岑炬輝 唐世浩 胡利軍，3 涂小萍 姚日升，3

(1 寧波市氣象局，浙江 寧波 315012;2 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081;3 浙江省氣象網(wǎng)絡(luò)信息中心，杭州 310017)

引 言

在水汽充足、微風(fēng)及大氣穩(wěn)定的情況下，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)，空氣中的水汽便會(huì)凝結(jié)成細(xì)微水滴懸浮于空中，使近地面水平能見(jiàn)度下降，當(dāng)能見(jiàn)度低于1 km時(shí)，稱(chēng)之為霧。霧天能見(jiàn)度惡化，妨礙海陸空交通運(yùn)輸，往往會(huì)導(dǎo)致交通事故，造成生命和財(cái)產(chǎn)損失。海霧嚴(yán)重影響航海及飛行安全，對(duì)交通安全影響巨大，常引起災(zāi)難性事故。我國(guó)近海以平流冷卻霧最為常見(jiàn)，這種霧由暖濕空氣在較冷的海面上流動(dòng)，冷卻凝結(jié)而成，但實(shí)際上霧的生成有多種原因。近年來(lái)沿海地區(qū)對(duì)海霧特征的研究[1-2]多是以自動(dòng)氣象觀測(cè)站資料為基礎(chǔ)展開(kāi)的，由于海上觀測(cè)站點(diǎn)稀少，使用傳統(tǒng)方式在海霧的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面使用模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性很低[3]，面臨著巨大的困難，因此需要引入新的觀測(cè)技術(shù)。

毫米波雷達(dá)最早出現(xiàn)在1940s，早期功能有限，只能探測(cè)比較強(qiáng)的云[4]。1960s,美國(guó)空軍用于監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)附近的云，這一時(shí)期大量研究[5-6]顯示這些非多普勒雷達(dá)能夠有效探測(cè)云的邊界，降水和濕度層。1980s，美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(NOAA)也在AN/TPQ-11系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展出集多普勒和雙極化功能于一體的改進(jìn)型Ka波段毫米波側(cè)毫米波雷達(dá)[7-8]。Hobbs,et al[9]將固態(tài)電子器件應(yīng)用到了AN/TPQ-11系統(tǒng)中，并且增加了多普勒頻移探測(cè)；1990s初，國(guó)際氣候組織進(jìn)一步確定了云在氣候變化中的重大作用，而且毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)也逐漸在探測(cè)中出來(lái)，隨著在硬件系統(tǒng)中運(yùn)用增加天線增益以及極化特性的技術(shù)，毫米波雷達(dá)正式成為遙感云的主要手段之一，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始對(duì)其重點(diǎn)發(fā)展[10-13]。

1979年，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所和安徽井岡山機(jī)械廠合作研發(fā)了X波段(3 cm)和Ka波段(8.2 mm)雙波長(zhǎng)雷達(dá)，并進(jìn)行了天氣雷達(dá)和毫米波雷達(dá)觀測(cè)云降水結(jié)構(gòu)的理論和觀測(cè)對(duì)比，結(jié)果表明：即使在當(dāng)時(shí)非常落后的器件條件下，毫米波雷達(dá)在探測(cè)近距離云細(xì)微結(jié)構(gòu)等方面也優(yōu)于天氣雷達(dá)[14]。近年來(lái)，我國(guó)氣象學(xué)家們?cè)絹?lái)越關(guān)注云在氣候變化作用中的重要性，重點(diǎn)發(fā)展云觀測(cè)技術(shù)以及毫米波氣象雷達(dá)。2007年研發(fā)出具有多普勒和極化功能的8.6 mm毫米波雷達(dá)，并且于2008年5—9月成功進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析表明，該雷達(dá)能夠有效探測(cè)到層積云、高層云、臺(tái)風(fēng)外圍深對(duì)流云等典型云系[15]。2013年研制了一臺(tái)W波段雙極化云雷達(dá)，并進(jìn)行了云物理參數(shù)的初步反演[16]。

毫米波雷達(dá)在研究云的宏觀微觀特性方面已有較大進(jìn)展[17-25]，而運(yùn)用毫米波雷達(dá)對(duì)小尺度天氣系統(tǒng)進(jìn)行研究屬于新的研究方向。本文運(yùn)用毫米波雷達(dá)結(jié)合地面觀測(cè)站的方式，對(duì)2017年4月15日夜間至16日上午在寧波北部海域大范圍的大霧天氣過(guò)程進(jìn)行了分析，揭示了毫米波雷達(dá)在低能見(jiàn)度天氣中的應(yīng)用前景。

