田玉芳，陳澤，呂達(dá)仁

1. 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LAGEO），北京 100029

2. 中國科學(xué)院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測(cè)試驗(yàn)站，河北香河 065400

3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

大氣風(fēng)場(chǎng)是表征大氣平均運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參量。尤其高時(shí)間分辨率的大氣風(fēng)場(chǎng)廓線數(shù)據(jù)可揭示大氣動(dòng)力特征及變化，提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，在研究天氣系統(tǒng)生消演變、污染物傳輸、大氣波動(dòng)特征以及大氣上下層之間的動(dòng)力耦合等方面均有重要作用。

可獲取大氣風(fēng)場(chǎng)垂直分布的探測(cè)手段主要有無線電探空、激光雷達(dá)、流星雷達(dá)、中頻雷達(dá)以及各類大氣探測(cè)雷達(dá)，如MST（Mesosphere Stratosphere and Troposphere）雷達(dá)、ST（Stratosphere and Troposphere）雷達(dá)以及風(fēng)廓線雷達(dá)等。各類大氣探測(cè)雷達(dá)探測(cè)原理相似，采用的無線電波長(zhǎng)不同，適用于不同高度大氣層的探測(cè)。功能強(qiáng)大的MST 雷達(dá)工作在甚高頻（VHF）頻段，可對(duì)對(duì)流層-下平流層以及中間層-低熱層大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行高時(shí)空分辨率的全天時(shí)探測(cè)。

自1974 年國際第一部MST 雷達(dá)建成以來[1]，MST 雷達(dá)技術(shù)在大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，大氣動(dòng)力特征與過程研究中發(fā)揮了非常重要的作用。由于MST 雷達(dá)占地面積大，建設(shè)與運(yùn)行費(fèi)用高，目前國際上在運(yùn)行的MST 雷達(dá)數(shù)量有限，包括PANSY、MAARSY、MU radar、EAR、Gadanki MST radar、UK NERC MST radar 等。我國于1980 年代中期研制成功第一部VHF-ST 雷達(dá)，可對(duì)對(duì)流層-下平流層大氣風(fēng)場(chǎng)、湍流等進(jìn)行探測(cè)。自1993 開始陸續(xù)獲取了多種探測(cè)結(jié)果[2-4]。近年來我國雷達(dá)技術(shù)得到迅速發(fā)展，在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項(xiàng)目的支持下，北京MST 雷達(dá)與武漢MST 雷達(dá)于2011年成功建設(shè)，代表我國在MST 雷達(dá)探測(cè)方面技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為大氣動(dòng)力特征與過程研究及相關(guān)應(yīng)用等提供寶貴的數(shù)據(jù)。

北京MST 雷達(dá)由中國科學(xué)院大氣物理研究所建設(shè)，位于中國科學(xué)院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測(cè)試驗(yàn)站（39.75°N, 116.96°E）。觀測(cè)站始建于1973 年，為適應(yīng)大氣物理科學(xué)研究與應(yīng)用發(fā)展的需求而建立，對(duì)大氣物理、化學(xué)、動(dòng)力等多要素開展綜合觀測(cè)，也是中國科學(xué)院日地空間環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站之一。

北京MST 雷達(dá)占地10 000 m2，天線陣由576 個(gè)三單元八木天線組成。雷達(dá)工作頻率為50 MHz±1 MHz，有低、中、高3 種探測(cè)模式，本數(shù)據(jù)集包含2012 年中模式探測(cè)的3-25 km 高度范圍內(nèi)水平風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，探測(cè)時(shí)間間隔為30 分鐘，雷達(dá)具體的參數(shù)詳見Tian 和Lu[5]。國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用北京MST 雷達(dá)數(shù)據(jù)已開展了大氣風(fēng)場(chǎng)、波動(dòng)、對(duì)流層頂高度等方面的研究[5-11]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 雷達(dá)探測(cè)原理

