风廓线雷达探测模式组合应用分析

毛文茜，肖 霞，张文煜，冒立鑫，王开强，王 琦

（1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州大学 大气科学学院，半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.中国科学院大气物理研究所，北京 100029；4.郑州大学 地球科学与技术学院，河南 郑州 450001；5.甘肃省民乐县气象局，甘肃 民乐 734500；6.中国人民解放军91103部队，海南 三亚 572099）

引 言

风廓线雷达通过接收大气折射率不均匀结构对电磁波造成的散射回波及多普勒频移信息［1］，可以连续获得大气风场、湍流等要素［2-6］，同时可获得降水云体的微观特征［7-10］，是一种新型的高空气象遥感探测设备。风廓线雷达定点获取的资料时空分辨率较高，可以弥补常规探空资料中气球漂移、每天观测2～3 次的局限性，成为高空风等要素探测的重要手段，在数值天气预报、灾害性天气监测等方面具有重要应用价值［11-16］。

我国风廓线雷达最早开发于20世纪80年代，随着研制技术的不断成熟，投入业务使用的范围日趋增大，可用于边界层、对流层、平流层的探测［17-19］。这些不同的探测高度范围可以由不同雷达探测模式的组合来实现。探测模式若采用短脉冲发射，能量较小，能够到达的最大探测高度有限，但分辨率较高、起始探测高度较低，称为低模式；若采用长脉冲发射，能量较大，能够到达的最大探测高度较高，但分辨率较低、起始探测高度较高，称为高模式［20］。从理论上来说，当高、低模式间存在探测高度范围重合，则可以完整呈现定点上空的风廓线，保证低空较高分辨率的同时，还能获得较高的探测高度。然而实际探测中发现，探测模式的不同组合，会影响风廓线雷达的探测性能，尤其在探测高度的重合或衔接区域［20］。CFL-03 风廓线雷达在福建采用3个探测模式的组合进行探测，各月均在2个转换高度处出现不同程度的数据缺失［21］；CFL-06风廓线雷达采用的低、中、高组合探测模式在不同季节探测中均出现3.6 km 高度左右数据缺测比例较高的现象［22］；CLC-11-D 风廓线雷达在南京探测时，模式转换高度区间上也出现数据缺失，且探测性能受季节影响［23］；TWP3 风廓线雷达在上海松江探测时，低、高模式衔接高度处探测性能降低，10—12月获取的样本数逐渐减少［24-25］；ST 风廓线雷达、CFL-03风廓线雷达分别在安徽淮南［26］、乌鲁木齐［27］探测时，均存在模式衔接高度处探测性能降低现象。

对单部风廓线雷达来说，工作时高、低模式组合的选择较多，但模式的不同组合，对雷达探测性能会产生多大改变？探测环境的变化对其性能影响程度如何？为实现不同的探测目的，应如何选择合适的模式组合？因此，本文采用中国科学院大气物理研究所淮南气候环境综合观测试验站（Huainan Climate and Environment Observatory，HCEO）的ST 风廓线雷达，进行为期3 a 的探测试验，结合同期地面观测数据，对获取的雷达探测数据，根据不同模式的组合，探讨雷达的探测性能，以期根据实际需求选择适当的模式组合，为后续雷达技术的改进及资料信息的挖掘提供参考。

1 仪器、资料与方法

HCEO 站位于淮南市上窑国家森林公园西北侧的山腰平台上，周围以山地丘陵为主，森林覆盖率较大。该站设有ST 风廓线雷达，工作频率为46.5 MHz，探测高度为30 km。该雷达分为室外、室内两大部分，由天线系统、发射接收系统、信号处理系统、监控定标系统以及终端5 个部分组成。其中雷达天线占地2500 m2，采用13×13 的相控阵进行排列，对12×12 的天线配有T/R（transmitter/receiver）组件（共144 个有源天线单元），用于完成电磁波的发射和接收（T/R 组件的发射功率和接受增益相同）。当雷达调整各阵列天线单元的相位时，可以使发射波束保持一定相位差，分别在东、西、南、北、中的转向上实现4 个天顶角为0°～15°的倾斜波束和1 个垂直波束的探测。然后对雷达接收的大气湍流散射回波信号进行A/D 转换，通过相干积累、FFT 变换以及杂波抑制、谱对称性判断等数据处理算法，检测出大气返回的信号谱［20］。