1 資料介紹

1.1 毫米波云霧雷達(dá)

毫米波云霧雷達(dá)布設(shè)在寧波臻德環(huán)?？萍加邢薰?29.1°N、122.12°E)，工作波段為Ka波段(33.44 GHz ±10 MHz)，以固定天頂指向的時(shí)間高度顯示(THI)，平掃顯示(PPI)和高掃顯示(RHI)這3種探測(cè)顯示方式對(duì)大氣進(jìn)行觀測(cè)。利用霧滴、云滴、雨滴等液態(tài)水滴對(duì)電磁波的散射作用，對(duì)15 km徑向范圍內(nèi)非降水云、霧和弱降水等進(jìn)行觀測(cè)，空間分辨率為30 m，可實(shí)時(shí)獲取探測(cè)范圍內(nèi)霧、云、雨的位置分布、強(qiáng)度、速度、譜寬等相關(guān)信息。

1.2 能見(jiàn)度觀測(cè)站

毫米波雷達(dá)探測(cè)區(qū)域共有7個(gè)能見(jiàn)度觀測(cè)站。其中寧波區(qū)域3個(gè)，分別為大貓島站(K2287)、涼帽山島站(K2293)和白鵝山礁站(K2295)，這3個(gè)站點(diǎn)都是能見(jiàn)度觀測(cè)的專(zhuān)用站點(diǎn)；舟山地區(qū)4個(gè)，分別為定海(58547)、金雞山社區(qū)(K9551)、南海學(xué)校站(K9623)和老鼠山嶼站(K9625)，這4個(gè)站點(diǎn)同時(shí)布設(shè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站，屬于聯(lián)合觀測(cè)站點(diǎn)。

1.3 自動(dòng)氣象觀測(cè)站

毫米波雷達(dá)探測(cè)區(qū)域共有12個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站(簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)站)，其中9個(gè)站點(diǎn)有氣溫觀測(cè)，7個(gè)站點(diǎn)有相對(duì)濕度觀測(cè)。其中定海(58547)為國(guó)家一般站，按照《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；其他11個(gè)無(wú)人值守常規(guī)中尺度站，主要通過(guò)采集系統(tǒng)的閾值限制以及特殊情況下的人工判別檢驗(yàn)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。以上各類(lèi)站點(diǎn)的地理位置和毫米波云霧雷達(dá)的掃描區(qū)域如圖1所示，降水資料詳見(jiàn)表1。

圖1 毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域及區(qū)域內(nèi)能見(jiàn)度站、自動(dòng)站地理位置分布Fig.1 Geographical distribution of the visibility station and automaticstation in millimeter-wave radar scanning region

表1 毫米波雷達(dá)及附近區(qū)域站點(diǎn)降水匯總(按時(shí)間先后排列)Table 1 Precipitation summary of the millimeter wave radarscanning area and nearby (Chronological order)

2 數(shù)據(jù)分析

2017年4月15日夜間至16日上午，在寧波東北部海域出現(xiàn)了大范圍低能見(jiàn)度的天氣過(guò)程，局地短時(shí)出現(xiàn)了能見(jiàn)度低于200 m的濃霧。毫米波云霧雷達(dá)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行不間斷觀測(cè)并獲取了有效資料。將云霧系統(tǒng)中出現(xiàn)的3種主要結(jié)構(gòu)分別定義為液態(tài)水系統(tǒng)、游離液態(tài)水團(tuán)和局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)。液態(tài)水系統(tǒng)，指長(zhǎng)寬范圍在5～20 km，中心回波強(qiáng)度在15 dBZ以上的結(jié)構(gòu)；游離液態(tài)水團(tuán)，指長(zhǎng)度在5 km以上，寬度在3 km以下，中心回波強(qiáng)度在-5～15 dBZ之間的結(jié)構(gòu)；局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)指長(zhǎng)寬都在3 km以下，中心回波強(qiáng)度在0 dBZ以下，并且存在時(shí)間不超過(guò)15 min的結(jié)構(gòu)。

2.1 毫米波雷達(dá)對(duì)大型液態(tài)水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)

