漳州市氣象局 黃奕丹 陳錦鵬 吳建成 楊德南

風廓線雷達資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用*

漳州市氣象局 黃奕丹 陳錦鵬 吳建成 楊德南

利用上海徐家匯2014年9月～2015年2月風廓線雷達資料，分析了徐家匯上空水平風速與地面能見度的關(guān)系，結(jié)果表明，在800m～1600m高度上，水平風速小于10m/s，且持續(xù)時間長時，地面能見度下降，風速越小，能見度下降越明顯；當水平風速小于5m/s時，則可能出現(xiàn)嚴重灰霾天氣。結(jié)合風廓線資料，對一次灰霾天氣進行分析，發(fā)現(xiàn)風廓線雷達探測風場具有實時性特點，能較快發(fā)現(xiàn)風向的變化，進而判斷污染物的擴散方向和傳送途徑，能夠?qū)姻蔡鞖庾鞒龆虝r預(yù)報；在風廓線雷達垂直速度剖面圖上，可以直觀地看出某時刻400m～1600m存在上升氣流，當大氣的垂直上升運動明顯時，會使近地面出現(xiàn)弱輻合區(qū)，形成小尺度局地環(huán)流，使污染物集聚，較易出現(xiàn)污染天氣。

風廓線雷達 灰霾天氣 監(jiān)測分析 上海

1 概述

風廓線雷達對大氣三維風場有著較強的探測能力，當大氣水平均勻時，風廓線雷達利用逐次探測東、西、南、北4個傾斜波束指向與一個天頂?shù)拇怪辈ㄊ赶蛏系母鞣N距離庫的多普勒頻移速度，將同一層高度上五個波束指向的多普勒頻移速度探測值合并求出某地上空的三維風場[1]。它能夠在站點的正方位對風進行實時探測。由于風廓線雷達探測風場準確度高、有著實時性與連續(xù)性的特征，是目前氣球探空儀所不能比擬的，對天氣預(yù)報有著很大作用，并且能夠提高環(huán)境監(jiān)測的準確性。

王開燕等[2]利用廣州南沙地區(qū)的風廓線雷達資料對2008年7月至2010年6月的灰霾日進行了分析，得出風速對灰霾天氣的出現(xiàn)與否有著非常重要的影響。江斌等[3]將合肥地區(qū)對流層風廓線雷達獲取的資料進行分析，進而更好地使用數(shù)值產(chǎn)品。魏文濤等[4]將塔克拉瑪干地區(qū)大氣監(jiān)測試驗站2010年4月11日沙塵天氣時的風廓線雷達資料進行分析，闡明了風廓線雷達是一種能夠進行有效沙塵天氣探測和監(jiān)測的高空大氣遙感系統(tǒng)。陳楠等[5]將南京地區(qū)的某次降水過程的風廓線雷達數(shù)據(jù)與自動站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)伴隨降水天氣的出現(xiàn)，雷達數(shù)據(jù)中的速度譜寬、垂直速度和折射率結(jié)構(gòu)數(shù)值都顯著變大。徐桂榮等[6]利用風廓線雷達分析大氣邊界層溫度、濕度的結(jié)構(gòu)及其日變化的特點。目前對風廓線雷達的研究主要是在風廓線數(shù)據(jù)的分析和評估上，而將其應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的較少。

上?？諝馕廴締栴}日益嚴重，已逐漸成為城市發(fā)展的一大障礙。風對污染物的擴散具有十分重要的作用，研究上海不同探空層次的風場特征，以及風隨高度的變化規(guī)律是分析上海大氣污染的重要依據(jù)。利用風廓線雷達對上海上空風場特征的研究，有利于了解上海地區(qū)灰霾天氣發(fā)生的一般規(guī)律，提高環(huán)境氣象的預(yù)測預(yù)報準確率。

2 資料與方法

通常在大氣環(huán)境監(jiān)測中，人們對大氣污染情況的直觀反映是能見度。收集2014年6月至2015年2月上海徐家匯的地面觀測資料，通過計算得到各項氣象要素與能見度之間的相關(guān)性。

分析2014年9月至2015年2月風廓線雷達數(shù)據(jù)，把日平均能見度與各個高度場的日平均風速作相關(guān)計算，探究其規(guī)律。

選取上海地區(qū)一次灰霾天氣過程，利用風廓線圖和垂直氣流圖反演風場特征，應(yīng)用在灰霾天氣過程分析中其生消的天氣成因。

3 能見度與地面要素的關(guān)系

3.1 環(huán)境污染與能見度的聯(lián)系

能見度指的是水平能見度，白天能見度指的是在當時的天氣條件下，視力正常的人能夠從天空的背景里看到和識別出目標物的最大水平距離，夜間能見度指的是能夠看到和斷定出一定燈光強度的最大水平距離。它可以反映出大氣環(huán)境質(zhì)量，能見度的大小是描述環(huán)境污染程度的特征量。

