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(1.軍代局氣象水文軍代室， 北京 100081；2.海軍大連艦艇學(xué)院航海系， 遼寧大連 116018；3.大連市氣象局， 遼寧大連 116018)

0 引言

無線電-聲探測技術(shù)是伴隨風(fēng)廓線雷達廣泛應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新興氣象遙感技術(shù)，該技術(shù)基于聲傳播理論可反演大氣虛溫的垂直分布情況，進而可反映出大氣溫度廓線狀況?？赏卣癸L(fēng)廓線雷達的探測功能。該系統(tǒng)自1986年開始使用已有30多年的歷史了，May等[1]、Tsuda等[2]先后利用RASS獲取高分辨率大氣虛溫廓線。近年來，國內(nèi)也廣泛裝備了風(fēng)廓線雷達，有不少關(guān)于風(fēng)廓線雷達應(yīng)用的研究[3-7]，但是配備RASS系統(tǒng)的風(fēng)廓線雷達較少，相關(guān)研究也不多見[8-9]。鑒于此，本文根據(jù)收集到的RASS虛溫數(shù)據(jù)和相應(yīng)的探空數(shù)據(jù)，進行對比研究，得出RASS反演虛溫的誤差，分析其產(chǎn)生原因，提出誤差修正的方法。

1 RASS反演大氣虛溫廓線的原理

聲波是縱波，它使周圍的空氣密度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其所經(jīng)區(qū)域的大氣折射率發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)微波雷達發(fā)射的電磁波到達這些區(qū)域時，能產(chǎn)生后向散射，然后微波雷達接收后向散射的能量。當(dāng)這些折射率變化擾動以當(dāng)時當(dāng)?shù)氐穆曀傧蛏蟼鞑r，微波雷達就可以測量出不同高度處聲波傳播的速度，再根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系可以得到虛溫。RASS反演大氣溫度的原理如圖1所示。

聲波的速度與大氣的虛溫存在密切的關(guān)系，可用如下表達式表示：

(1)

(2)

式中，γ為比熱容比，γ=1.4，R為摩爾氣體常數(shù)，在此R=8 317，M為空氣分子量，M=29。所以，虛溫與聲速的關(guān)系[10]可寫為

(3)

這就是虛溫與聲速之間的關(guān)系，也是RASS反演虛溫的理論依據(jù)。

2 RASS反演溫度廓線與探空資料的對比分析

2.1 研究數(shù)據(jù)

RASS系統(tǒng)探測大氣溫度廓線的本質(zhì)是反演虛溫，通常虛溫與氣溫比較接近，在高空探測中可近似用虛溫來代替氣溫。而無線電探空儀探測的是氣溫，為了精確比較，需要將探空儀的氣溫換算成虛溫。

本文采用大連市氣象臺觀測場的標準探空數(shù)據(jù)作為比對標準，時間為每日的08：00，20：00，該測場距離風(fēng)廓線雷達與RASS系統(tǒng)距離約30 km。測量虛溫的RASS設(shè)備是CFL-16對流層風(fēng)廓線雷達的一部分。通過收集處理無線電探空儀測量的溫度、濕度資料，與同時間臨近區(qū)域風(fēng)廓線雷達和RASS系統(tǒng)測量的虛溫作比對分析，從而得到虛溫測量的誤差。

RASS系統(tǒng)測量虛溫的時間與探空數(shù)據(jù)的測量時間最長相差2 h，RASS系統(tǒng)與探空站點直線距離相距30 km?？紤]大氣在局地、短時間內(nèi)是均一、穩(wěn)定的，可以認為兩地的大氣狀況近似相同。

分析的實測數(shù)據(jù)取RASS與探空儀均有數(shù)據(jù)的時刻，時間從2014年5月22日—2015年6月12日，共16個時次。RASS系統(tǒng)站點海拔70.8 m，第一組數(shù)據(jù)的高度距地面150 m，1 050 m以下數(shù)據(jù)垂直間隔75 m，1 050 m以上數(shù)據(jù)垂直間隔150 m，高度測量范圍為地面到3 500 m高度。探空站點海拔高度為90 m，數(shù)據(jù)垂直間隔在10～15 m之間。由于探空資料垂直分辨率高，將探空數(shù)據(jù)測量值插值到與RASS系統(tǒng)相同測量高度上。

