滕玉鵬 陳洪濱 馬舒慶 李思騰 吳東麗 周 燕

1)(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所， 北京 100029)2)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 北京 100049)3)(中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心， 北京 100081)4)(北京城市氣象研究院， 北京 100089)5)(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所， 北京 100193)

引 言

S波段天氣雷達(dá)在云雨天氣觀測(cè)中起重要作用。日常應(yīng)用中，尤其在春季、夏季、秋季夜間，經(jīng)常能觀測(cè)到明顯的晴空回波。對(duì)于夜間晴空回波的產(chǎn)生原因與分類目前主要存在兩種觀點(diǎn)[1]：一種認(rèn)為夜間晴空回波主要是晴空大氣回波，以大氣湍流造成的折射指數(shù)起伏的布拉格(Bragg)散射為主；另一種則認(rèn)為是生物體散射回波，因昆蟲和鳥類的生物遷飛遷徙所致。

具體而言，氣象研究人員通常認(rèn)為晴空回波的多普勒速度和譜寬是湍流運(yùn)動(dòng)所致，并將其應(yīng)用于大氣風(fēng)場(chǎng)分析及湍能耗散等臨近預(yù)報(bào)中[2]。但有研究表明，鳥類和昆蟲尤其大型昆蟲會(huì)污染雷達(dá)的多普勒速度[3-4]。相反，雖然生物研究人員根據(jù)夜間晴空回波推測(cè)生物移動(dòng)，尤其是昆蟲的跨區(qū)域移動(dòng)[5]，但錯(cuò)誤的判識(shí)結(jié)果會(huì)影響農(nóng)業(yè)和林業(yè)部門后續(xù)的研判與決策。

研究人員對(duì)晴空回波機(jī)制存在不同觀點(diǎn)。魏鳴等[6]、黃琴等[7]通過分析南京地區(qū)晴空回波的演變特征及大氣垂直結(jié)構(gòu)，認(rèn)為南京地區(qū)上空晴空回波是由大氣湍流造成的布拉格散射所產(chǎn)生。而美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的Wilson等[8]則認(rèn)為生物體散射是佛羅里達(dá)州和科羅拉多州地區(qū)上空晴空回波的主要產(chǎn)生原因。由于我國(guó)研究應(yīng)用中多將晴空回波視為雜波進(jìn)行濾除，以排除其對(duì)降水回波的干擾[9-13]，因此，針對(duì)晴空回波產(chǎn)生機(jī)制的討論鮮見報(bào)道。

北京作為我國(guó)政治中心及北方經(jīng)濟(jì)中心，對(duì)氣象保障，尤其是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)要求較高。同時(shí)，北京地處渤海與燕山山脈之間，是連接?xùn)|北生物遷徙遷飛的陸路通道，對(duì)遷徙遷飛生物的監(jiān)測(cè)關(guān)系我國(guó)糧食安全和生態(tài)保護(hù)。故對(duì)于北京地區(qū)晴空回波的分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文重點(diǎn)著眼于生物季節(jié)性遷飛遷徙特征，結(jié)合L波段探空數(shù)據(jù)，討論造成北京地區(qū)夜間晴空回波的主要原因。同時(shí)，分析大氣層結(jié)對(duì)晴空回波強(qiáng)度的影響，提出造成晴空回波日變化的原因。

1 晴空回波產(chǎn)生機(jī)制

晴空回波解譯的分歧在于無云雨時(shí)電磁波散射原因。由生物體散射產(chǎn)生的晴空回波，以下簡(jiǎn)稱為生物回波；而由大氣湍流的布拉格散射造成的大氣晴空回波，稱為湍流回波。

1.1 生物回波

有關(guān)生物體的散射目前尚未建立確切、通用的模型，這是因?yàn)樯矬w表面外形和介電常數(shù)相較于降水粒子更為復(fù)雜多變[14]。由于昆蟲個(gè)體發(fā)育狀況不同，且在空中飛行姿態(tài)存在差異，通常研究人員使用經(jīng)驗(yàn)公式，或?qū)⑸矬w近似成橢球體模擬生物富含水分的軀干部分[15]?；跈E球體模型，生物體差分反射率平均可達(dá)5～10 dB。同時(shí)，基于局地各向同性湍流概念，研究者認(rèn)為湍流回波的差分反射率應(yīng)為零，進(jìn)而使差分反射率成為美國(guó)研究者利用雙偏振天氣雷達(dá)識(shí)別生物回波的主要依據(jù)[15-17]。

