風廓線雷達與毫米波云雷達在一次雨雪天氣過程的測速對比分析

摘 要：利用L波段風廓線雷達和Ka波段毫米波云雷達，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到的垂直方向上的速度，結果表明：（1）風廓線雷達和毫米波云雷達所測的垂直速度能很好地體現降雨強度的變化，兩者均具有零度層亮帶特征，毫米波云雷達在降雨開始時有更明顯的測速反應；（2）風廓線雷達和毫米波云雷達兩者測得速度趨勢基本一致，且具有一定的相關性，但相關性程度需要更多的實例進行論證；（3）毫米波云雷達的數據分辨率要高于風廓線雷達，觀測到的降水粒子速度內部精度要比風廓線雷達高，能更細致地反映降水云體的變化情況。

關鍵詞：風廓線雷達；毫米波云雷達；雨雪天氣；測速對比

中圖分類號：P458 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

風廓線雷達是一種新型的無球高空氣象探測設備，它能夠不間斷地提供大氣水平風場、垂直氣流、大氣溫度、大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度變化的分布情況，具有時空分辨率高、連續性和實時性好的特點。毫米波是指波長在1～10 mm范圍內的電磁波，所對應的頻率范圍在30～300 GHz。毫米波雷達發射電磁波至云和降水粒子上時，會產生以粒子為中心向四面八方的散射，其能探測到的粒子直徑遠遠小于雷達波長的粒子直徑，探測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波段風廓線雷達和Ka波段毫米波云雷達。兩者之間的直線距離約30 m，其觀測數據可以較好地反映羅源縣同一時空的氣象要素特點。羅源縣利用L波段風廓線雷達和Ka波段毫米波云雷達對2022年2月16—23日一次雨雪天氣過程測得的垂直方向上的速度進行研究，得到兩部雷達垂直速度的相關性及差異性，通過分析進一步提升了風廓線雷達和毫米波云雷達的資料應用能力，為加快多源融合實況產品的應用積累經驗。

1 天氣實況

從2022年2月16日開始，羅源縣受強冷空氣影響

出現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、中房、西蘭、飛竹、霍口、白塔、起步等中西部鄉鎮出現雪或雨夾雪天氣，高海拔山區有積雪；20日夜間降雪范圍擴大，強度增強；21日早晨，羅源國家氣象觀測站四周的福源山、茅山、白蒙山、筆架山等有積雪，雪線高度約300 m；21—23日轉為液態降水；24日降水停止。

本次過程最低氣溫出現在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。區域自動站最低氣溫為中房鎮-2.9 ℃，全縣6個鄉鎮最低氣溫均低于0 ℃。這是近10年來最強的一次雨雪天氣過程。

2 風廓線雷達和毫米波云雷達的速度對比分析

2.1 風廓線雷達和毫米波云雷達的速度測量對比

2022年2月16日15：28起，羅源縣出現較強的層狀云降水。圖1和圖2分別是風廓線雷達和毫米波云雷達對此次降水的速度測量情況。如圖1所示，15：28，羅源縣開始降水且水量較小，風廓線雷達垂直速度并未發生明顯變化。隨著降水量增大，16：20左右，風廓線雷達出現了大于4 m/s的下沉速度。從16：20左右開始，風廓線雷達出現明顯的零度層亮帶，這是產生連續性降水的顯著特征之一。

對比圖2的毫米波云雷達徑向速度，從15：28降水開始，毫米波云雷達就有明顯的測速反應。從04：00左右開始，毫米波雷達就出現了零度層亮帶，比風廓線雷達出現更早，反應更快。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可知毫米波云雷達探測到的零度層高度（約3.6 km）要高于風廓線雷達探測高度（約2.5 km）。

上述情況說明兩部雷達具有良好的相似性，但由于毫米波云雷達的數據分辨率要高于風廓線雷達，觀測到的降水粒子速度內部精度要比風廓線雷達高，能更細致地反映降水云體的變化情況。

2.2 風廓線雷達和毫米波云雷達測量的速度相關性

風廓線雷達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據。毫米波云雷達的垂直采樣間隔為30 m，每1 min獲得一次徑向數據。風廓線雷達垂直向下為正，毫米波云雷達垂直向下為負。

選用2022年2月21日03：30～06：12（期間降水量為1.6 mm）的風廓線雷達垂直徑向速度和毫米波云雷達速度數據，進行同一時間點上所有高度上的速度總和及其平均速度的對比，分別得到圖3和圖4。圖3是兩部雷達的總速度，可以看出兩者的變化趨勢較為一致。

R=

根據上式，計算風廓線雷達與毫米波云雷達總速度相關系數為0.044，平均速度相關系數為0.039，表明兩者之間存在正相關，但相關性不強。

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

此外，毫米波云雷達在探測時受雜波的干擾，軟件篩選時會被當作無效數據進行處理（這個數據原則上是不能當0來處理的），統計各高度上的總速度時只能把這個數據剔除掉（相當于當做0來處理），這樣也使得毫米波云雷達的總速度變小。