2.2 兩種數(shù)據(jù)的對比分析

將RASS探測數(shù)據(jù)和探空儀實測數(shù)據(jù)共16組進行比對分析，可得到其誤差特征。圖2為16組RASS與探空儀測量的虛溫對比情況，圖2(a)橫坐標為RASS測量的虛溫，縱坐標為由探空儀測量數(shù)據(jù)計算出的虛溫，可見整體上二者一致性較好，但仍然存在一定誤差。下面具體分析一下誤差情況。

如果視探空儀計算的虛溫為正確值，用RASS測量的虛溫減去探空儀的虛溫得到虛溫測量誤差，如圖2(b)所示。綜合圖2(a)和圖2(b)可見，RASS測量的虛溫誤差隨著高度的增加，有先降低再增大然后再降低的特征。還可以從具體數(shù)值中反映出來。

數(shù)據(jù)的起始高度為220.8 m(站點海拔70.8 m，第一組數(shù)據(jù)的高度為150 m)，該高度的誤差均值為0.55℃，295.8 m處的誤差均值為0.13℃，而在1 720.8 m處的誤差均值為1.04℃，3 220.8 m處的誤差均值為0.26℃。誤差散布情況是：在低高度處散布最大，在445.8 m處達到最小，此后又逐漸增加，到1 870.8 m處散布達到最大，而后又隨高度的增加而減小。誤差隨高度的分布受風(fēng)場、濕度等因素的影響，下面結(jié)合其他要素的探空數(shù)據(jù)分析RASS虛溫探測產(chǎn)生的原因。

3 影響RASS虛溫反演的因素

RASS的探測性能主要受到聲波衰減、大氣風(fēng)場、湍流、大氣溫度、濕度等因素的影響。為滿足Bragg條件，雷達頻率越高要求聲頻越高。而聲頻越高聲衰減(指大氣吸收和大氣散射)就越大，并近似與聲頻的平方成正比[1]。

聲波衰減會造成RASS的信噪比劇烈下降，這是溫度探測高度受限的最主要因素。在此擬采用統(tǒng)計對比的方法分析風(fēng)場、大氣溫度、濕度、湍流對測量精度的影響，對比數(shù)據(jù)采用較近距離同步(或近似同步)無線電探空數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析在不同大氣環(huán)境下誤差的大小，進而探討利用地面溫濕數(shù)據(jù)降低誤差的方法。

3.1 風(fēng)場的影響

風(fēng)場對RASS測量虛溫[11]的表現(xiàn)在兩個方面，一是降低信噪比，導(dǎo)致信號提取困難；二是垂直運動導(dǎo)致聲速測量出現(xiàn)誤差，進而影響虛溫的計算。

大氣三維風(fēng)場對RASS信噪比的影響可以表現(xiàn)在：

1) 使聲波的球面波前不再與電磁波的球面波前相互平行，可稱之為“偏饋式效應(yīng)”；

2) 使聲波束在某些高度處不能完全囊括雷達波束，可稱之為“錯位式效應(yīng)”。

上述兩種效應(yīng)總的后果是使所測溫度既有可能偏高，也有可能偏低(可稱之為“譜重心偏移”)以及譜展寬。

風(fēng)場的具體影響包括風(fēng)速過大、風(fēng)的垂直切變和垂直運動的影響。

風(fēng)速越大或風(fēng)速垂直切變越大，對測溫的影響就越大，甚至使信噪比降低到無法提取有效信號的程度，導(dǎo)致虛溫的缺測。例如探空儀與RASS和風(fēng)廓線系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)共比對16次，每次測量數(shù)據(jù)共27層，數(shù)據(jù)垂直間隔為75 m，頂部數(shù)據(jù) (3 370.8 m)共缺失了12次，如表1所示。

表1 各高度層有效數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)缺失的原因主要為風(fēng)速較大，通常風(fēng)速超過約10 m/s時，會存在虛溫數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象。例如2015年6月12日19：31的測量情況，從1 870.8 m高度開始數(shù)據(jù)全部缺測，1 870.8 m高度處水平風(fēng)速為9.9 m/s，隨著高度的升高水平風(fēng)速逐漸增大，在3 070.8 m處水平風(fēng)速達到最大，為17.35 m/s。

風(fēng)速的垂直切變是另一種對虛溫測量有較大影響的因素，當(dāng)風(fēng)速垂直切變較大時，會影響信噪比的測量，從而增大測量誤差，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺測。例如該時次由于底層的水平風(fēng)速垂直切變大，導(dǎo)致信噪比顯著降低，從而導(dǎo)致最下面兩層數(shù)據(jù)缺失。如圖3所示，220.8 m與295.8 m處風(fēng)的水平分量和垂直分量變化均較大，所以該兩處的有效數(shù)據(jù)個數(shù)也偏少。此外，風(fēng)的垂直分量，即垂直運動可與聲波疊加，能直接改變聲傳播的速度，這也是風(fēng)的影響因素之一，也是目前唯一能夠修正的因素。