不僅如此，實(shí)際應(yīng)用中X波段，甚至C和S波段的生物體散射都進(jìn)入Mie散射區(qū)，使生物體散射的定量分析變得更加困難。但鑒于鳥類飛行速度遠(yuǎn)高于昆蟲，速度分析仍是區(qū)別鳥類與昆蟲的一種經(jīng)典方法。

1.2 大氣晴空回波

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù) 據(jù)

北京地區(qū)S波段天氣雷達(dá)位于北京市觀象臺(tái)(CINRAD/SA)，本文所用數(shù)據(jù)為2018年3月1日—10月18日每6 min 1次的雷達(dá)基數(shù)據(jù)。由于降水回波會(huì)嚴(yán)重干擾晴空回波的研究結(jié)果，故除特別注明外，存在降水回波的雷達(dá)數(shù)據(jù)全部被人工剔除。

相同時(shí)間段的X波段天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)用于人工識(shí)別和剔除降水天氣。X波段天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)選自北京市X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)，組網(wǎng)的雷達(dá)設(shè)備分別位于密云、昌平、順義、通州和房山，每部設(shè)備每3 min完成1次體掃。

L波段探空儀數(shù)據(jù)同樣選自北京市觀象臺(tái)內(nèi)高空氣象觀測(cè)站，高空探測(cè)系統(tǒng)采用GFE(L)-1型二次測(cè)風(fēng)雷達(dá)和GTS1型電子探空儀[21]。觀測(cè)站每日施放兩次探空氣球，分別為07：15(北京時(shí)，下同)和19：15。探空數(shù)據(jù)采用2018年3月1日—10月18日探空原始秒級(jí)數(shù)據(jù)，其中2018年8月16日—9月4日和10月5日的數(shù)據(jù)因故未能獲得。

2.2 預(yù)處理

由于雷達(dá)基數(shù)據(jù)采用極坐標(biāo)形式進(jìn)行存儲(chǔ)，因此需要對(duì)其進(jìn)行處理。極坐標(biāo)的雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)時(shí)，采用Delaunay三角剖分算法進(jìn)行填充[22]，同時(shí)考慮地球曲率對(duì)高度影響，對(duì)雷達(dá)回波垂直廓線的處理參考平均法[23]。雖然雷達(dá)文件內(nèi)回波的最小數(shù)值為-33 dBZ，但為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，參考晴空回波實(shí)際情況，反射率因子小于-10 dBZ 即視為空值。為避免地物及異?；夭ǎ笥?5 dBZ的回波也被剔除。降水?dāng)?shù)據(jù)的剔除參考北京X波段雙偏振多普勒天氣雷達(dá)組網(wǎng)拼圖。

由探空數(shù)據(jù)獲得大氣層結(jié)狀況，需要計(jì)算梯度理查遜數(shù)與水平風(fēng)切變。對(duì)氣象探空數(shù)據(jù)各物理量的垂直廓線線性插值后，計(jì)算表征湍流的梯度理查遜數(shù)Ri[24]。在實(shí)際計(jì)算中，垂直溫度梯度與風(fēng)速梯度可由對(duì)數(shù)內(nèi)插公式確定[25]。對(duì)于水平風(fēng)切變?chǔ)的計(jì)算采用式(1)，

(1)

式(1)中，u1和u2分別為z1和z2高度上水平風(fēng)速的東西分量，v1和v2分別為z1和z2高度上水平風(fēng)速的南北分量。

在后續(xù)分析中，采用熵對(duì)數(shù)據(jù)降維以表征其特征。圖像紋理特征變化對(duì)于回波類型分析十分重要[26]，由于圖像一維熵不能反映圖像的紋理[27]特征，使用灰度共生矩陣[28]，可在一定程度上彌補(bǔ)這一不足。

2.3 數(shù)據(jù)分類

生物遷徙遷飛活動(dòng)存在明顯季節(jié)性和方向性，而對(duì)于大氣晴空回波，風(fēng)向變化導(dǎo)致的湍流變化沒有生物活動(dòng)明顯。因此，雷達(dá)數(shù)據(jù)可按照生物向北遷徙遷飛或向南遷徙遷飛時(shí)間段，將雷達(dá)數(shù)據(jù)分為北遷時(shí)段與南遷時(shí)段，并根據(jù)當(dāng)日夜間探空數(shù)據(jù)風(fēng)向，將當(dāng)日雷達(dá)數(shù)據(jù)細(xì)分為南風(fēng)天氣條件與北風(fēng)天氣條件，進(jìn)而比較在不同季節(jié)、不同風(fēng)向下，雷達(dá)數(shù)據(jù)差異。