對(duì)2017年4月15日20時(shí)—16日10時(shí)(北京時(shí)，下同)有4個(gè)大范圍強(qiáng)回波系統(tǒng)(即液態(tài)水系統(tǒng)，按過(guò)境時(shí)間分別以1、2、3、4進(jìn)行區(qū)分)。圖1中長(zhǎng)箭矢和數(shù)字小標(biāo)給出了4個(gè)液態(tài)水系統(tǒng)中心位置經(jīng)過(guò)雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)的路徑，和系統(tǒng)的大概寬度和過(guò)境時(shí)間，這些液態(tài)水系統(tǒng)平均尺度在10 km左右，通過(guò)雷達(dá)掃描區(qū)域的時(shí)間約為50 min。

圖2為液態(tài)水系統(tǒng)1經(jīng)過(guò)毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)的雷達(dá)掃描圖像。23時(shí)07分(圖2a)液態(tài)水系統(tǒng)的一部分已經(jīng)進(jìn)入毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域，此時(shí)能見(jiàn)度站大貓島、涼帽山島已經(jīng)被液態(tài)水系統(tǒng)所覆蓋。圖3給出了大貓島雷達(dá)反射率為-20 dBZ(23時(shí)08分，同一時(shí)間的雷達(dá)反射率只標(biāo)注一次掃描時(shí)間，下同)，涼帽山島雷達(dá)反射率為-10 dBZ，同時(shí)大貓島、涼帽山島和其附近的白鵝山礁能見(jiàn)度都在快速下降。23時(shí)17分(圖2b)，大貓島、涼帽山島和白鵝山礁的雷達(dá)反射率都在10 dBZ左右(23時(shí)17分)，涼帽山島和白鵝山礁的能見(jiàn)度降到了2 km以下，大貓島的能見(jiàn)度在3 km左右，并且還在下降中，在后部游離液態(tài)水團(tuán)覆蓋時(shí)(23時(shí)34分，-30 dBZ)降到了1 km以下。23時(shí)21分(圖2c)液態(tài)水系統(tǒng)1的覆蓋范圍擴(kuò)大，但是由于新擴(kuò)大區(qū)域內(nèi)沒(méi)有觀測(cè)站點(diǎn)，因而觀測(cè)結(jié)果與上一個(gè)時(shí)次相比變化不大。之后液態(tài)水系統(tǒng)繼續(xù)往東北偏東方向移動(dòng)，在23時(shí)37分處于圖2g位置，此時(shí)液態(tài)水系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)離南部3個(gè)站點(diǎn)，東北部南海學(xué)校和金雞山社區(qū)則被液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋(圖3實(shí)心圓)，出現(xiàn)了5 dBZ(23時(shí)43分)左右的雷達(dá)反射率，能見(jiàn)度快速下降，臨近的老鼠山嶼能見(jiàn)度也在快速下降。23時(shí)45分(圖2h)液態(tài)水系統(tǒng)1即將完全離開(kāi)掃描區(qū)域，南海學(xué)校和金雞山社區(qū)的雷達(dá)反射率在-20 dBZ左右，這兩站和老鼠山嶼的能見(jiàn)度已降至500 m以下。由圖3可見(jiàn)，隨著液態(tài)水系統(tǒng)的影響結(jié)束，站點(diǎn)能見(jiàn)度會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。綜上，除了離液態(tài)水系統(tǒng)較遠(yuǎn)的定海之外，液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境前后使得6個(gè)站點(diǎn)能見(jiàn)度都產(chǎn)生了深V字型變化。

圖2 2017年4月15日液態(tài)水系統(tǒng)1雷達(dá)圖：(a)23∶07—23∶13 PPI圖；(b)23∶13—23∶18 PPI圖；(c)23∶13—23∶24 PPI圖；(d)23∶24—23∶26 RHI圖；(e)23∶28—23∶29 RHI圖；(f)23∶32—23∶33 THI圖；(g)23∶33—23∶38 PPI圖；(h)23∶44—23∶50 PPI圖Fig.2 Millimeter wave radar scan map of system 1: (a)PPI at 23∶07 BST—23∶13 BST; (b)PPI 23∶13 BST—23∶18 BST；(c)PPI 23∶13 BST—23∶24 BST；(d)PPI 23∶24 BST—23∶26 BST；(e)PPI 23∶28 BST—23∶29 BST；(f)PPI 23∶32 BST—23∶33 BST；(g)PPI 23∶33 BST—23∶38 BST；(h)PPI 23∶44 BST—23∶50 BST