MST 雷達(dá)應(yīng)用相控陣以及數(shù)字波束合成技術(shù)，依次發(fā)射東西南北垂直5 個(gè)波束，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到大氣折射指數(shù)不規(guī)則體（湍流活動(dòng)導(dǎo)致大氣溫度、濕度等的脈動(dòng)使得大氣折射指數(shù)發(fā)生變化）產(chǎn)生湍流散射，散射氣團(tuán)隨風(fēng)移動(dòng)，通過接收各波束的散射回波來合成得到大氣風(fēng)場(chǎng)信息。此外，MST 雷達(dá)的回波機(jī)制還包括鏡面反射和熱散射，分別主要在對(duì)流層頂區(qū)以及中間層-低熱層起作用[12]。北京MST 雷達(dá)天線陣及雷達(dá)探測(cè)原理示意圖見圖1。

圖1 北京MST 雷達(dá)天線陣及探測(cè)原理示意圖[13]

1.2 信號(hào)處理

大氣回波信號(hào)由雷達(dá)天線接收經(jīng)饋線傳輸至收發(fā)組件接收端，經(jīng)濾波放大后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，再由數(shù)字波束合成分系統(tǒng)進(jìn)行波束合成，經(jīng)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行脈沖壓縮、時(shí)域積累（相干積累）、去偏移濾波、加窗處理、快速傅里葉變換（FFT）譜分析、雜波抑制、頻域積累（譜平均）最后得到功率譜密度數(shù)據(jù)，供下一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到大氣參數(shù)信息。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理過程通過對(duì)功率譜密度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、噪聲電平估算、目標(biāo)回波識(shí)別、譜矩估算，將各波束得到的徑向速度進(jìn)行合成來得到大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。圖2 為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過程流程圖，相關(guān)處理步驟如下：

圖2 MST 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

（1）預(yù)處理

在處理功率譜密度數(shù)據(jù)之前，先進(jìn)行零頻去直流以及三點(diǎn)平滑處理。由于地雜波等影響，雷達(dá)功率譜密度圖中零頻處會(huì)出現(xiàn)異常高值，取零頻左右各兩點(diǎn)的功率譜密度均值代替零頻原有值，之后再對(duì)功率譜密度數(shù)據(jù)進(jìn)行三點(diǎn)平滑處理，可部分消除地雜波、脈沖噪聲的影響，提高信噪比與譜峰識(shí)別能力。圖3 給出2012 年1 月4 日01:40（世界時(shí)）北京MST 雷達(dá)西波束探測(cè)12 km 高度處原始及經(jīng)過預(yù)處理后的功率譜密度圖。

圖3 北京MST 雷達(dá)一次探測(cè)原始及經(jīng)過預(yù)處理后的功率譜密度圖

（2）噪聲電平估算

采用分段平均法來快速估算噪聲電平值。該方法基于噪聲服從自由度為2N/k的χ2分布的假設(shè)，將某個(gè)距離庫上FFT 點(diǎn)數(shù)為N 的功率譜密度數(shù)據(jù)分為k 段，計(jì)算每一段的均值，將最小均值作為該距離庫的噪聲電平值，實(shí)際使用時(shí)通常選取k=8[14]。圖3 在功率譜密度圖中給出了應(yīng)用分段平均法（八段）處理得到的噪聲電平值，信號(hào)在該值之上。這種方法算法復(fù)雜度低，計(jì)算速度快，易于實(shí)現(xiàn)。

（3）目標(biāo)回波識(shí)別

MST雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)為大氣折射指數(shù)不規(guī)則體，也即大氣湍渦。其作為大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的示蹤物，由于大氣風(fēng)場(chǎng)具有時(shí)空連續(xù)性，使得MST 雷達(dá)可以探測(cè)到這種時(shí)空連續(xù)性的特征。MST 雷達(dá)的回波功率譜密度滿足高斯分布特征，目標(biāo)信號(hào)在功率譜密度圖中為功率最大、峰值最大、譜寬最大的峰區(qū)。

