1、风廓线仪与气球测风资料的对比分析第 26 卷第 3 期2008 年 9 月干旱气象ARIDMErEOROLOCYVoI.26No.3Sept,2008文章编号:10067639(2008)一 03004805引言风廓线仪与气球测风资料的对比分析孙旭映,韩晖,段海霞,张良,李忆平,闫敬泽,渠永兴(中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验窒,中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃兰州 730020)摘要:利用风廓线仪和气球同步探测风场资料对比, 分析了风廓线仪探测风场资料的可靠性.结果表明:在稳定天气过程中,由于风廓线仪的探测盲区和地物杂波的影响 ,自地面至高空 2
2、00111 范围内,廓线仪探测的风向,风速与气球探测的风向风速值有一定偏差,200Ill 高度以上风廓线仪和气球探空所测得的风场廓线具有很好的相关性;在复杂天气过程中风场廓线形状出现较大偏差,主要原因是由于气球探空资料在各高度层之间的整体连续性方面存在明显不足,而风廓线仪的观测资料无论在各高度层之间还是整体连续性方面都明显好于气球探空.这与在较高海拔地区,气球观测期问的大气局部不稳定有关.由于气球在经过某高度层时的取值明显受到当时大气层局部小湍流活动或者较强的下沉或上升气流影响,使气球经过该点时的位移与其相邻两点之间出现明显的飘逸,从而造成气球在某个高度范围内的风资料观测值出现较大偏离.但由于
3、探空气球的资料不连续,无法准确判断气流扰动情况,而风廓线仪获取的不同高度上的风资料是 10rain 内的平均观测值,一般不受小范围的空气扰动而出现较大偏离,另外,风廓线仪的观测是连续的,每组观测值之间只存在 10rain 的时间差,通过对前后几组数据的对比分析,可以明显看出当时气流的扰动情况.因此,风廓线仪探测在资料的连续性和分析气流扰动情况,尤其是大尺度湍流活动方面更有探空气球不可替代的作用,风廓线仪观测资料的可靠性具有良好的应用价值.关键词:风廓线仪;工作原理;对比分析中图分类号:P412.16 文献标识码:A风廓线仪出现在 2O 世纪 8O 年代,近 2O 多 a 已经在发达国家得到了广
4、泛应用.与常规大气探测设备相比,风廓线仪具有连续无人值守,可全天候监测及提供低层大气三维风场和温度廓线(须与无线电声探测系统 RASS 配合).实际表明:风廓线仪在气象探测领域具有重要的应用价值,可以提供高时空密度的水平风廓线,垂直风速,湍流,大气稳定度等信息,以及高空风和低空急流活动特征.美国于1992 年开始在全美建成包括 35 部风廓线仪的观测网,并投入业务运行,lO 多 a 的运行结果表明:风廓线仪网资料能满足观测精度的要求,其时空分辨率超过任何高空风测量系统-21.NOAA 在对风廓线仪网进行评估时指出:6min 时段的风廓线资料能显示出锋面,短波波动,气旋和重力波等系统连续详实的演
5、变过程,资料同化后,明显地改善 36h 临近数值预报的结果J.美国还计划研制适用于热带海洋地区的太阳能自动风廓线系统.日本已于2003 年 6 月建成包含 31 部风廓线仪的气象业务观测网,观测资料在多个领域得到广泛应用,芬兰,德国,瑞士,英国,法国都建造有自主的风廓线仪网.我国一直在积极开展风廓线仪的研究,从“七五“ 开始我国先后有多家单位进行了不同频段的风廓线仪的试验或研制.1989 年中国气象科学研究院研制了 UHF 风廓线仪探测系统,用于北京中尺度灾害天气预报基地的试验业务,证明了其资料具有较好的可靠性 J.1997 年华东电子工程研究所承接了某型号机场低空气象探测雷达的研制任务,该系
6、统由边界层风廓线仪,微波辐射计和地面多种遥收稿日期:20080310:改回日期:20080513基金项目:干旱气象科学研究基金“风廓线仪在沙尘暴天气观测中的应用研究“(IAM200820)资助作者简介:孙旭映(1973 一),男,甘肃静宁人,硕士,助理研究员,从事大气物理学研究工作.Email:sunxuyIona.conl第 3 期孙旭映等:风廓线仪与气球测风资料的对比分析 49测设备组成,它是一套综合性的地基遥测系统,RASS 可连续 ,实时地同时给出低空风,温,湿,压 4种气象基本要素.中国气象局实施全国气象发展十五计划以来,我国在相关方面的研究有了长足的进步:中电集团 l4 所研制开发