16日03時(shí)，液態(tài)水系統(tǒng)2是從西南方向進(jìn)入，隨后往偏東方向移動(dòng)，依次經(jīng)過(guò)涼帽山島、大貓島、白鵝山礁和老鼠山嶼，未經(jīng)過(guò)北部的定海、南海學(xué)校和金雞山社區(qū)。由圖3可見(jiàn)，隨著液態(tài)水系統(tǒng)的過(guò)境，涼帽山島先是出現(xiàn)-15 dBZ(03時(shí)16分)雷達(dá)反射率，之后降為-20 dBZ(03時(shí)25分)，再降到-25 dBZ(03時(shí)27分)，之后上升到10 dBZ(03時(shí)36分)，再降到0 dBZ(03時(shí)39分)，能見(jiàn)度在-25 dBZ時(shí)已經(jīng)從3 000 m降到了500 m以下，之后略有回升，但是在其后在液態(tài)水系統(tǒng)中心區(qū)域的影響下(10、0 dBZ的強(qiáng)回波)再次迅速下降到了200 m以下；大貓島雷達(dá)反射率先是在03時(shí)16分出現(xiàn)-10 dBZ雷達(dá)反射率，之后從-20 dBZ(03時(shí)27分)上升到10 dBZ，再降到0 dBZ，能見(jiàn)度在雷達(dá)出現(xiàn)-10 dBZ反射率的時(shí)候降到了200 m以下，其后雖然有強(qiáng)回波，但是能見(jiàn)度卻處于快速上升中；白鵝山礁雷達(dá)反射率則是從-10 dBZ(03時(shí)27分)下降到-20 dBZ，再升到-15 dBZ，能見(jiàn)度在出現(xiàn)-10 dBZ 回波前已經(jīng)從3 000 m降到了500以下，之后在液態(tài)水系統(tǒng)的影響下下降到了200 m以下；雖然從液態(tài)水系統(tǒng)前后位置推測(cè)得出老鼠山嶼會(huì)被液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋，但是此時(shí)雷達(dá)在用其他模式觀測(cè)，因而沒(méi)有雷達(dá)反射率值，其能見(jiàn)度從2 000 m下降到300 m左右然后回升。液態(tài)水系統(tǒng)2過(guò)境的4個(gè)站點(diǎn)能見(jiàn)度前后變化也呈現(xiàn)了快速下降之后再快速回升的深V型變化，更由于液態(tài)水系統(tǒng)2中心區(qū)域較小，覆蓋時(shí)間較長(zhǎng)，使得部分站點(diǎn)能見(jiàn)度出現(xiàn)了降到了200 m以下的二次下降現(xiàn)象。

圖3 2017年4月15日20時(shí)至16日10時(shí)各站能見(jiàn)度和雷達(dá)反射率(其中曲線為能見(jiàn)度；○為雷達(dá)反射率，其中●為液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋，◎?yàn)橛坞x液態(tài)水團(tuán)，⊙為局地液態(tài)水團(tuán)；虛線、實(shí)線分別表示液態(tài)水系統(tǒng)進(jìn)入、離開(kāi)；底部藍(lán)色柱狀為相應(yīng)區(qū)域內(nèi)降水)Fig.3 Time-variation of radar reflectivity and visibility at visibilitystations from 20∶00 BST 15 to 10∶00 BST 16 April 2017(Curve: visibility；circle: radar reflectivity； the dotted vertical lineand the solid vertical line represent the system entering and leaving；blue column at bottom for precipitation in corresponding area)