ST 风廓线雷达的波长为6452 mm，发射功率为43.2 kW，采样频率为80 MHz，天线增益为27 dB。试验期间，雷达正常工作时间占91.2%，可以稳定运行，具备24 h 无人值守、连续正常工作的性能。表1是ST 风廓线雷达的系统参数，其中探测模式由低、高模式组成（低模式脉冲短，高度分辨率高，起始探测高度低，最大探测高度低；高模式脉冲长，高度分辨率低，起始探测高度高，最大探测高度高），对应低、高模式分别有两种。Rah＝Dcosθ，其中，Rah（m）为实际高度分辨率、θ（°）为波束宽度、D（m）为距离库长。

表1 ST风廓线雷达的系统参数Tab.1 Parameters of ST wind profile radar system

试验以探测样本超过980次为有效的探测模式组合进行统计，按照高、低模式及转换高度，分为5个组合（表2）。其中，组合1 的低、高模式探测高度分辨率分别是141、1182 m，模式转换高度在8457～9601 m 之间，探测时间为2014年9月25日至11月2日；组合2 与组合1 相同，其转换高度在低模式上相差141 m，探测时间为2014年11月8日至12月24日。考虑到两者（组合1 和组合2）所占总样本比率较小且探测时间相近，后续逐日数据获取率分析中视为同类型组合。组合3 的低、高模式探测高度分辨率分别是297、1188 m，对应低模式35 层、高模式13 层探测高度，转换高度在9952～10 843 m 之间，探测时间为2015年1月14日至2016年4月23日，样本占整个试验期间的44.10%。组合4 的低、高模式探测高度分辨率分别是290、580 m，模式转换高度较低，在5940～6519 m 之间，探测时间为2016年4月24日至5月30日。组合5 的低、高模式探测高度分辨率分别为290、1160 m，转换高度在5940～7099 m之间，对应低模式22 层、高模式17 层，探测时间为2016年6月1日至2017年6月30日，样本占比为38.07%。上述不同模式的组合，主要是低、高模式及相应转换高度的选取，取低模式临近最大探测高度的高度和高模式的起始探测高度作为模式的转换高度区，并通过试验结果来调整转换高度区间，进而达到较为稳定的低、高模式及转换高度。

表2 探测模式不同组合的统计结果Tab.2 Statistical results under different combinations of work models

2 结果分析

2.1 雷达不同模式组合的探测性能

通常，数据获取率是反映风廓线雷达探测性能的一个重要指标。数据获取率定义为：一定探测时间内，各高度层上由雷达输出的探测数据样本与总样本的百分比［28］。利用2014年7月至2017年7月HCEO 站ST 风廓线雷达资料，分别统计不同模式组合的数据获取率（图1），分析各组合间探测性能的差异。可以看到，各探测高度上前4 个组合的探测性能与组合5区别较大，主要体现在高、低模式转换高度上数据获取率的变化，而组合1、2相近，与组合3 的变化规律相同，但与组合4 有差别。具体来说，组合1、2 均受到地物杂波影响，在500 m 高度以下探测性能较低，组合2 获取率不足20%，远低于组合1，但随高度升高，数据获取率迅速增大，约900 m 达到100%；当组合1的获取率在5.0 km以上开始降低时，组合2的获取率已降到80%以下，到转换高度处组合1降为40%，组合2降为0%；模式转换高度区间内，两者探测性能迅速提高，获取率急剧增大到减小前（低模式中）的数值；进入高模式探测后，随高度升高探测性能逐渐降低，组合1 减小速度约为组合2 的一半，在19.0 km 左右降为70%；往上至20.0 km，雷达接收的散射回波微弱，组合2 基本达到雷达的探测极限。组合3 受地物杂波影响较小，8.0 km 以下（约占低模式探测高度的80%）探测性能较高，数据获取率接近95%；8.5 km 以上至模式转换高度处，探测性能降低到50%；经过转换区间，其变化与组合1、2 类似，获取率迅速增大到90%，表现出高模式的探测性能，20.0 km 处降为20%左右。对于组合4，低模式的探测性能最高，数据获取率维持在95%以上；直到模式转换区间，探测性能迅速降低，获取率减小至65%；往上进入高模式探测，探测性能未能迅速达到较高水平，7.0～10.0 km 逐渐增大到80%后减小，在13.0 km 左右降为20%。对于组合5，在低模式探测范围与组合4 相同，探测性能较高，但数据获取率低于组合4；到模式转换区间内，探测性能没有明显降低，获取率仍大于90%；高模式探测，探测性能到10.0 km 以上开始减小，获取率从90%逐渐降低，在15.0 km左右降为20%。