3.2 大氣濕度的影響

由于RASS測量虛溫需要依靠大氣對電磁波的后向散射，當(dāng)大氣濕度變化劇烈時，會導(dǎo)致大氣折射率變化劇烈，從而使電磁波的后向散射變換劇烈，從而導(dǎo)致信噪比變化明顯，而導(dǎo)致信號測量出現(xiàn)較大誤差，甚至出現(xiàn)缺測的情況。例如2014年8月20日09：12，相對濕度從121 m處的69%(絕對水氣壓20.9 hPa)下降到193 m處的54%(絕對水氣壓17.0 hPa)，從而導(dǎo)致220.8 m和295.8 m兩層數(shù)據(jù)缺測。濕度垂直梯度的改變對虛溫測量的影響需要做進一步的觀察分析工作。

此外，濕度的改變會使聲速發(fā)生改變，將聲速視為相對濕度的函數(shù)，在濕空氣的速度與干空氣的速度比值設(shè)為R，當(dāng)相對濕度從0%升到15%，R從1降到0.999 4，當(dāng)相對濕度從15%升到100%，R從0.999 4升到1.003 3，從而導(dǎo)致虛溫測量出現(xiàn)誤差[3]。

3.3 地面等因素的影響

另外，在靠近地面，會存在地雜波的影響，從而影響到信噪比，進而影響信號的測量，因此，在最下面兩層的數(shù)據(jù)可靠性較差，如圖4所示，220.8 m處的高度誤差為0.55、標準差為2.24，295.8 m處的高度誤差為0.13、標準差為1.494。地雜波的成因及其影響是極其復(fù)雜的，目前還無法描述其規(guī)律性。但根據(jù)相關(guān)理論和實驗地點的環(huán)境可推測誤差的主要原因是近地面噪聲對RASS的聲波傳播的干擾所造成的。

4 RASS測量虛溫的修正

由前面的誤差分析可知，影響RASS虛溫測量的因素主要有風(fēng)、大氣濕度和地面干擾等，風(fēng)的影響又包括水平風(fēng)速過大、風(fēng)的垂直切變和垂直運動。大氣濕度和地面干擾的影響機理過于復(fù)雜，目前還沒有有效的方法去除，風(fēng)的影響中水平風(fēng)速過大和風(fēng)的垂直切變難以改變，對聲速的影響較為復(fù)雜，所以目前最簡單的方法是利用垂直運動進行誤差修正。其具體方法如下：

首先，利用測量的Tv計算出聲速，然后再利用下式修正虛溫：

(4)

式中，w為垂直風(fēng)速，單位為m/s，可由風(fēng)廓線雷達測量，其符號向上為負，向下為正。由于聲源向外傳播，所以，ca的符號為負。

按照上述方法對16組數(shù)據(jù)進行修正，取平均值，結(jié)果如圖5所示，圖5(a)中“*”表示修正前的虛溫誤差，“+”表示修正后的虛溫誤差，可見，修正后誤差較小，修正前誤差均值為0.435 6，修正后誤差均值為0.378，而且，修正后誤差的散布也較小，修正前誤差標準差為0.672 8，修正后誤差標準差為0.515 9，可見修正后誤差減小，圖5(b)為風(fēng)廓線雷達測量的垂直運動速度。

5 結(jié)束語

通過對16組RASS虛溫數(shù)據(jù)和探空儀經(jīng)氣溫換算的虛溫數(shù)據(jù)進行對比，分析其誤差及成因，并進行了修正研究，結(jié)果表明：

1) RASS探測數(shù)據(jù)和探空儀實測數(shù)據(jù)整體上二者一致性較好；

2) RASS測量的虛溫誤差隨著高度有先降低再增大然后再降低的特征；

3) 風(fēng)場對RASS探測虛溫有很大的影響,主要包括水平風(fēng)速過大、風(fēng)速垂直切變和垂直運動；

4) 濕度、地雜波等因素同樣會對RASS測量虛溫產(chǎn)生較大影響，但是其影響機理復(fù)雜，目前還無法明確描述;5) 利用垂直運動速度修正虛溫公式可在一定程度上減小誤差。