液態(tài)水系統(tǒng)3是此次過(guò)程中唯一的過(guò)境了全部7個(gè)站點(diǎn)的系統(tǒng)。隨其進(jìn)入并向東北方向移動(dòng)，涼帽山島雷達(dá)反射率從-5 dBZ(05時(shí)27分)上升到0 dBZ(05時(shí)29分)，再降到-10 dBZ(05時(shí)43分)，能見(jiàn)度從1 000 m以上降到了500 m左右；白鵝山礁雷達(dá)反射率從-10 dBZ上升到15 dBZ，隨著回波的增強(qiáng)，能見(jiàn)度從2 000 m左右降到了1 000 m左右；大貓島雷達(dá)反射率從-10 dBZ上升到5 dBZ，再降到0 dBZ，能見(jiàn)度未見(jiàn)明顯變化。隨后液態(tài)水系統(tǒng)往東北方向移動(dòng)，首先覆蓋老鼠山嶼，雷達(dá)反射率從-20 dBZ(05時(shí)43分)上升到0 dBZ(05時(shí)52分)，之后維持在0 dBZ(05時(shí)55分)，能見(jiàn)度從2 000 m以上降到了500 m以下；隨后覆蓋定海，雷達(dá)反射率從5 dBZ(05時(shí)52分)上升到10 dBZ(05時(shí)55分)，后降到-20 dBZ(05時(shí)55分)，能見(jiàn)度稍有下降；之后經(jīng)過(guò)南海學(xué)校，雷達(dá)反射率從-25 dBZ(05時(shí)55分)上升到-20 dBZ(06時(shí)04分)，之后又升到-10 dBZ(06時(shí)06分)，能見(jiàn)度略上升；金雞山社區(qū)是在液態(tài)水系統(tǒng)即將離開(kāi)時(shí)才覆蓋到，只有一次觀測(cè)，雷達(dá)反射率為-10 dBZ(06時(shí)06分)，能見(jiàn)度略上升。在液態(tài)水系統(tǒng)3過(guò)境前后，涼帽山島、白鵝山礁和老鼠山嶼這3個(gè)站點(diǎn)的能見(jiàn)度有深V變化，大貓島無(wú)明顯變化。

液態(tài)水系統(tǒng)4(圖略)在系統(tǒng)3離開(kāi)約半個(gè)小時(shí)進(jìn)入雷達(dá)掃描區(qū)，由于其路徑向東，因而只有大貓島、涼帽山島、白鵝山礁有液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境。液態(tài)水系統(tǒng)首先覆蓋涼帽山島，雷達(dá)反射率為-30 dBZ(06時(shí)57分)，隨后覆蓋3個(gè)站點(diǎn)(07時(shí)06分)，其中大貓島雷達(dá)反射率為-15 dBZ，涼帽山島雷達(dá)反射率為-25 dBZ，白鵝山礁雷達(dá)反射率為-10 dBZ。其間涼帽山島和白鵝山礁的能見(jiàn)度均降到了500 m以下，但是大貓島的只是稍微下降。在液態(tài)水系統(tǒng)4過(guò)境前后涼帽山島和白鵝山礁的能見(jiàn)度出現(xiàn)了深V型變化。

另外，在液態(tài)水系統(tǒng)1經(jīng)過(guò)毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)，定海站在距離液態(tài)水團(tuán)大概3 000 m時(shí)，能見(jiàn)度從1 800 m左右降到了1 300 m左右。而在液態(tài)水系統(tǒng)2經(jīng)過(guò)毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)，南海學(xué)校和金雞山社區(qū)在距離液態(tài)水系統(tǒng)5 000 m時(shí)，南海學(xué)校能見(jiàn)度從400 m左右降到了150 m左右，金雞山社區(qū)能見(jiàn)度從500 m左右降到了200 m以下。在液態(tài)水系統(tǒng)4經(jīng)過(guò)毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)，距離液態(tài)水系統(tǒng)較近的老鼠山嶼在距離其4 000 m左右距離時(shí)，能見(jiàn)度從2 000 m降到了500 m?？梢?jiàn)，除了經(jīng)過(guò)所有站點(diǎn)的液態(tài)水系統(tǒng)3經(jīng)過(guò)時(shí)難以分辨，其余都出現(xiàn)了在液態(tài)水系統(tǒng)靠近(3～5 000 m)而無(wú)需覆蓋就出現(xiàn)能見(jiàn)度下降的情況。

從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境會(huì)使大部分站點(diǎn)的能見(jiàn)度呈現(xiàn)深V型變化。在以上4個(gè)液態(tài)水系統(tǒng)中，除去受其他因素的站點(diǎn)(以降水為主)，毫米波雷達(dá)回波的出現(xiàn)預(yù)示著能見(jiàn)度開(kāi)始降低，反射率最大值與能見(jiàn)度谷值相對(duì)應(yīng)。因此下一步工作將應(yīng)用雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果來(lái)估測(cè)整個(gè)區(qū)域的能見(jiàn)度分布狀況，并根據(jù)液態(tài)水系統(tǒng)的移動(dòng)變化來(lái)對(duì)能見(jiàn)度變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。在液態(tài)水系統(tǒng)靠近時(shí)站點(diǎn)就會(huì)受到影響，有時(shí)在液態(tài)水系統(tǒng)覆蓋前就會(huì)對(duì)能見(jiàn)度產(chǎn)生很大影響。通過(guò)對(duì)THI圖(圖2f)的分析可以得到，這些液態(tài)水系統(tǒng)整體都是向下的垂直速度，結(jié)合RHI圖(圖2d、e)所獲取的液態(tài)水系統(tǒng)垂直剖面，可以得到，整個(gè)液態(tài)水系統(tǒng)實(shí)際上是從高云中降落而來(lái)，這次低能見(jiàn)度天氣實(shí)際上是來(lái)自于高云的“降霧”。

