风廓线雷达的测风原理及数据应用

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摘 要：风廓线雷达作为新一代的高空大气探测系统，可实现对大气风场的遥感探测。到2020年，我国计划布设120部左右对流层风廓线雷达，并纳入气象综合探测业务系统；在中尺度天气监测网和城市环境气象观测系统中，也将按需布设边界层风廓线雷达。因此，开展风廓线雷达数据质量控制及其应用研究对于即将全面展开的风廓线雷达布网及其数据应用具有十分重要的意义。

关键词：风廓线雷达；干扰特征；数据质量

0.引言

风廓线雷达，主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备，是应用微波遥感探测原理实现自动化大气探测的先进装备。风廓线雷达所测风向风速有坚实的理论基础，数据是可信的。风廓线雷达测风与传统测风的方法不同，所测数据可能有较大的差异。要解决风廓线雷达所测风向风速数据的业务应用问题，必须进行深入研究。

1.风廓线雷达的测风原理和方法

1.1大气湍流散射。由于大气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射电磁波，即使在晴空的情况下也会接收到大气的回波。描写大气湍流散射的雷达方程为：Pr=7.3×10-4Cn35・PtGhL2R2式中Pr为雷达接收到回波功率，Pt是雷达发射的脉冲功率，h是雷达的取样长度，τ是雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈系统的损耗，R是回波所在的距离。能够形成晴空回波散射机制的一个必要条件是探测区域的湍流尺度等于二分之一的电磁波波长。由于大气的湍流尺度随高度增加，不同探测高度的风廓线雷达要采用不同的电磁波波长。风廓线雷达通常使用电磁波频率如表1。

1.2风廓线雷达的基本工作机理。通常采用五波束体制，有北、东、南、西四个倾斜方向和一个垂直方向，顺序向空中发射电磁波。倾斜波束的倾角从10°到20°不等。由接收机接收大气湍流回波，根据回波的多普勒频移值得到不同方向上大气运动速度的信息，然后合成风向风速。由三个波束即可计算出风向风速。设风矢量沿正东正北和铅垂方向的分量为Ue、Un和Ud，矢量沿偏东、偏北和铅垂三波束上的投影，各向速度分量计算公式为：Ure=Uesin+Udcos

Urn=Unsin+Udcos

Urd=Ud

径向速度以朝向天线运动为正，矢量的分量取正值代表风来向。水平风速VH、风向α由UE、UN导出：α=tan-1UEUN；VHUE2+UN2。垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。由于倾斜波束偏离垂直的角度较小，取其水平分量的误差较大，因此，垂直波束的测量误差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适于大气垂直气流的测量。

1.3风廓线雷达测风的分层高度。风廓线雷达可采用不同的模式工作，由发射脉冲宽度确定测风的分层高度。边界层、对流层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。如某对流层风廓线雷达的三种工作模式对应的脉冲宽度分别是0.5μs、2μs、10μs。1μs电磁波传输了300m的距离，则低、中、高模式的体平均值分别为75m、300m和1500m。表明每种模式分别对应厚度风的平均值。如图1所示。

即使边界层风廓线雷达其风层高度也不会小于50米。即风廓线雷达测量的也是某一层空气厚度的风向风速平均值。不可能是瞬时值。

1.廓线雷达所测风向风速廓线

风廓线雷达所测风向风速通常用气象业务应用的风羽图表示，所用符号与气象用风向风速符号相同，有时为了区别风的大小以不同颜色表示。如图2所示。

图3是一个方向的回波图，是计算各个方向上速度径向分量的依据，设备同时还可以显示径向分量的数值。

1.廓线雷达所测风向风速的特性。由风廓线线雷达的工作波长可知，任何高度，五个波束在相同时间的一次采样都不是针对一个湍流气团的。由湍流尺度为波长的二分之一可知，湍流尺度在厘米量级。风廓线雷达所测风向风速的基本特性：

1）所测风的采样空间是固定的，分层高度是固定的。

2）每层的风向风速都是用风南北和东西矢量合成的。包含了一层内所

有的细节。中间的每个位置的湍流运动信息对平均值都有贡献。

3）必须取较长时间的平均值，不可能得多瞬时值。

1.6风廓线雷达回波信号的特点

风廓线雷达的回波是微弱的具有明显起伏涨落、谱宽较宽的并伴有多种杂波的随机信号。微弱、涨落和伴有杂波是风廓线雷达回波信号的突出特点。并且回波信号随高度的增加反射率迅速减小。因为回波信号非常微弱，所以极强检测微弱信号的能力是对风廓线雷达的基本要求。有用信号大多淹没在杂波之中是风廓线雷达回波信号的另一特点。因此，如何将有用的气象信息从多种杂波中分离、识别出来，是风廓线雷达的又一技术难题。

2.风廓线雷达的应用

2.1风廓线雷达与传统测风的不同

传统测风方法，在计算层内的大气波动被掩盖。采用线性内插法，风向风速分别计算割断了风向风速间的联系。风是一个矢量，一切运算要遵循矢量计算的法则，目前对空中风向风速的内插方法是错误的。传统的气球测风方法在大多数情况下测量的不是测站上空的数据，空中风速越大距离越远。风廓线雷达所测风向风速在一规定层内利用了所有的湍流运动信息。风向风速的计算是用矢量合成的，其平均值包含了规定层内所有的气流变化的信息。风廓线雷达对风向风速的平均尺度是可以变化的。在滑动评剧的情况下可能有相位的滞后。由此造成所测风的变化与实际风的变化不一致。风廓线雷达能够测量大气垂直气流的变化，并且误差比水平方向上要小。传统的气球测风不可能得到大气垂直气流的数据。

2.2风廓线雷达数据的应用

从风的随时间连续变化中，可以得到风向风速演变的信息，这是传统测风方法不能做到的。可以用于风切变的判断，对短期天气预报特别有用。如图4可以看出锋面过境的情况：

3.结论

可以利用风廓线雷达的分层数据代替传统的测风数据，用于气象勤务保障，例如提供弹道风。但必须注意与传统测风的区别。由于目前的所有应用的数学模型都建立在传统测风的基础上，在应用风廓线雷达的测风资料时必须注意进行修正。修正的方法应作为课题进行研究。

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