對(duì)于北京所處的中國(guó)北方地區(qū)，通常4月起生物開始向北遷移，8—10月則返回南方[29-36]。以草地螟為例，一年共4次遷飛，春季1次，夏季2次，秋季1次。幼蟲于內(nèi)蒙古南部、陜西北部、河北西部越冬，成蟲在春季隨西南風(fēng)遷飛，秋季回遷[30]。為了提高遷徙遷飛時(shí)的存活幾率，生物往往選擇順風(fēng)移動(dòng)以保存體力。對(duì)二點(diǎn)委夜蛾(可在北京地區(qū)越冬)的觀測(cè)分析表明，6—8月的高峰期捕獲數(shù)量與空中925 hPa的偏南氣流密切相關(guān)[37]。雖然不同種類昆蟲的飛行高度各異，但一般成層高度集中于200～1000 m[38-41]。

一般認(rèn)為，當(dāng)100～1000 m高度風(fēng)向符合生物遷飛需求時(shí)，生物回波的組合反射率因子將產(chǎn)生差異，且在回波強(qiáng)度、回波分布及各類數(shù)據(jù)紋理值存在差異。大氣晴空回波則不會(huì)出現(xiàn)類似情況，雖然不同風(fēng)向影響氣團(tuán)性質(zhì)，進(jìn)而影響晴空回波，但這種影響非常有限。同時(shí)，沒有證據(jù)表明生物活動(dòng)會(huì)影響大氣狀態(tài)，即當(dāng)存在生物活動(dòng)時(shí)，其雷達(dá)探測(cè)到的晴空回波必然為生物回波與大氣晴空回波兩者的疊加，且生物回波隨風(fēng)向變化比大氣晴空回波更明顯。如果北京地區(qū)S波段晴空回波存在隨風(fēng)向的明顯變化，則生物回波可能性較大；如果晴空回波隨風(fēng)向沒有明顯變化，則以湍流回波為主。

綜上所述，本研究選擇100 m，750 m和1.5 km高度作為表征生物活動(dòng)的3個(gè)高度，即地面、925 hPa 高度和邊界層頂，以3—7月為生物向北遷徙遷飛季節(jié)(北遷)，以8—10月為生物向南遷徙遷飛季節(jié)(南遷)，以19：15探空數(shù)據(jù)代表生物起飛時(shí)風(fēng)向，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

3 晴空回波隨時(shí)間與風(fēng)向變化

3.1 晴空回波日變化

由于晴空回波多見于3—11月，因此隨機(jī)選擇期間偶數(shù)月份的第1日，即2018年4月1日、6月1日、8月1日、10月1日20:00雷達(dá)組合反射率因子作為示例展示(圖1)。由圖1可見，晴空回波以雷達(dá)為中心，向遠(yuǎn)距離延伸且減弱，回波強(qiáng)度一般小于20 dBZ。北部回波較強(qiáng)區(qū)域受山脈影響，疑似地物回波但其多普勒速度不為零。

圖1 北京S波段天氣雷達(dá)2018年20:00晴空回波反射率因子 (a)4月1日，(b)6月1日，(c)8月1日，(d)10月1日Fig.1 Beijing S-band weather radar clear-air echo reflectivity factor at 2000 BT in 2018(a)1 Apr,(b)1 Jun,(c)1 Aug,(d)1 Oct

續(xù)圖1

同時(shí)，分析2018年4月1日、6月1日及10月1日14：00至次日11：00雷達(dá)組合反射率因子變化(圖2)， 因8月2日清晨起雷達(dá)探測(cè)到陣風(fēng)鋒回波，棄用該段數(shù)據(jù)。由圖2可知，這3段數(shù)據(jù)皆顯示典型的晴空回波，且無降水等其他類型回波干擾。

S波段天氣雷達(dá)晴空回波在日落后迅速增加并在20：00前后保持穩(wěn)定，日出后消散，同時(shí)伴隨著回波的增強(qiáng)、穩(wěn)定與減弱。這與趙海軍[2]統(tǒng)計(jì)的2008年和2013年5月—9月山東臨沂雷達(dá)晴空回波結(jié)果較為一致。這種夜間回波強(qiáng)度的穩(wěn)定性說明，每日午夜前后的單一時(shí)刻數(shù)據(jù)可表征當(dāng)日夜間晴空回波特征。