2.2 毫米波雷達(dá)對(duì)液態(tài)水系統(tǒng)外圍游離液態(tài)水團(tuán)的監(jiān)測(cè)

在此次過(guò)程中，液態(tài)水系統(tǒng)周?chē)３０殡S著一個(gè)或幾個(gè)尺度在千米左右游離液態(tài)水團(tuán)，這些液態(tài)水團(tuán)的出現(xiàn)對(duì)能見(jiàn)度也會(huì)產(chǎn)生不小影響。

在液態(tài)水系統(tǒng)1移到東北部的時(shí)候，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)覆蓋了大貓島(-30 dBZ，23時(shí)34分)，使大貓島能見(jiàn)度迅速降到了1 000 m以下，附近的涼帽山島在同一時(shí)間也出現(xiàn)了能見(jiàn)度的下降。

在16日02時(shí)前后，雷達(dá)觀測(cè)到液態(tài)水系統(tǒng)2外圍的帶狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入雷達(dá)掃描區(qū)域(圖4a、b)。從圖3上可以看到，這個(gè)帶狀結(jié)構(gòu)的過(guò)境，大貓島和涼帽山島都有弱回波(3次，都在-10 dBZ以下)出現(xiàn)。大貓島的能見(jiàn)度從1 000 m以上波動(dòng)下降至200 m左右，之后在液態(tài)水系統(tǒng)2作用下降到200 m以下；涼帽山島從5 000 m以上降到了1 000 m以下，之后回升，到液態(tài)水系統(tǒng)而影響時(shí)再次下降。在這些帶狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)，可以看到白鵝山礁、老鼠山嶼、南海學(xué)校和定海雖然未被其所覆蓋，但是能見(jiàn)度都出現(xiàn)了顯著的起伏變化。

圖4 游離液態(tài)水團(tuán)雷達(dá)掃描(a、b)和局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)雷達(dá)掃描(c、d)：(a)02時(shí)43分;(b)02時(shí)49分;(c)06時(shí)31分;(d)06時(shí)36分Fig.4 (a,b)Radar image of free liquid water masses and (c,d) radar image of local short-time liquid water massesat: (a)02∶43 BST; (b)02∶49 BST; (c)06∶31 BST; (d)06∶36 BST

在05時(shí)左右，液態(tài)水系統(tǒng)3前端游離的小液態(tài)水團(tuán)開(kāi)始出現(xiàn)。涼帽山島在04時(shí)52分(-30 dBZ)和05時(shí)06分(-20 dBZ)兩次被覆蓋，大貓島在05時(shí)07分被覆蓋(-15 dBZ)，定海在05時(shí)09分開(kāi)始的連續(xù)四次掃描中都被覆蓋(-15 dBZ)，南海學(xué)校在05時(shí)22分開(kāi)始的連續(xù)兩次掃描中也被覆蓋(-20 dBZ)。隨著其移動(dòng)涼帽山島和南海學(xué)校出現(xiàn)了能見(jiàn)度下降，但是定海和大貓島未出現(xiàn)能見(jiàn)度下降。而在液態(tài)水系統(tǒng)到了北部之后，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)在06時(shí)04分又覆蓋了大貓島(-25 dBZ)和涼帽山島(-30 dBZ)，但是并未造成能見(jiàn)度的明顯下降。

在液態(tài)水系統(tǒng)4即將離開(kāi)雷達(dá)掃描區(qū)域時(shí)，其后部的游離液態(tài)水團(tuán)在07時(shí)24分也覆蓋了南海學(xué)校(-10 dBZ)和金雞山社區(qū)(-15 dBZ)，但是也未造成能見(jiàn)度的下降。

