風(fēng)廓線雷達(dá)與毫米波云雷達(dá)在一次雨雪天氣過程的測(cè)速對(duì)比分析

摘 要：利用L波段風(fēng)廓線雷達(dá)和Ka波段毫米波云雷達(dá)，分析了福建省羅源縣2022年2月16—23日一次雨雪天氣過程探測(cè)到的垂直方向上的速度，結(jié)果表明：（1）風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)所測(cè)的垂直速度能很好地體現(xiàn)降雨強(qiáng)度的變化，兩者均具有零度層亮帶特征，毫米波云雷達(dá)在降雨開始時(shí)有更明顯的測(cè)速反應(yīng)；（2）風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)兩者測(cè)得速度趨勢(shì)基本一致，且具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性程度需要更多的實(shí)例進(jìn)行論證；（3）毫米波云雷達(dá)的數(shù)據(jù)分辨率要高于風(fēng)廓線雷達(dá)，觀測(cè)到的降水粒子速度內(nèi)部精度要比風(fēng)廓線雷達(dá)高，能更細(xì)致地反映降水云體的變化情況。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；毫米波云雷達(dá)；雨雪天氣；測(cè)速對(duì)比

中圖分類號(hào)：P458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）05–0-03

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型的無球高空氣象探測(cè)設(shè)備，它能夠不間斷地提供大氣水平風(fēng)場(chǎng)、垂直氣流、大氣溫度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度變化的分布情況，具有時(shí)空分辨率高、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。毫米波是指波長在1～10 mm范圍內(nèi)的電磁波，所對(duì)應(yīng)的頻率范圍在30～300 GHz。毫米波雷達(dá)發(fā)射電磁波至云和降水粒子上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以粒子為中心向四面八方的散射，其能探測(cè)到的粒子直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷達(dá)波長的粒子直徑，探測(cè)到的最小粒子可以是微米的云粒子[1]。

近年來，羅源縣相繼建成L波段風(fēng)廓線雷達(dá)和Ka波段毫米波云雷達(dá)。兩者之間的直線距離約30 m，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以較好地反映羅源縣同一時(shí)空的氣象要素特點(diǎn)。羅源縣利用L波段風(fēng)廓線雷達(dá)和Ka波段毫米波云雷達(dá)對(duì)2022年2月16—23日一次雨雪天氣過程測(cè)得的垂直方向上的速度進(jìn)行研究，得到兩部雷達(dá)垂直速度的相關(guān)性及差異性，通過分析進(jìn)一步提升了風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)的資料應(yīng)用能力，為加快多源融合實(shí)況產(chǎn)品的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 天氣實(shí)況

從2022年2月16日開始，羅源縣受強(qiáng)冷空氣影響

出現(xiàn)了一次雨雪天氣過程，16—19日以降雨天氣為主，19日夜間氣溫明顯下降，城區(qū)、中房、西蘭、飛竹、霍口、白塔、起步等中西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)雪或雨夾雪天氣，高海拔山區(qū)有積雪；20日夜間降雪范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度增強(qiáng)；21日早晨，羅源國家氣象觀測(cè)站四周的福源山、茅山、白蒙山、筆架山等有積雪，雪線高度約300 m；21—23日轉(zhuǎn)為液態(tài)降水；24日降水停止。

本次過程最低氣溫出現(xiàn)在21日早晨，羅源縣氣象局氣溫為0.9 ℃，為歷年2月下旬同期最低。區(qū)域自動(dòng)站最低氣溫為中房鎮(zhèn)-2.9 ℃，全縣6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫均低于0 ℃。這是近10年來最強(qiáng)的一次雨雪天氣過程。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)的速度對(duì)比分析

2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)的速度測(cè)量對(duì)比

2022年2月16日15：28起，羅源縣出現(xiàn)較強(qiáng)的層狀云降水。圖1和圖2分別是風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)對(duì)此次降水的速度測(cè)量情況。如圖1所示，15：28，羅源縣開始降水且水量較小，風(fēng)廓線雷達(dá)垂直速度并未發(fā)生明顯變化。隨著降水量增大，16：20左右，風(fēng)廓線雷達(dá)出現(xiàn)了大于4 m/s的下沉速度。從16：20左右開始，風(fēng)廓線雷達(dá)出現(xiàn)明顯的零度層亮帶，這是產(chǎn)生連續(xù)性降水的顯著特征之一。