图1 HCEO站ST风廓线雷达不同工作模式组合下的数据获取率Fig.1 The data availability of ST wind profile radar under different combinations of work models at HCEO station

综上所述，6.0 km 以下，雷达组合4 获取数据的能力较高，每个高度层上获取率接近100%，组合3 次之，获取率接近95%；6.0 km 以上，组合5 获取数据的稳定性更高，获取率在模式转换高度范围均未发生迅速变化；高模式探测范围，组合1、3 获取数据的高度更高，且获取率随高度减小的较慢。相比之下，边界层及对流层低层的探测，雷达采用组合3、4 较好；对流层中高层，组合3、5 的探测能力较高；在对流层顶附近，组合5 有较稳定的探测能力；组合1、3可以较好地获取更高高度的风廓线数据。

2.2 探测环境对雷达探测性能的影响

将高模式探测范围内，某高度上日数据获取率不低于80%的样本定义为有效样本，考虑模式组合的最大探测高度，分别统计逐日数据获取率（图2）。图2（a）是组合1、2 先后间隔6 d 探测的不同高度数据获取率。可以看出，低模式中，受地物杂波影响，高度1.0 km 以下，组合1 出现数据获取率小于80%的情况，组合2 大部分时段小于30%；临近高低模式转换的高度范围内，数据获取率的变化随时间逐渐增大，组合1 在9.6 km 以下间歇性出现低于30%的获取率，影响高度约占低模式探测高度的28%，而组合2 在7.7～9.6 km 高度内形成连续小于30%的低值区，影响高度约占43%；高模式中，两者最大探测高度随时间逐渐降低，且组合2 在12月变率较大，无法清晰地界定最大探测高度。

图2 HCEO站ST风廓线雷达探测模式组合1和组合2（a），组合4（b）、组合3（c）、组合5（d）不同高度数据获取率的逐日变化（单位：%）Fig.2 The daily variations of data acquisition rate at different heights under combination 1 and 2 （a），4 （b），3 （c） and 5 （d） of work models from ST wind profile radar at HCEO station （Unit：%）

图2（b）是组合4在不同高度的数据获取率。低模式中，5月20日前后，1.8 km 高度以下持续约2 d数据获取率介于50%～70%，其余时间段没有明显的低值区；高模式中，最大探测高度随时间从9.0 km升高至11.0 km。

图2（c）是组合3各高度的数据获取率。可以看出，以9月初为界将该组合的数据获取率分为两段。前段，最大探测高度较高，可达18.0 km，临近模式转换高度范围内，数据缺失较少，仅个别观测日获取率低于80%；3.0～6.0 km 高度内出现数据获取率介于40%～70%之间的不连续低值区，其时间较短，影响高度占比较小。后段，最大探测高度先降低后升高，平均约12.0 km；1.0 km 以下在10月中旬至次年2月获取率略有降低，说明秋冬季受地物杂波影响；12月零星出现中心高度在4.5 km 左右、厚度约1.0 km的低值区；12月至次年3月在9.0～10.8 km 高度内出现获取率小于30%的低值区，影响高度约占低模式探测的22%；高模式中，12月未获得有效数据。

考虑到组合4探测性能稳定、探测高度较低，将其高模式高度分辨率调整为1160 m，进行组合5 的探测试验［图2（d）］。可以看出，组合5 最大探测高度呈现春夏季高、秋冬季低的变化趋势，平均约11.0 km；高模式探测内，大部分时段的数据获取率在14.0 km 以下大于70%，夏季部分时段的数据获取率较低，冬季仅个别观测日低于30%；低模式探测内，临近模式转换高度处数据连续性较高，未发生获取率明显降低的现象，数据获取率低值区主要分布在2016年6—7月、9—10月和2017年6月，低值中心小于30%，其中10月下旬低值中心所在高度为4.5 km左右。