找出每一個(gè)距離庫功率譜密度數(shù)據(jù)中的所有信號(hào)，即高于噪聲電平的數(shù)據(jù)段。計(jì)算各信號(hào)段頻移點(diǎn)上的功率譜數(shù)據(jù)之和，該值最大者被認(rèn)為是準(zhǔn)目標(biāo)回波。再基于目標(biāo)信號(hào)的時(shí)空連續(xù)性（上下距離庫及相鄰時(shí)次，目標(biāo)回波對(duì)應(yīng)的中心頻移變化是連續(xù)的）以及對(duì)稱波束目標(biāo)回波中心頻移對(duì)稱性（南北波束、東西波束在假設(shè)大氣水平風(fēng)場(chǎng)均勻時(shí)，對(duì)稱波束在同高度距離庫上所測(cè)得的徑向速度具有對(duì)稱性）來確定目標(biāo)回波。圖4 為2012 年1 月4 日01:40（世界時(shí)）北京MST 雷達(dá)東西、南北波束分別在4 個(gè)距離庫高度的功率譜密度圖及目標(biāo)回波識(shí)別結(jié)果，可見通過以上方法可排除干擾信號(hào)，確定目標(biāo)回波。

圖4 北京MST 雷達(dá)東西、南北波束功率譜密度圖及目標(biāo)回波識(shí)別結(jié)果（加粗曲線）

（4）譜矩估算

對(duì)于每個(gè)波束、每個(gè)距離庫的功率譜數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)功率譜的0 階矩、一階矩和二階矩，計(jì)算公式如下[15]：

零階距，即目標(biāo)回波功率，對(duì)目標(biāo)回波部分的功率譜密度Si積分：

其中，M0是目標(biāo)回波功率，N為目標(biāo)回波的總FFT 點(diǎn)數(shù)，Si是第i個(gè)點(diǎn)的功率譜密度。

一階矩，即多普勒頻移:

其中fi為第i個(gè)點(diǎn)的頻率。

二階中心矩，即多普勒頻移譜寬:

多普勒頻移f與多普勒速度vr存在以下關(guān)系：

其中λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

因此可以將多普勒頻移與多普勒頻移譜寬換算成多普勒速度與速度譜寬。

某距離庫的最大多普勒速度為：

其中，M為相干積累數(shù)，fr為脈沖重復(fù)頻率。

（5）風(fēng)場(chǎng)合成

對(duì)于五波束探測(cè)的MST 雷達(dá)，根據(jù)徑向速度計(jì)算出水平風(fēng)的經(jīng)向與緯向分量，再進(jìn)行合成，具體計(jì)算公式如下所示：

其中，Vri是指第i波束的徑向速度，E/S/W/N/Z分別指東、南、西、北與垂直波束。θ為斜波束的天頂角，u、v與ω分別是緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)與垂直速度。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)布

北京MST 雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)生成后實(shí)時(shí)傳輸?shù)阶游绻こ虜?shù)據(jù)中心進(jìn)行發(fā)布。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

數(shù)據(jù)集為MST 雷達(dá)中模式探測(cè)的實(shí)時(shí)采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件由文件頭和數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。第一行為文件頭，依次為觀測(cè)的年、月、日、小時(shí)、分鐘、臺(tái)站代碼以及設(shè)備號(hào)。第二行開始為數(shù)據(jù)項(xiàng)。數(shù)據(jù)項(xiàng)按照高度先后順序，由每個(gè)高度的觀測(cè)值連續(xù)排列組成，觀測(cè)值包含高度、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直速度以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2這5 個(gè)變量。本文只介紹水平風(fēng)速與水平風(fēng)向數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)樣例如圖5 所示，文件名為“XHT_MST01_DWM_L21_STP_20120201001010.dat”，數(shù)據(jù)項(xiàng)目格式如表1 所示。圖6 給出了數(shù)據(jù)廓線樣例圖。

圖5 北京MST 雷達(dá)中模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)樣例

表1 北京MST 雷達(dá)中模式產(chǎn)品數(shù)據(jù)項(xiàng)格式

圖6 北京MST 雷達(dá)201203082310 探測(cè)的水平風(fēng)向、風(fēng)速廓線圖

圖7 MST 雷達(dá)與探空測(cè)得的水平風(fēng)速ws, 水平風(fēng)向wd, 緯向風(fēng)u 和經(jīng)向風(fēng)v 在各高度上季節(jié)、年平均的相關(guān)系數(shù)、差值以及差值的標(biāo)準(zhǔn)差廓線圖[5]