對(duì)比圖2的毫米波云雷達(dá)徑向速度，從15：28降水開始，毫米波云雷達(dá)就有明顯的測(cè)速反應(yīng)。從04：00左右開始，毫米波雷達(dá)就出現(xiàn)了零度層亮帶，比風(fēng)廓線雷達(dá)出現(xiàn)更早，反應(yīng)更快。該亮帶以上大部分為冰晶粒子，冰晶粒子速度幾乎為0，在下落過程中，粒子速度逐漸變快。由圖2可知毫米波云雷達(dá)探測(cè)到的零度層高度（約3.6 km）要高于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度（約2.5 km）。

上述情況說明兩部雷達(dá)具有良好的相似性，但由于毫米波云雷達(dá)的數(shù)據(jù)分辨率要高于風(fēng)廓線雷達(dá)，觀測(cè)到的降水粒子速度內(nèi)部精度要比風(fēng)廓線雷達(dá)高，能更細(xì)致地反映降水云體的變化情況。

2.2 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)測(cè)量的速度相關(guān)性

風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直采樣間隔低模（150～4 110 m）為120 m，高模（4 110～7 230 m）為240 m，每6 min獲得一次徑向速度數(shù)據(jù)。毫米波云雷達(dá)的垂直采樣間隔為30 m，每1 min獲得一次徑向數(shù)據(jù)。風(fēng)廓線雷達(dá)垂直向下為正，毫米波云雷達(dá)垂直向下為負(fù)。

選用2022年2月21日03：30～06：12（期間降水量為1.6 mm）的風(fēng)廓線雷達(dá)垂直徑向速度和毫米波云雷達(dá)速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行同一時(shí)間點(diǎn)上所有高度上的速度總和及其平均速度的對(duì)比，分別得到圖3和圖4。圖3是兩部雷達(dá)的總速度，可以看出兩者的變化趨勢(shì)較為一致。

R=

根據(jù)上式，計(jì)算風(fēng)廓線雷達(dá)與毫米波云雷達(dá)總速度相關(guān)系數(shù)為0.044，平均速度相關(guān)系數(shù)為0.039，表明兩者之間存在正相關(guān)，但相關(guān)性不強(qiáng)。

風(fēng)廓線雷達(dá)的總速度大于毫米波云雷達(dá)的總速度。降水時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)回波是由大氣湍流和雨滴對(duì)雷達(dá)波共同散射造成的，反映的是空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和雨滴的落速[2]。毫米波云雷達(dá)采用毫米波段的電磁波作為發(fā)射波段，在具備較好的云觀測(cè)能力的同時(shí)受液態(tài)降水的影響也很大，尤其是強(qiáng)度較高的降水雨滴粒子對(duì)毫米波段電磁波的吸收和散射會(huì)使得電磁波能量衰減[3]。因此，弱降水條件下，兩部雷達(dá)測(cè)得速度較為接近。而降水粒子較大時(shí)，毫米波云雷達(dá)容易受米散射的影響，測(cè)得的速度較小，使得兩者速度差異較大。

此外，毫米波云雷達(dá)在探測(cè)時(shí)受雜波的干擾，軟件篩選時(shí)會(huì)被當(dāng)作無效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（這個(gè)數(shù)據(jù)原則上是不能當(dāng)0來處理的），統(tǒng)計(jì)各高度上的總速度時(shí)只能把這個(gè)數(shù)據(jù)剔除掉（相當(dāng)于當(dāng)做0來處理），這樣也使得毫米波云雷達(dá)的總速度變小。

2.3 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)不同高度速度變化趨勢(shì)分析

風(fēng)廓線雷達(dá)每6 min獲取一組數(shù)據(jù)，毫米波云雷達(dá)每1 min獲取一組數(shù)據(jù)，將2022年2月21日05：30的風(fēng)廓線雷達(dá)各高度上的垂直速度，與同一時(shí)間毫米波云雷達(dá)的垂直速度進(jìn)行比較，分析其變化趨勢(shì)。

如圖5所示，風(fēng)廓線雷達(dá)與毫米波云雷達(dá)在各高度上的速度變化趨勢(shì)上基本趨于一致。風(fēng)廓線雷達(dá)的速度趨勢(shì)相對(duì)平滑。在零度層附近時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)與毫米波云雷達(dá)速度達(dá)到峰值后均迅速下降。從圖中可以看出，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)到的零度層高度低于毫米波云雷達(dá)探測(cè)高度，這是因?yàn)楹撩撞ㄔ评走_(dá)的數(shù)據(jù)分辨率要高于風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)分辨率，觀測(cè)到的降水粒子速度內(nèi)部精度要比風(fēng)廓線雷達(dá)高，能更細(xì)致地反映降水云體的變化情況。而風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得的垂直速度數(shù)據(jù)明顯大于毫米波云雷達(dá)測(cè)得的垂直速度數(shù)據(jù)，這是因?yàn)榻邓枯^大，雨滴粒子較大，毫米波云雷達(dá)易受米散射影響，使得毫米波云雷達(dá)測(cè)得的垂直速度數(shù)據(jù)相對(duì)較小[4]。