2.3 風廓線雷達和毫米波云雷達不同高度速度變化趨勢分析

風廓線雷達每6 min獲取一組數據，毫米波云雷達每1 min獲取一組數據，將2022年2月21日05：30的風廓線雷達各高度上的垂直速度，與同一時間毫米波云雷達的垂直速度進行比較，分析其變化趨勢。

如圖5所示，風廓線雷達與毫米波云雷達在各高度上的速度變化趨勢上基本趨于一致。風廓線雷達的速度趨勢相對平滑。在零度層附近時，風廓線雷達與毫米波云雷達速度達到峰值后均迅速下降。從圖中可以看出，風廓線雷達探測到的零度層高度低于毫米波云雷達探測高度，這是因為毫米波云雷達的數據分辨率要高于風廓線雷達的數據分辨率，觀測到的降水粒子速度內部精度要比風廓線雷達高，能更細致地反映降水云體的變化情況。而風廓線雷達測得的垂直速度數據明顯大于毫米波云雷達測得的垂直速度數據，這是因為降水量較大，雨滴粒子較大，毫米波云雷達易受米散射影響，使得毫米波云雷達測得的垂直速度數據相對較小[4]。

2.4 風廓線雷達和毫米波云雷達在不同降水條件下的速度對比

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

圖6為降水量較大和降水量較小時段（2022年2月21日03：30～06：12）的速度對比圖。從圖中可以看出，降水量較大時，2種雷達在各高度上的速度總和數據比降水量較小時的大。降水量較大時，兩者總速度平均差值27.5 m/s，降水量較小時，兩者總速度平均差值95.6 m/s。降水量較大時，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，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，毫米波云雷達測得的數據多為無效數據，尤其是在有云但無降水時，徑向速度數據大部分無效，數據基本不可用，使得毫米波云雷達垂直速度均小于風廓線雷達數據。而在降水量較大時，會出現毫米波雷達總速度高于風廓線雷達總速度的情況[5]。

2.5 風廓線雷達和毫米波云雷達在不同高度的速度對比

選取2022年2月21日03：30～06：12時間段內，兩部雷達在990 m、2 070 m、3 030 m、3 630 m、3 990 m 和4 350 m高度上的速度進行對比分析，發現兩部雷達測得的速度總體趨勢一致，風廓線雷達速度稍大于云雷達速度，而云雷達風速變化則較大。在4 350 m處，云雷達速度明顯低于風廓線雷達速度，可能是由于風廓線雷達位于其亮帶之上，受湍流影響，速度增大，而云雷達則位于亮帶附近，速度較低。

計算上述6個高度風廓線雷達和云雷達速度的相關系數，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的相關系數最低；亮帶以下，相關系數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，云雷達受到米散射影響；亮帶以上，有湍流影響，相關系數也較低。

3 結論

（1）風廓線雷達和毫米波云雷達所測的垂直速度能較好地體現降雨強度的變化情況，兩者均具有零度層亮帶特征，毫米波云雷達在降雨開始時有更明顯的測速反應。

（2）風廓線雷達和毫米波云雷達兩者測得速度趨勢基本一致，且具有一定的相關性，但相關性程度需要更多的實例進行論證。

（3）毫米波云雷達的數據分辨率要高于風廓線雷達，觀測到的降水粒子速度內部精度要比風廓線雷達高，能更細致地反映降水云體的變化情況。

在實際應用中，毫米波云雷達數據很多為無效值，尤其是在降水量較小的情況下，相反，風廓線雷達數據在降水量較大的情況下容易缺測，導致部分數據不可用，影響兩者數據的對比分析。因此，在研究中需要對更多的實例進行分析論證，以期得出客觀的結論。

參考文獻

[1] 黃書榮，吳蕾，馬舒慶，等.結合毫米波雷達提取降水條件下風廓線雷達大氣垂直速度的研究[J].氣象學報，2017，75 （5）：823-834.

[2] 鐘正宇，馬舒慶，楊玲，等.結合風廓線雷達的毫米波衰減特性初步研究[J].應用氣象學報，2018，29（4）：496-504.

[3] 張婷，任明武.一種毫米波雷達和圖像特征級融合的目標檢測方法[J].計算機與數字工程，2023，51（11）：2563-2567.

[4] 梁宸，詹鴻宇，劉籮石.風廓線雷達資料在強降水過程中的特征及應用[J].科技創新與應用，2023，13（31）：110-113.

[5] 高宇星，王瑞英，杜萌萌，等.西安一次突發性短時暴雨環境條件及成因分析[J].陜西氣象，2023（6）：26-32.

作者簡介：陳言照（1973—），男，福建羅源人，工程師，主要從事氣象綜合業務與研究工作。