綜上，通過(guò)毫米波雷達(dá)對(duì)游離液態(tài)水團(tuán)的觀測(cè)，除去受其他因素(以降水為主)影響的站點(diǎn)，得出其對(duì)能見(jiàn)度也有很強(qiáng)的影響，是造成無(wú)液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境時(shí)能見(jiàn)度急劇變化的主要原因之一。

2.3 對(duì)局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)的監(jiān)測(cè)

除了液態(tài)水系統(tǒng)和游離液態(tài)水團(tuán)之外，偶爾在某些區(qū)域會(huì)突然出現(xiàn)弱回波，又很快消失(圖4c、d)。在這次過(guò)程中大貓島總計(jì)出現(xiàn)了3次，分別為00時(shí)11分(-25 dBZ)、00時(shí)48分(-25 dBZ)和04時(shí)30分(-25 dBZ)。涼帽山島出現(xiàn)了2次，分別為04時(shí)30分(-20 dBZ)和06時(shí)32分(-30 dBZ)。其中大貓島第一次和第三次，涼帽山島第二次伴隨著能見(jiàn)度的降低；大貓島第二次，涼帽山島第一次伴隨著能見(jiàn)到度的上升。局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)的形成與局地其他因素關(guān)系緊密，不能單以雷達(dá)反射率來(lái)進(jìn)行分析。

另外白鵝山礁和老鼠山嶼整個(gè)過(guò)程中間或探測(cè)到弱回波，表明這兩個(gè)站點(diǎn)在不斷有液態(tài)水生成，局地水汽條件極好。

2.4 氣象要素變化

16日00時(shí)前后，7個(gè)站都出現(xiàn)了能見(jiàn)度的快速下降，大貓島和老鼠山嶼降到了500 m以下，定海、金雞山社區(qū)降到了1 000 m以下，涼帽山島、白鵝山礁降到了1 000 m左右，南海學(xué)校不如其他站點(diǎn)明顯，但也有這一變化。此時(shí)并無(wú)系統(tǒng)性雷達(dá)回波，只有大貓島和老鼠山嶼分別出現(xiàn)了-25 dBZ(00時(shí)11分)和-30 dBZ(00時(shí)20分)的弱回波，這應(yīng)該是兩個(gè)站點(diǎn)能見(jiàn)度降得比其他站點(diǎn)低的原因。此時(shí)，圖5表明各個(gè)站點(diǎn)的相對(duì)濕度都已飽和，而溫度還在持續(xù)下降，因此在近地面產(chǎn)生了水汽凝結(jié)，造成了能見(jiàn)度的快速下降。通過(guò)對(duì)自動(dòng)站降水資料(表1、圖3)表明，首次出現(xiàn)降水就在這個(gè)時(shí)間附近，其中大榭南和大榭北降水量均為0.1 mm，萬(wàn)向東側(cè)的小干島(K9614)在23時(shí)44分和23時(shí)46分分別降水0.1 mm。隨后能見(jiàn)度隨之又快速上升，其中白鵝山礁、涼帽山島、老鼠山嶼、定海等站上升到了5 000 m以上，其余站點(diǎn)也都會(huì)升到了2 000 m以上。

圖5 2017年4月15日20時(shí)至4月16日10時(shí)毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域內(nèi)各自動(dòng)站溫度、相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化Fig.5 Time-variation of temperature and relative humidity of each automatic station in the millimeter waveradar scanning area during 20∶00 BST on 15 to 10∶00 BST on 16, April 2017

液態(tài)水系統(tǒng)2過(guò)境之后(04時(shí)10分)有6個(gè)站能見(jiàn)度又出現(xiàn)了下，說(shuō)明在前面分析的南部3個(gè)站點(diǎn)液態(tài)水系統(tǒng)2持續(xù)影響之外，還有其他影響范圍更廣的影響因素。此外在這個(gè)時(shí)間附近各個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速都出現(xiàn)了明顯的減小，這一現(xiàn)象對(duì)這里的能見(jiàn)度下降應(yīng)該起了相當(dāng)重要的作用。隨后除了白鵝山礁之外的其他站點(diǎn)都快速恢復(fù)，而白鵝山礁的能見(jiàn)度長(zhǎng)時(shí)間維持在500 m以下，應(yīng)該是和局地的因素有關(guān)。