2.4 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)在不同降水條件下的速度對(duì)比

分析2種雷達(dá)在降水量較大和較小情況下的速度對(duì)比，以尋找共性和差異。選用2023年3月23日15：18～17：54降水量較大時(shí)段（15：00～18：00降雨量為8.3 mm）風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)的徑向速度。150～4 110 m，風(fēng)廓線雷達(dá)每層間隔120 m，4 110～10 110 m，風(fēng)廓線雷達(dá)每層間隔240 m；毫米波云雷達(dá)從30 m開始，每層間隔30 m。2種雷達(dá)選取150～10 110 m同一時(shí)間同一個(gè)高度的速度總和。

圖6為降水量較大和降水量較小時(shí)段（2022年2月21日03：30～06：12）的速度對(duì)比圖。從圖中可以看出，降水量較大時(shí)，2種雷達(dá)在各高度上的速度總和數(shù)據(jù)比降水量較小時(shí)的大。降水量較大時(shí)，兩者總速度平均差值27.5 m/s，降水量較小時(shí)，兩者總速度平均差值95.6 m/s。降水量較大時(shí)，兩者速度差值最大為73.4 m/s，最小為1.6 m/s；降水量較小時(shí)，兩者速度差值最大為123.2 m/s，最小為65.1 m/s。

通過分析可知，在降水量較小時(shí)，毫米波云雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)多為無效數(shù)據(jù)，尤其是在有云但無降水時(shí)，徑向速度數(shù)據(jù)大部分無效，數(shù)據(jù)基本不可用，使得毫米波云雷達(dá)垂直速度均小于風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)。而在降水量較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)毫米波雷達(dá)總速度高于風(fēng)廓線雷達(dá)總速度的情況[5]。

2.5 風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)在不同高度的速度對(duì)比

選取2022年2月21日03：30～06：12時(shí)間段內(nèi)，兩部雷達(dá)在990 m、2 070 m、3 030 m、3 630 m、3 990 m 和4 350 m高度上的速度進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩部雷達(dá)測(cè)得的速度總體趨勢(shì)一致，風(fēng)廓線雷達(dá)速度稍大于云雷達(dá)速度，而云雷達(dá)風(fēng)速變化則較大。在4 350 m處，云雷達(dá)速度明顯低于風(fēng)廓線雷達(dá)速度，可能是由于風(fēng)廓線雷達(dá)位于其亮帶之上，受湍流影響，速度增大，而云雷達(dá)則位于亮帶附近，速度較低。

計(jì)算上述6個(gè)高度風(fēng)廓線雷達(dá)和云雷達(dá)速度的相關(guān)系數(shù)，分別為r990=0.49，r2 070=0.29，r3 030=0.28，r3 630=0.28，r3 990=-0.04，r4 350=0.26，可以看出：亮帶位置處，冰粒子的影響造成兩部雷達(dá)的相關(guān)系數(shù)最低；亮帶以下，相關(guān)系數(shù)隨著高度的增加而降低，這是由于冰粒子融化成雨滴，雨滴較大，云雷達(dá)受到米散射影響；亮帶以上，有湍流影響，相關(guān)系數(shù)也較低。

3 結(jié)論

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)所測(cè)的垂直速度能較好地體現(xiàn)降雨強(qiáng)度的變化情況，兩者均具有零度層亮帶特征，毫米波云雷達(dá)在降雨開始時(shí)有更明顯的測(cè)速反應(yīng)。

（2）風(fēng)廓線雷達(dá)和毫米波云雷達(dá)兩者測(cè)得速度趨勢(shì)基本一致，且具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性程度需要更多的實(shí)例進(jìn)行論證。

（3）毫米波云雷達(dá)的數(shù)據(jù)分辨率要高于風(fēng)廓線雷達(dá)，觀測(cè)到的降水粒子速度內(nèi)部精度要比風(fēng)廓線雷達(dá)高，能更細(xì)致地反映降水云體的變化情況。

在實(shí)際應(yīng)用中，毫米波云雷達(dá)數(shù)據(jù)很多為無效值，尤其是在降水量較小的情況下，相反，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)在降水量較大的情況下容易缺測(cè)，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)不可用，影響兩者數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。因此，在研究中需要對(duì)更多的實(shí)例進(jìn)行分析論證，以期得出客觀的結(jié)論。

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作者簡(jiǎn)介：陳言照（1973—），男，福建羅源人，工程師，主要從事氣象綜合業(yè)務(wù)與研究工作。