圖2 2018年北京S波段天氣雷達(dá)監(jiān)測(cè)回波變化(a)4月1日14：00—2日11：00組合反射率因子，(b)6月1日14：00—2日11：00組合反射率因子，(c)10月1日14：00—2日11：00組合反射率因子Fig.2 Composite reflectivity of Beijing S-band weather radar(a)from 1400 BT 1 Apr to 1100 BT 2 Apr in 2018,(b)from 1400 BT 1 Jun to 1100 BT 2 Jun in 2018,(c)from 1400 BT 1 Oct to 1100 BT 2 Oct in 2018

續(xù)圖2

3.2 晴空回波逐月變化

由于晴空回波強(qiáng)度在每日夜間較穩(wěn)定，選取3月1日—10月18日每日23：00雷達(dá)數(shù)據(jù)，分析晴空回波垂直強(qiáng)度分布(圖3)。在0～300 m高度上，晴空回波強(qiáng)度大體為10～15 dBZ，5月中旬、8月中旬—10月中旬的回波略強(qiáng)于其他時(shí)間。同時(shí)4月下旬—5月末、8月中下旬—10月中旬，晴空回波強(qiáng)度在1.5 km高度附近較強(qiáng)(約為15 dBZ)。

圖4為3月1日—10月18日每日21:00至次日02:00每小時(shí)組合反射率因子平均值。由圖4可見，夜間晴空回波有2個(gè)峰值期(5月中旬和9月初)和1個(gè)相對(duì)谷值期(6月底—7月初)。

為了更好地顯示平均回波強(qiáng)度連續(xù)變化，圖3中保留一些弱降水時(shí)段數(shù)據(jù)，僅剔除大于25 dBZ 回波。在圖4中，考慮到弱降水回波的邊緣區(qū)域可能包含一定水滴，會(huì)使組合反射率因子偏大，因此在圖4中剔除超過20 dBZ的回波。有研究認(rèn)為，降水前昆蟲會(huì)被氣流帶到空中形成晴空回波[42]，本研究分別對(duì)晴空回波組合反射率因子出現(xiàn)大值時(shí)刻進(jìn)行分析。根據(jù)圖4，分別選擇5月10日23:00，6月7日02:00，7月7日21:00和9月15日21:00這4個(gè)呈現(xiàn)組合反射率因子峰值時(shí)刻的雷達(dá)數(shù)據(jù)，其中6月7日與7月7日存在降水過程。對(duì)6月7日與7月7日雷達(dá)數(shù)據(jù)分析表明：這兩日存在與降水回波譜寬、紋理相似[43]，且與晴空回波存在明顯差異的降水外圍回波，判斷當(dāng)日組合反射率因子偏大是空中水滴所致。而對(duì)5月10日和9月15日分析結(jié)果表明：其所處時(shí)段風(fēng)向與生物遷飛方向相反，晴空回波不可能由生物遷徙遷飛所產(chǎn)生。

圖3 北京S波段天氣雷達(dá)2018年3月1日—10月18日每日23:00反射率因子垂直分布Fig.3 The vertical distribution of Beijing S-band weather radar reflectivity at 2300 BT from 1 Mar to 18 Oct in 2018

圖4 北京S波段天氣雷達(dá)2018年3月1日—10月18日每日21:00—次日02：00逐小時(shí)組合反射率因子Fig.4 Hourly composite reflectivity of Beijing S-band weather radar from 2100 BT to next 0200 BT during 1 Mar-18 Oct in 2018

3.3 回波強(qiáng)度與風(fēng)向

通過2.3節(jié)分析可知，風(fēng)向是判斷晴空回波中生物回波的最主要因素，因此，晴空回波反射率因子與風(fēng)向的相對(duì)變化，可以作為確定晴空回波是否由生物活動(dòng)產(chǎn)生的依據(jù)。對(duì)晴空回波在3—7月(北遷)與8—10月(南遷)的反射率因子的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在100 m高度，風(fēng)向不影響晴空回波強(qiáng)度。在750 m高度，雖然不同時(shí)段風(fēng)向會(huì)導(dǎo)致晴空回波強(qiáng)度出現(xiàn)差異，但差異不明顯。在1.5 km 高度，北遷時(shí)段北風(fēng)天氣條件下晴空回波要弱于南風(fēng)天氣條件，南遷時(shí)段北風(fēng)天氣條件下晴空回波要強(qiáng)于南風(fēng)天氣條件。但無論南遷還是北遷時(shí)段，南風(fēng)天氣條件下晴空回波強(qiáng)度相當(dāng)?？紤]平均值的局限性，分別針對(duì)不同高度統(tǒng)計(jì)反射率因子在不同時(shí)段、不同風(fēng)向下出現(xiàn)日數(shù)(圖5)。