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

由于MST 雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)主要是大氣湍渦，回波信號(hào)弱，易受到雜波干擾。在經(jīng)過信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理之后，仍然會(huì)出現(xiàn)個(gè)別異常值點(diǎn)。因此在使用數(shù)據(jù)之前，需要做質(zhì)量控制?？刹捎? 倍標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)則來剔除異常值點(diǎn)，保證風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的時(shí)空連續(xù)性。對(duì)于MST 雷達(dá)探測(cè)的每條廓線，先做5 點(diǎn)中心平均，將得到的廓線作為參考廓線，計(jì)算原始廓線與參考廓線的差值。如果差值在Av±3σ（Av和σ分別為差值數(shù)據(jù)的平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差）范圍之外，則其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)被識(shí)別為異常值而去掉[5]。

Tian 和Lu[5]將北京MST 雷達(dá)2012 年全年3-25 km 水平風(fēng)速、風(fēng)向與北京探空數(shù)據(jù)做比對(duì)分析，共427 組對(duì)比廓線，15 210 組對(duì)比點(diǎn)。廓線個(gè)例對(duì)比結(jié)果顯示二者有很好的一致性。進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明水平風(fēng)速、風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.92，平均差值分別為-0.44 m/s、0.77°，平均絕對(duì)差值分別為2.51 m/s、12.02°，均方根誤差分別為2.28 m/s 與21.78°，相對(duì)偏差分別為7%與2%。圖7 給出MST 雷達(dá)與探空測(cè)得的水平風(fēng)速、風(fēng)向、緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)在各高度上季節(jié)、年平均的相關(guān)系數(shù)、差值以及差值的標(biāo)準(zhǔn)差分布廓線圖[5]。全年平均來看，各高度上水平風(fēng)速平均差值在-2～2 m/s之間。表明MST 雷達(dá)與探空探測(cè)的水平風(fēng)有很好的一致性，MST 雷達(dá)數(shù)據(jù)可靠。

MST 雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)射功率大，且全天時(shí)連續(xù)工作。為了保證雷達(dá)可長(zhǎng)期運(yùn)行，在雷達(dá)運(yùn)行初期間歇性停機(jī)調(diào)整雷達(dá)狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)非完全連續(xù)。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可以用來開展對(duì)流層-下平流層大氣動(dòng)力特征與過程等方面的研究。

本數(shù)據(jù)集是雷達(dá)觀測(cè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，使用前建議根據(jù)研究、應(yīng)用需求做質(zhì)量控制剔除異常值點(diǎn)。由于雷達(dá)發(fā)射功率所限，18 km 以上數(shù)據(jù)獲取率與可靠性下降，建議使用時(shí)需謹(jǐn)慎。對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性有要求時(shí)，需先查看雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間信息。

致 謝

本數(shù)據(jù)得到了國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施子午工程項(xiàng)目資助，并得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。感謝中國科學(xué)院大氣物理研究所香河大氣綜合觀測(cè)試驗(yàn)站工作人員等對(duì)北京MST 雷達(dá)運(yùn)維所做的工作。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

田玉芳（1989—），女，山西朔州人，博士，博士后，研究方向?yàn)槿髿鈱樱ㄟ吔鐚?、?duì)流層-平流層、中間層-低熱層）動(dòng)力特征、過程及大氣層之間垂直耦合研究。主要應(yīng)用大氣雷達(dá)如MST 雷達(dá)、ST雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等開展研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理及質(zhì)量檢驗(yàn)。

陳澤（1993—），男，湖北大冶人，碩士，研究方向?yàn)榛贛ST 雷達(dá)的中層大氣特征與過程研究。主要承擔(dān)工作為：數(shù)據(jù)處理。

呂達(dá)仁（1940—），男，江蘇常熟人，碩士，研究員，研究方向?yàn)榇髿馕锢怼⒌厍虼髿庀到y(tǒng)遙感原理與技術(shù)研究、日地物理及地球系統(tǒng)過程研究等。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)。