貴州邊界層風廓線雷達數據獲取率分析*

楊 哲，許 弋，曾 勇，曹 水，李麗麗

（1.貴州省大氣探測技術與保障中心，貴州 貴陽550081；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽550081；3.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽550081）

1 概述

風廓線雷達利用大氣中折射率的不均勻能夠引起對電磁波的散射[1]，其后向散射回波被風廓線雷達接收以此來探測目標物所在位置和運動速度，其回波信號強度很微弱，因此風廓線雷達對微弱信號的數據獲取能力是其探測高度性能能否達標的重要指標。胡明寶[2]等對邊界層和對流層風廓線雷達一整年的數據統計得出兩種雷達的探測威力分別為2km 和12km。董保舉[3]等對風廓線雷達在不同天氣條件下的數據探測能力進行了統計分析，表明陰雨天氣的探測高度大于晴天的探測高度。李晨光[4]等分析了1998 年華南暴雨和南海季風的風廓線雷達數據得出高度分布和天氣狀況對數據的獲取率有影響。在云貴高原腹地和強對流過程頻發的威寧，邊界層風廓線雷達的數據探測能力是否可靠？各種天氣條件對其探測性能有多大影響？本文將利用威寧風廓線雷達自運行以來的風場數據對這些問題進行系統分析。

2 雷達簡介及運行情況

貴州威寧邊界層風廓線雷達建于威寧縣氣象局內，為固定式相控陣體制雷達，可以在無人值守情況下24 小時不間斷連續運行，整機功耗較低，自帶ups 功能，其環境適應性較強。該雷達可以長時間固定在某觀測點進行探測，通過連續向五個不同波束方向發射電磁波，再利用探測返回的目標回波數據實時計算出雷達上空的即時三維風場，然后每隔6 分鐘以色塊、廓線圖或表單的形式不間斷地在PC 端顯示出風廓線雷達高度探測能力（60m-5.3km）內的水平風速風向、垂直風速、Cn2（即大氣折射率結構常數）等氣象探測要素隨高度的分布，供業務人員或研究人員分析使用[5]。

2019 年3 月4 日威寧風廓線雷達正式建成開機，全天24 小時不間斷連續運行，自開機至5 月底雷達每天的探測數據樣本數均有丟失，威寧CFL-03 邊界層風廓線雷達設定6 分鐘一個風羽圖產品，24 小時生成完整的數據樣本數為240 個，據實際統計，3 月份運行期間雷達數據樣本數在45-232 之間，數據完整性較差。4 月3 日開始，雷達接連出現停止掃描故障，導致4、5 月份數據完整性極差，故文中均不予討論，6 月初維修完成，雷達正常工作，因此本文主要討論自2019 年6 月至2020 年6 月的風廓線雷達數據。

表1 CFL-03 固定式邊界層風廓線雷達參數性能

3 數據處理及分析

3.1 不同季節月份數據獲取率對比

圖1 威寧風廓線雷達各高度月數據獲取率變化曲線圖

（1）由圖1 可知，1 至12 月份威寧邊界層風廓線雷達的數據獲取率隨月份和季節的變化有一定的區別，以月份來看：1 月、12 月數據獲取率最差，6、7 月最好；以季節來看：夏季數據獲取率最好，秋季、春季次之，冬季獲取率最差。主要由于：冬季天氣特征為降水量較少、空氣濕度較低、天氣系統比較穩定、湍流運動不強，致使回波信號微弱[6]，導致風廓線雷達探測到的數據量減少。

（2）每個月的數據獲取率隨高度變化的大體趨勢具有一定的相似性，各月在低探測高度層60m-180m，數據獲取率均在95%左右，這是由于近地層的地雜波一般較強，當湍流信號較弱時易被地雜波淹沒[7]，從而造成數據缺失。各月在高度層300m-2000m（個別月份可達3000m）之間，隨高度升高，數據獲取率變化不明顯，且數值幾乎接近于100%；在2000m-4700m 高度層數據獲取率基本呈快速下降趨勢，到4700m 左右高度到達最小值；各月在4700m 以上高度層數據獲取率變化基本趨于平緩。

圖2 各月數據獲取率為70%、80%、90%時探測高度

（3）圖2 為威寧邊界層風廓線雷達全年12 個月在70%、80%、90%三種不同數據獲取率情況下的探測高度統計結果，圖中曲線為80%數據獲取率的隨月份變化情況。90%數據獲取率的最低探測高度在2200m 左右，70%數據獲取率最高可達4800m 左右，三種情況下平均探測高度在3000m-3500m 之間。總體來看威寧邊界層雷達最可靠的有效探測高度在0-2200m，比較可靠的有效探測高度在2200m-3500m，基本可靠的有效探測高度在3500m-4200m 左右。