表1 晴空回波北遷時(shí)段(3—7月)與南遷時(shí)段(8—10月)反射率因子平均值(單位: dBZ)Table 1 The mean value of reflectivity factor of clear air echo in northward migration period(Mar-Jul) and southward migration period(Aug-Oct)(unit：dBZ)

圖5 2018年3月1日—10月18日北京S波段天氣雷達(dá)反射率因子在不同時(shí)段、不同風(fēng)向下出現(xiàn)日數(shù)(a)100 m高度，(b)750 m高度，(c)1.5 km高度Fig.5 The number of days of Beijing S-band radar reflectivity factor appearing in different wind directions and different periods from 1 Mar to 18 Oct in 2018(a)at altitude of 100 m,(b)at altitude of 750 m,(c)at altitude of 1.5 km

圖5中南遷時(shí)段南風(fēng)天氣時(shí)反射率因子均大于7 dBZ，整體稍強(qiáng)于其他時(shí)段風(fēng)向。在100 m高度(圖5a)，相同時(shí)段、不同風(fēng)向條件下反射率因子大小較為接近，南遷時(shí)段反射率因子略大于北遷時(shí)段，最大反射率因子出現(xiàn)在南遷時(shí)北風(fēng)天氣。在750 m高度(圖5b)與1.5 km高度(圖5c)，最大反射率因子均出現(xiàn)在南遷時(shí)段南風(fēng)天氣。圖5中未體現(xiàn)某一時(shí)段某一風(fēng)向出現(xiàn)明顯不同于其他風(fēng)向的特征，這與生物活動(dòng)在不同時(shí)段選擇特定風(fēng)向進(jìn)行遷徙遷飛的特點(diǎn)不相符。

3.4 回波圖像特征與風(fēng)向

圖像紋理特征刻畫了圖像的局部模式與排列規(guī)則，表現(xiàn)圖像本身特征。通過不同時(shí)段、不同風(fēng)向下對(duì)S波段天氣雷達(dá)反射率因子、速度和譜寬3個(gè)產(chǎn)品的圖像紋理值的對(duì)比分析，可進(jìn)一步確認(rèn)晴空回波產(chǎn)生原因。

有關(guān)圖像紋理特征的研究方法中，灰度共生矩陣是一種通過研究灰度的空間相關(guān)特性描述紋理的常用方法。圖6使用圖像熵方法對(duì)灰度共生矩陣進(jìn)行降維處理，使二維矩陣降至一維，方便比較。由圖6可知，在100 m高度，灰度共生矩陣自5月起，熵值總體呈穩(wěn)定趨勢(shì)，多普勒速度的熵相較于反射率因子和譜寬的熵顯得更加離散。在750 m與1.5 km 高度，反射率因子與譜寬的灰度共生矩陣的熵值在3—4月與6—7月存在兩次峰值，多普勒速度的共生矩陣的熵值則在5月中旬后變得離散。不同時(shí)段、不同風(fēng)向的灰度共生矩陣的熵值無明顯特征(圖略)。總之，S波段天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)在不同生物遷飛時(shí)段、不同風(fēng)向下，雷達(dá)產(chǎn)品圖像無明顯差異。

圖6 2018年3月1日—10月18日每日23:00北京S波段天氣雷達(dá)雷達(dá)數(shù)據(jù)灰度共生矩陣在100 m，750 m和1.5 km高度的熵Fig.6 The entropy of gray level co-occurrence matrix of Beijing S-band radar data at altitudes of 100 m,750 m and 1.5 km at 2300 BT from 1 Mar to 18 Oct in 2018

續(xù)圖6

3.5 晴空回波與大氣狀態(tài)

