(duì)穩(wěn)定。

(5)融合衛(wèi)星激光雷達(dá)Aeolus與邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)非山谷風(fēng)日的氣象條件進(jìn)行評(píng)估,非山谷風(fēng)出現(xiàn)在對(duì)流層中低層的偏南風(fēng)對(duì)水汽輸送,使得當(dāng)?shù)乇惠^厚云層覆蓋或出現(xiàn)降水過(guò)程,氣流的垂直交換劇烈,山地與谷地?zé)崃Σ町悳p小,熱力驅(qū)動(dòng)減弱使得山谷風(fēng)無(wú)法形成。

本文基于激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)武夷山山谷風(fēng)特征進(jìn)行了診斷,但受限于邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累量,以及星載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)樣本數(shù),只選用了一年的邊界層測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和Aeolus衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)武夷山山谷風(fēng)的基本特征進(jìn)行分析,針對(duì)其他特殊氣象條件下山谷風(fēng)日特征的進(jìn)一步評(píng)估,未來(lái)還需要更長(zhǎng)時(shí)間的激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更全面的診斷分析。