3.2 能見度與氣象要素的相關(guān)性

將2014年6月至2015年2月上海徐家匯氣象要素和能見度資料計算相關(guān)系數(shù)。為了較好的分析灰霾天時氣象要素和能見度的關(guān)系，把降水造成能見度降低的情況排除。從表1可以看出，風速與能見度的相關(guān)系數(shù)最大，且成正相關(guān)。

風場的時空變化規(guī)律在空氣污染物擴散和傳輸中起著重要的作用，因此提高客觀分析風場精度是十分必要的。從表1可見，風速與能見度的相關(guān)性并不是很高，這是因為地面觀測所探測的風速是距離地面10m高的風速，而是否會出現(xiàn)污染天氣與大氣混合層高度有著非常重要的聯(lián)系，混合層高度較高時，就更有利大氣污染物垂直方向上湍流交換。因此，預(yù)測是否會出現(xiàn)污染天氣，只有常規(guī)地面觀測資料是遠遠不夠，而風廓線雷達可以探測到距離地面100～4000m以上的風場特征，彌補了常規(guī)地面觀測風向、風速的局限。

表1 2014年6月至2015年2月能見度和地面氣象要素間的相關(guān)性分析

4 能見度與高空風速的關(guān)系

4.1 資料概況

灰霾天氣的產(chǎn)生和風場特征關(guān)系密切，風廓線雷達可以對風場進行實時探測，顯示各高度層水平、垂直風場的特征。上海近20年來污染排放增加明顯，導致環(huán)境污染日益加重。利用2014年9月至2015年2月上海徐家匯風廓線雷達數(shù)據(jù)，分析風場的變化特征，與地面能見度的變化找出相關(guān)性。

4.2 能見度與各高度層水平風速的相關(guān)分析

將上海徐家匯2014年9月至2015年2月的日平均能見度數(shù)據(jù)與風廓線雷達所測量到的各高度層的日水平風速進行相關(guān)性計算，如圖1所示，圖中黑色的柱狀圖表示相關(guān)系數(shù)在0.05置信水平下顯著, 800～1600m高度層的風速與能見度的相關(guān)性較大，且呈正相關(guān)，表明了800～1600m高度層的風速越大時，地面能見度越高。反之，當風速減小時，地面能見度也相應(yīng)降低。這就說明800～1600m高度層的風速與灰霾天氣的出現(xiàn)與否有著非常重要的聯(lián)系，當風速較大時，不容易出現(xiàn)灰霾天氣，相反則較易出現(xiàn)灰霾。

圖1 能見度與各高度層水平風速的相關(guān)分析

篩選出2014年9月至2015年2月上海徐家匯的灰霾天氣，并分別計算高度層為760～1000m、1060～1300m、1360～1600m的平均高度層風速，將出現(xiàn)灰霾天氣時的日平均能見度分別與這三層的日平均風速進行對比分析（圖2），可以看出：出現(xiàn)灰霾天氣時，在800～1600m高度上的水平風速不會超過20m/s，大多數(shù)風速在10m/s以下，偶爾風速較大時，能見度在10km左右，出現(xiàn)輕度灰霾天氣；當水平風速減小時，能見度隨之降低，并且較小的水平風速持續(xù)時間長時，能見度越低，甚至降低至5km以下，出現(xiàn)嚴重的污染天氣。表明在800～1600m的高度層上，水平風速的減小趨勢和持續(xù)的時間與灰霾天氣的嚴重程度具有密切關(guān)系，當風速較小、持續(xù)較長時，灰霾越嚴重。

圖2 灰霾天氣地面能見度與不同高度水平風速的對比分析

5 基于風廓線雷達的一次灰霾天氣過程探測分析

5.1 實例概述

2015年1月10日8時起，上海發(fā)布空氣重污染藍色預(yù)警?，F(xiàn)將10日前后的能見度進行分析。如圖3所示，1月8 日14時的能見度為11km，還未達到灰霾天的標準，9日08時的能見度下降至3.7km，往后幾個時刻能見度都小于5km，出現(xiàn)重度污染天氣，直到12日08時天空狀況才轉(zhuǎn)好，能見度達到20km，污染過程結(jié)束。