（4）若以風廓線雷達數據獲取率大于80%為可靠標準，根據上圖統計結果所示威寧邊界層風廓線雷達最低有效探測高度在冬季（12、1、2 月）為2400m 左右，春季（3、4、5 月）為3300m 左右，最高有效探測高度在夏季（6、7、8 月份）為4700m 左右，秋季（9、10、11 月）為3800m 左右。

3.2 不同時次數據獲取率對比

圖3 為一整年每天數據獲取率的平均變化曲線，圖中可以看出邊界層風廓線雷達一天中各個時段數據獲取率變化差異不明顯，2000m 以下高度穩定，2000m 以上高度數據獲取率直線下降，最終趨于穩定。通常情況下白天的湍流運動要強于夜間，因此在較高的高度層上白天數據獲取率會高于白天，有學者提出[8]這是由于冬春季節，晚間有逆溫時或冷空氣過境兩天內，風廓線雷達探測高度會降低。而夏季夜間長有降水數據獲取率又會提高，從而使得各高度層年均數據獲取率的日變化較小。

圖3 分時次數據獲取率統計結果

圖4 不同時次數據獲取率為80%、90%的探測高度

圖4 為風廓線雷達全年的分時段統計80%、90%數據獲取率下的探測高度結果，同一數據獲取率時一天24小時各個時段的探測高度有區別但相差不大，最低與最高探測高度僅有300 余米的差值，一整天探測高度的最低值在黎明時分，而最大探測高度在傍晚。80%和90%數據獲取率的探測高度平均差值為400m 左右。同樣以80%數據獲取率為準，一天中最大探測高度在17 點至21點之間其值為3350m 左右，最低探測高度在6 點至7 點之間為2880m 左右。

3.3 不同天氣條件數據獲取率對比

選取4、7、10、1 月為春、夏、秋、冬的代表月份，對比有、無降水對風廓線雷達數據探測力的影響。

圖5 有、無降水時各代表月綜合數據獲取率曲線

如圖5 所示，有降水時近地面層（高度300m 以下）的風廓線數據獲取率為80%左右始終低于無降水時的將近100%，從500m 處開始有降水數據獲取率迅速升高至近100%但仍然較無降水時的獲取率稍低，直至2000m處無降水的數據獲取率開始急劇下降，而有降水的獲取率一直保持至3500m 才開始下降且降速較無降水的慢，到5300m 處無降水時的數據獲取率降低至不到30%，有降水時的獲取率降至大于60%多。

圖6 有、無降水時的探測高度

如圖6，有降水時風廓線雷達的有效探測高度始終大于無降水時的高度，且冬季有、無降水的有效探測高度差值最高，這是由于冬季空氣干燥氣流穩定無降水的探測高度已依然很低，而有降水時的探測高度各個季節都穩定在4000m 以上，造成有、無降水的探測高度差值大。處于夏季的7 月份較其他季節月份降雨多且湍流強，因此其有效探測高度可達5300m 以上。

4 結束語

（1）一天24 小時各個時段的風廓線雷達探測高度有區別但相差不大，最低與最高探測高度僅有300 余米的差值，探測高度的最低值在黎明時分，而最大探測高度在傍晚。一天中最大探測高度在17 點至21 點之間其值為3350m 左右，最低探測高度在6 點至7 點之間為2880m左右。

（2）隨月份和季節的變化風廓線雷達的數據獲取率也產生了一定的變化，以月份來看：1 月、12 月數據獲取率最差，6、7 月最好；以季節來看：夏季數據獲取率最好，秋季、春季次之，冬季獲取率最差。以數據獲取率大于80%為可靠標準，該風廓線雷達最低有效探測高度在冬季為2400m 左右，最高有效探測高度在夏季為4700m 左右。

（3）有、無降水對風廓線雷達數據獲取率有一定影響，除近地面層（300m 以下）外有降水數據獲取率均較無降水的好，各季節有降水的雷達有效探測高度均高于無降水的高度，且有降水的雷達探測高度均高于4000m，夏季最高可達5300m 以上；有、無降水的最大有效探測高度差在冬季，差值為2000m 左右；有、無降水的平均有效探測高度差為1000m。