由表1可見(jiàn)，在液態(tài)水系統(tǒng)3經(jīng)過(guò)大榭二橋時(shí)有降水產(chǎn)生(05時(shí)08分，0.1 mm)；在液態(tài)水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定海時(shí)，也有降水產(chǎn)生(06時(shí)00分，0.1 mm)。因此推斷，大榭二橋降水導(dǎo)致了液態(tài)水系統(tǒng)近地面液態(tài)水的大量減少，從而使后面液態(tài)水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大貓島站點(diǎn)時(shí)能見(jiàn)度無(wú)明顯變化；定海降水導(dǎo)致定海、南海學(xué)校和金雞山社區(qū)附近區(qū)域液態(tài)水系統(tǒng)近地面液態(tài)水的大量減少，使得這3個(gè)站點(diǎn)在液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境時(shí)能見(jiàn)度反而有所上升。

在液態(tài)水系統(tǒng)4過(guò)境時(shí)，大榭二橋出現(xiàn)了兩次連續(xù)降水。這樣大量的液態(tài)水使得白鵝山礁能見(jiàn)度降低到200 m左右，由于白鵝山礁本身的水汽條件，200 m以下能見(jiàn)度天氣得以長(zhǎng)時(shí)間維持(涼帽山島的能見(jiàn)度下降到500 m以下之后又很快上升了，這樣的變化正是液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境時(shí)正常的變化狀態(tài))。定海站附近的白泉公園在06時(shí)46分降水0.1 mm，北部4個(gè)站點(diǎn)能見(jiàn)度從那時(shí)開(kāi)始上升，也與從那時(shí)開(kāi)始的相對(duì)濕度下降，溫度上升(圖5)變化趨勢(shì)一致。

大貓島在液態(tài)水系統(tǒng)2中心經(jīng)過(guò)時(shí)能見(jiàn)度處于快速上升狀態(tài)(圖3)，并在其后一段時(shí)間持續(xù)上升，一直到了5 000 m以上，與其他站點(diǎn)的變化完全相反。且氣象要素資料不全，為異常值，不予考慮。

綜上，低能見(jiàn)度天氣除了受液態(tài)水系統(tǒng)影響之外，還受溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水等氣象要素的影響。表2對(duì)整個(gè)時(shí)段中，造成能見(jiàn)度變化的各項(xiàng)因素產(chǎn)生作用的次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，總計(jì)與毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)的為30次，占比39.5%，受氣象要素影響的為33次，占比43.4%，受其他未知因素影響的為13次，占比17.1%。毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)的能見(jiàn)度變化次數(shù)接近40%，大致與氣象要素影響導(dǎo)致的能見(jiàn)度變化次數(shù)相當(dāng)，將未確定因素導(dǎo)致的能見(jiàn)度變化次數(shù)降低到了20%以下。與布設(shè)毫米波雷達(dá)之前相比，對(duì)此次低能見(jiàn)度系統(tǒng)的觀測(cè)效果提高了接近一倍。

表2 造成各能見(jiàn)度站點(diǎn)能見(jiàn)度變化的因素統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the factors that cause the change of visibility at each visibility station

3 結(jié)論

運(yùn)用毫米波雷達(dá)結(jié)合地面觀測(cè)站的方式，對(duì)2017年4月15日夜間至16日上午在寧波北部海域大范圍的大霧天氣過(guò)程進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

(1) 毫米波雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)10 km左右的液態(tài)水系統(tǒng)、千米左右游離液態(tài)水團(tuán)和更小尺度的局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)等的有效監(jiān)測(cè)。

(2) 液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境使站點(diǎn)的能見(jiàn)度呈現(xiàn)深V型變化，未被液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境的站點(diǎn)，在靠近液態(tài)水系統(tǒng)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)能見(jiàn)度變化。

(3) 游離液態(tài)水團(tuán)對(duì)能見(jiàn)度也有很強(qiáng)的影響，是造成無(wú)液態(tài)水系統(tǒng)過(guò)境時(shí)能見(jiàn)度急劇變化的主要原因之一。

(4) 局地短時(shí)液態(tài)水團(tuán)的形成與局地其他因素關(guān)系緊密，不能單以雷達(dá)反射率來(lái)進(jìn)行分析。

(5) 能見(jiàn)度的變化主要受毫米波雷達(dá)反射率相關(guān)因素和氣象要素兩者影響，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用將未確定因素導(dǎo)致的能見(jiàn)度變化次數(shù)降低到了20%以下。