7、的观测高度达 8km 的风廓线仪,中国航天机电集团 23 所研制的探测高度达到 l6km 的风廓线仪已于 2004 年 11 月先后转交中国气象局进行业务考核.2004 年 11 月 2613,监测网络司召开国家风廓线仪发展规划研讨会,形成统一意见:力争通过“十一五“ 建设,初步形成我国风廓线探测业务网.2005 年 7 月 26 日,中国气象局大气探测综合试验基地启动风廓线仪对比试验,计划从国内众多产品中选出性能优良的产品定型生产,用于我国的风廓线仪业务网建设 J.中国气象局兰州干旱气象研究所购置的 Airda3OOOQ 型车载移动边界层大气探测雷达系统是由北京爱尔达电子设备有限责任公司生产
8、,能迅速到达指定现场并实时测量 3500m 高度下大气诸要素,如三维风场数据等,数据以无线通讯的方式实时传送到应急指挥中心,为正确迅速处理突发事件提供科学依据.通过风廓线仪和气球同步探测风场资料对比分析,掌握风廓线仪在较高海拔地区探测风场资料的可靠性很有意义.1 风廓线仪测量原理风廓线仪多利用晴空散射现象进行工作.大气温度和湿度的湍流脉动将引起大气折射指数产生相应的涨落,雷达波束的电磁波信号遇到这些折射能力不一的气团将被散射,这种散射与大气中云雨质点造成的散射不同,称为晴空散射.散射气团随风飘移,沿雷达波束径向的移动导致回波信号产生多普勒频移,比较发射波束和回波的频率可以得到回波信号的多普勒频
9、移值,由多普勒原理可以直接计算出散射气团沿雷达波束径向的移动速度,即背景风场沿雷达径向的分量.雷达波束中未被散射部分将继续传播,在传播过程中其回波信号将带回新的高度上的风场信息,进而获得大气风场的廓线.为了测得大气的三维风速,风廓线仪一般采用 3 至 5个波束工作,必须有一束指向天顶,其余波束采用向东西,向南北以一定的倾角发射,如图 1,测出各波束发射方向的径向风速,就可合成大气垂直运动速度,水平风场的情况 J.风廓线仪在对空间进行探测时,采用了均匀风的假定.在均匀风假定的条件下对各高度层上的水平风向,风速的处理方法如下:Vrx(h),Vry(h),Vrz()为风廓线仪在天顶指向,偏东 0 指
10、向,偏南 0指向测得的径向速度随高度的变化,在对晴空大气进行探测时,大气中风的 3 个方向的分量计算公式为:()=()一(h)COS()/cos(90 一)(IL)=()一()cos(8)/cos(90 一)(h)=(h)其中 0 是雷达波束与天顶方向之间的倾角.由此可计算出各高度上水平风在,y,z 方向上的分量(h),(),(h).根据以上方法得到的 3个方向的风速分布,即可得到测站上空风随时间的演变情况.这样便得到一组实时风廓线.为提高风速,风向的可信度,数据处理终端还对各风速,风向值进行一致性平均和质量控制(Qc)处理.当有降水出现时,(h) 与降水质点下降末速度和大气垂直运动速度的关系
11、为:()=()一()图 1 风廓线仪工作原理Fig.1Theworkingprincipleofanatmosphericwindprofiler2 风廓线仪硬件组成风廓线仪一般由由微带平面相控天线,固态发射机,接收机,监控系统,数字信号处理器和数据处理终端等子系统组成.天线由微带平面相控小阵组成,可形成 3 或 5个固定波束指向,波束转换时间1m8.发射机干旱气象 26 卷为全固态发射机,可工作于极窄脉冲宽度.接收机为一次混频超外差式全相参接收机.信号处理器由专用和通用超大规模集成电路完成,雷达参数更改灵活,处理方式可变.用户界面友好,多数雷达工作参数均可通过终端界面进行设置,输入和修改,对
12、风场分布具有 3 种不同的显示方式,故障信息除在相应的分系统面板上指示外,还被送往终端画面显示,便于操作人员及时掌握系统的工作状态.在大气中随时存在各种尺度的湍流,它们引起的折射指数的不均匀变化会对无线电流产生散射作用.由于湍流存在于气流之中并随之移动,可将之看作平均风速的示踪物.风廓线仪正是利用大气湍流对雷达电波的散射作用来遥感探测风速的.3 测量精度风廓线雷达的测量精度主要是由径向速度的测量精度决定的,径向速度除了决定于信噪比外,还与均方根时宽即有效时宽和雷达工作频率有关.在不影响最大探测高度的情况下,工作频率越高测量精度越高,垂直风速的测量精度即为径向速度的理论测速精度,水平风速的测量精