圖3 2015年1月7～12日上海能見度變化

5.2 水平風廓線資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用

將2015年1月7－12日的風廓線雷達數(shù)據(jù)繪制成風廓線圖，圖4所示，1月7日800～2500m風速大，1600m以上水平風速主要大于18m/s，800～1600m水平風速主要為10～16m/s，此時平均能見度達到15km。8日下午（圖5），800～1600m風速開始減小，當風速小于10m/s時地面能見度開始下降，而后風速持續(xù)減小，到了9日（圖6），1600m以下的風速以小于5m/s的風速為主，造成9日至10日能見度小于5km，出現(xiàn)嚴重的污染天氣。圖7所示，11日1600m以下的風速逐漸增大，但能見度并沒有好轉(zhuǎn)，因為11日下午起1600m以下東北風加大，滯留在上海東北方向海面上的污染氣團順著東風回流（圓圈位置），輸送回上海，瞬間加劇了空氣污染。利用風廓線雷達每五分鐘能夠探測一次，及時監(jiān)測到整個過程風場的變化過程。因此，利用風廓線雷達來進行短時的灰霾預(yù)報具有可能性。12日凌晨800～1600m的風速逐漸加大到10m/s以上，能見度開始好轉(zhuǎn)，達到10km左右，而后風速一直維持在大于10m/s（圖8），12日08時能見度達到20km以上,此次灰霾天氣過程結(jié)束。

從整個過程來看，灰霾天氣是否出現(xiàn)主要是受800～1600m風速影響，當800～1600m風速較大時，能見度較好，不容易出現(xiàn)灰霾，當風速持續(xù)減小時，經(jīng)常出現(xiàn)灰霾天氣。風廓線雷達探測風場具有實時性，能較快發(fā)現(xiàn)風向變化特征，有助于灰霾天氣短時預(yù)報，實際中將風廓線雷達資料應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量變化預(yù)測也有很好效果。

圖4 2015年1月7日風廓線雷達水平風速高空剖面圖

圖5 2015年1月8日風廓線雷達水平風速高空剖面圖

圖6 2015年1月9日風廓線雷達水平風速剖面圖

圖7 2015年1月11日風廓線雷達水平風速剖面圖

圖8 2015年1月12日風廓線雷達水平風速剖面圖

5.3 垂直風廓線資料在灰霾天氣分析中的應(yīng)用

風廓線雷達不僅能夠獲取高低空水平風速、風向的信息，還能獲取垂直風速的數(shù)據(jù)，將2015年1月9－10日上海徐家匯垂直風速資料進行處理，制作垂直速度剖面圖（圖9），發(fā)現(xiàn)400m以下的垂直風速很小，接近于0，高度在400～1600m時，垂直風速明顯增大。高度在1600m以上時，垂直風速又急劇下降。9日20時的垂直速度顏色表示明顯，垂直速度為負，且在700m處達到負的最大值，表明此刻上升氣流明顯，大氣垂直上升運動會使近地面較容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成了小尺度的局地環(huán)流，周邊的污染物容易輸送過來，并集聚，導致了9～10日嚴重的空氣污染。

6 結(jié)果與討論

（1）在排除降水對能見度的影響時，常規(guī)氣象要素中的風速和能見度呈現(xiàn)正相關(guān)，是否出現(xiàn)灰霾天氣與當天的風速密切相關(guān)。

（2）上海秋、冬季地面能見度的高低與800～1600m高度層的水平風速大小有著緊密的聯(lián)系。當水平風速大的情況下，能見度也相應(yīng)的較大，不易出現(xiàn)灰霾天氣。反之，當水平風速小于10m/s，且持續(xù)時間較長時，能見度就會下降，風速越小時，能見度越低，當風速比持續(xù)小于5m/s時，就可能出現(xiàn)很嚴重的空氣污染現(xiàn)象。

（3）風廓線雷達探測風場具有實時性，能很快發(fā)現(xiàn)風向的變化特征，進而判斷污染物的輸送途徑和擴散方向，對開展灰霾天氣短時預(yù)報有幫助。

（4）在風廓線雷達垂直速度剖面圖上，可以清楚地看出某地區(qū)在某時刻是否存在明顯的上升氣流，當上升氣流明顯時，會使近地面容易出現(xiàn)輻合區(qū)，形成小尺度局地環(huán)流形勢，易造成大氣污染物的集聚，容易出現(xiàn)灰霾天氣。

[1] 侯武威,袁安民,趙穎輝.風廓線雷達中頻數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].計算機仿真, 2013, 30(3): 26-29.

[2] 王開燕,朱建軍,張振清，等.風廓線雷達資料在灰霾預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學與技術(shù), 2012,35(1):164-167.

[3] 江斌,張?zhí)K,肖艷嬌，等.對流層風廓線雷達探測資料的統(tǒng)計分析與應(yīng)用[J].氣象與減災(zāi),2011,23(2):115-119.

[4] 魏文壽,王敏仲,何清，等.基于風廓線雷達技術(shù)的沙塵天氣監(jiān)測研究[J].中國工程科學,2012,14(10):51-56.

[5] 陳楠,胡明寶,孫磊，等.一次降雨過程風廓線雷達回波特征[J].氣象與環(huán)境學報,2012,28(5):19-24.

[6] 徐桂榮,崔春光,徐海富,等.宜昌冬季兩次降水過程大氣邊界層的觀測分析[J].暴雨災(zāi)害,2008,27(4):48-54.

漳州市科技局科研項目（zz2016j12）。