通过上述数据获取率日变化特征分析，发现探测气象环境对雷达探测性能会产生一定影响。首先在高模式探测中，由于春夏季风切变较大，对流层较强的湍流使得数据获取率较高、造成雷达最大探测高度呈现季节变化。其次临近模式转换高度内，低、高模式下电磁波功率不同产生的数据缺失从秋季到冬季逐渐加重，数据缺失的高度范围增大；同时，冬季地物杂波对雷达获取数据的干扰略有增强。此外，伴随着降水过程，雷达对对流层低层的探测会出现数据缺失，数据获取率低值中心高度与降水形成高度有关。

对雷达模式的不同组合，探测性能因探测气象环境会产生一定差异。以观测期较长的组合3、5来看，最大探测高度在季节上的变化程度不同，从春季到冬季，组合3、5分别平均降低约6.0、3.0 km；组合3 的高模式探测性能受季节影响更大，在冬季明显低于组合5。相比于组合3，组合5 对降水过程的数据获取有局限性，探测性能在降水形成高度上较低。

2.3 探测模式不同组合下的水平风速和垂直风速差异

为进一步比较探测模式不同组合应用的差异，分别对其获得的水平风速和垂直风速进行分析。图3是两者统计值随高度的变化关系。可以看出，不同组合中水平风速的标准差随平均值增大而增大，减小而减小；垂直风速的标准差在低模式下变化较小，在高模式下随高度升高而增大。从水平风速来看，组合1、2 低模式中的标准差比组合3、4、5小；在模式转换高度内，组合3 的标准差相对较大；高模式中，不同组合无显著差异。垂直风速中，除了1.0 km 以下不同组合的标准差略有区别外，低模式的标准差在其他高度范围内没有明显变化；模式转换高度内，组合4、5的标准差相对较大，但数值仍较小；到高模式中，组合5的标准差略大，而组合2、3临近最大探测高度处平均值和标准差均较大（图中省略误差棒右端数值超过1.5 m·s-1的情况）。总体来看，不同组合下获得的水平风速和垂直风速变化规律相同，不同组合间的差异较小。

图3 HCEO站ST风廓线雷达不同模式组合下水平风速（上）及垂直风速（下）随高度的变化（黑色圆点表示平均值，误差棒为对应的标准偏差σ，线段长度为2 σ）Fig.3 The variation of horizontal （the top） and vertical （the bottom） wind speed with height under different combinations of work models from ST wind profile radar at HCEO station（The black dots represent the average，error bars represent the standard deviations σ，and the line segment length is 2 σ）

3 结 论

风廓线雷达的定点高空风场数据的时空分辨率较高，是常规探空资料的重要补充。利用2014—2017年HCEO 站ST风廓线雷达探测资料，分析在不同探测模式组合下雷达的探测性能，探讨了探测气象环境的影响，进而给出满足不同探测需求的模式组合方式。具体结论如下：

（1）HCEO 站ST 风廓线雷达选用高、低模式和转换高度进行探测模式组合，可以实现不同探测目的，但不同探测模式组合的探测性能存在差异。边界层及对流层低层的探测，可以选用雷达组合4 或组合3；对流层中高层，可以选用组合5 或组合3；对流层到平流层，可以考虑组合1或组合2或组合3。

（2）观测期间，各组合的探测性能呈现两种变化规律。一种是临近转换高度范围内，探测性能在转换前逐渐降低，但转换后迅速升高，进入高模式后探测性能随高度逐渐降低。另一种是在转换过程中探测性能未发生明显改变，进入高模式某一探测高度后性能逐渐降低。

（3）探测气象环境的变化对探测性能的影响主要体现在两方面。一是秋冬季，临近转换高度范围，探测性能降低的程度逐渐加大，可获取数据的高度层减少；高模式下数据缺失严重，最大探测高度降低约30%。二是降水过程中，探测性能较稳定的组合在对流层中低层的探测性能降低，获取数据偏少。若在春夏季探测，可以考虑组合3，其获取的探测高度较高，且7.0～10.0 km 的高度分辨率较高；秋冬季的探测，可以考虑组合5；降水期间的探测，可以考虑组合1或组合3或组合4。