13、度由径向速度精度决定,径速精度越高水平风速精度也越高;同时它还与雷达倾斜波束的偏顶角及其精度有关,倾斜角越大测量精度越高,但倾斜角太大会破坏水平风场的均一性假设,而风向的精度不仅与水平风速的精度有关,还与水平风速的大小有关,水平风速越大,则风向精度越高.Airda3OOOQ 型雷达的工作频率为 1290MHz(点频工作); 发射机峰值功率为 1500W;脉冲宽度:0.33,0.67,i.33,2.67Ixs;脉冲周期为 4100“s;最大探测高度为 2000 3000m,主要取决于气象条件;最小探测高度为 50100m,主要取决于下垫面和地杂波影响;水平风向范围为 0360.;水平风速范围为
14、060m/s;垂直气流速度范围为20m/s;高度分辨率为 50/100m(可选);时间分辨率为 260rain,1rain 步阶;风向分辨率为 1.;风速分辨率为 0.1m/s;探测精度:水平风速为1m/s(风速 30m/s 以下),2m/(风速 3O60m/s);水平风向为15.;垂直气流速度为0.3m/s(风速7.5 以下),0.6m/( 风速 7.520m/s).4 对比分析为了验证风廓线仪资料的可靠性,国内外许多专家在不同地区都做过对比试验,结论都比较满意.在我国安徽肥西进行的“973“暴雨野外试验中进行的对比观测表明:风廓线仪探测系统与探空仪的测量数据有较好的一致性,风向,风速的相关
15、系数分别为 O.966,0.866 引.2007 年 12 月,中国气象局兰州干旱气象研究所在兰州市榆中国家气候观象台(35.5.N,104.0.E,海拔高度 1870m)进行了风廓线仪与 GFE(L)1型二次测风雷达气球探空的对比试验.试验所采用的风廓线仪为北京爱尔达公司生产的 Airda3OOOQ型,探空系统采用 GFE(L)1 型二次测风雷达.榆中国家气候观象台气球业务探空为每日 3 次(北京时间 0l 时,07 时,l9 时);风廓线仪探测采用24h 连续观测(中途停电除外),探测时间为 2007年 12 月 2228 日,风廓线仪最大探测高度 3450m,最低探测高度 50m,高度分
16、辨率为 50m,时间分辨率为 10rain,提取与测风气球探空同步观测的有效资料 l5 份,并对风廓线仪与测风气球的风资料进行相关分析.结果发现,二者风速相关系数平均为 0.80,风向相关系数平均为 0.57,风速相关系数0.70 的共 l2 次,占总次数的 80%,风向相关系数0.50 的共 l3 次,占总次数的 87%.有 2 次观测数据相关不理想,分别是 2007 年 l2 月 22 日 19:15(风速,风向相关系数分别为 0.46,0.47)和 24 日07:15(风速,风向相关系数分别为 0.68,0.23).选取风廓线仪与气球探空同时观测的风向,风速相关性较好(图 2(a),(b
17、)和最差的 (图 2(e),(d)进行对比.由图 2(a),(b)可见 ,风廓线仪和气球探空所测得的风场廓线形状很接近,两者的风向,风速相关性较好,2007 年 12 月 27 日 19 时二者探测的风向,风速相关系数分别达到 0.65 和 0.90,2007 年 12 月28El01 时二者探测的风向,风速相关系数分别达到 0.81 和 0.83;只是在个别层次有一定偏差,地面200in 以下偏差较大,主要是由于风廓线仪的探测盲区和地物杂波的影响,200m 以上出现一定的偏差,主要原因是受大气边界层湍流活动的影响.另外,由于风廓线仪获取的不同高度上的风资料是一段时间内(本文采用时间间隔为 10rain)该高度风场平均,探空仪获得的某高度层上的风资料是气球上升经过该高度时的矢量值,这同样是出现偏差的另一个原因.图 2(c),(d)中, 风场廓线形状出现较大偏差,第 3 期孙旭映等:风廓线仪与气球测风资料的对比分析,厦匿.叵匿越,?叵,厘噻.一 I孳仪 Lt,.:I 一.J.高度,mllf 一廓线侧cV一.:.,_._IJ高度,ml 一廓线仪 1.1一雷达卜I-I一-V 一 J厂:/-.:./-,q高度,ml壁昝仪 j.I.亩】 l-.-u.一,ft一t-J高度nl,.,