由3.3節(jié)和3.4節(jié)可知，晴空回波在生物南遷時(shí)段與北遷時(shí)段反射率因子大小與雷達(dá)產(chǎn)品圖像的灰度共生矩陣熵值，在不同風(fēng)向天氣條件下，未展現(xiàn)與生物遷飛相互對(duì)應(yīng)的特征，可以確定北京S波段天氣雷達(dá)夜間晴空回波總體上屬于由大氣湍流產(chǎn)生大氣晴空回波。結(jié)合北京市觀象臺(tái)的夜間探空數(shù)據(jù)，可以初步分析晴空回波與大氣層結(jié)的關(guān)系。在分析過程中，參考湍流動(dòng)能收支方程，選擇溫度、相對(duì)濕度和水平風(fēng)速3種常規(guī)探測(cè)數(shù)據(jù)，與理查森數(shù)、溫度垂直遞減率和水平風(fēng)切變3種表征大氣層結(jié)穩(wěn)定度的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究(圖7)。

圖7中，理查森數(shù)(圖7a)、溫度(圖7b)、相對(duì)濕度(圖7c)和水平風(fēng)速(圖7d)并未呈現(xiàn)與晴空回波的反射率因子相似的變化趨勢(shì)。而在圖7e和圖7f中，溫度垂直遞減率和水平風(fēng)切變?cè)?月初—8月中旬的1 km以上高度出現(xiàn)谷值，與晴空回波反射率因子在7月初出現(xiàn)谷值的趨勢(shì)相似。為了方便比較，對(duì)1～2 km高度上溫度垂直遞減率與水平風(fēng)切變的平均值變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖8)。

由圖8a可見，溫度垂直遞減率的變化趨勢(shì)呈“M”形，在5月下旬升至高點(diǎn)后，開始進(jìn)入下行區(qū)間直至8月初，其后再次抬升并于10月初再次達(dá)到高點(diǎn)，同時(shí)，4月初與8月初溫度垂直遞減率相近。這些特征與晴空回波反射率因子的強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。由圖8b可見，水平風(fēng)切變呈“V”形變化趨勢(shì)，8月初達(dá)到最小值，5月中旬與8月下旬水平風(fēng)切變相近，且8月下旬至10月中旬水平風(fēng)切變保持穩(wěn)定。這種變化特征也與晴空回波的相對(duì)變化存在相似。因此，初步認(rèn)為晴空回波受溫度垂直遞減率與水平風(fēng)切變的影響。

溫度垂直遞減率與水平風(fēng)切變分別從熱力因素與動(dòng)力因素表征湍流動(dòng)能的趨勢(shì)，這代表晴空回波與湍流動(dòng)能相關(guān)。但需要注意，湍流動(dòng)能與晴空回波的關(guān)系還應(yīng)考慮其他因素。如在冬季，北京S波段天氣雷達(dá)夜間觀測(cè)不到晴空回波。而這或許因?yàn)楸本┒镜牡蜌鉁嘏c低濕度天氣，會(huì)使大氣折射率變得很小，進(jìn)而無法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的后向散射。

圖8 北京地區(qū)2018年3月1日—10月18日每日20:00 1～2 km高度溫度垂直遞減率(a)和水平風(fēng)切變(b)平均值Fig.8 The mean value of 2000 BT temperature vertical decline rate(a) and horizontal wind shear(b) of height from 1 km to 2 km in Beijing from 1 Mar to 18 Oct in 2018

根據(jù)相關(guān)理論，夜間陸地風(fēng)切變往往是產(chǎn)生湍流的唯一來源，且逆溫層的存在使熱力湍流很難產(chǎn)生[44]，即機(jī)械湍流占主導(dǎo)地位。本研究認(rèn)為，熱力因素在一定程度上會(huì)影響晴空回波的強(qiáng)度。熱力因素影響晴空回波強(qiáng)度的機(jī)制有兩種可能：一是熱力因素通過改變大氣折射率起伏，進(jìn)而影響晴空回波強(qiáng)度；二是局地?zé)崃Σ痪鶆蛞l(fā)小尺度的熱力湍流，這些熱力湍流導(dǎo)致雷達(dá)電磁波產(chǎn)生后向散射，進(jìn)而改變晴空回波強(qiáng)度。

3.6 晴空回波的推測(cè)

基于實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中S波段天氣雷達(dá)晴空回波表現(xiàn)出的特征，得到如下推測(cè)：日出后，隨著地表不斷升溫，湍流混合加劇，氣象要素垂直分布在混合作用下變得趨向均勻，大氣折射率起伏減弱，晴空回波消失。隨著日落，地表逐漸降溫，湍流能量呈準(zhǔn)平衡狀態(tài)，折射率起伏進(jìn)一步減弱。當(dāng)太陽輻射完全消失，風(fēng)切變成為湍流能量唯一來源，混合作用減弱，折射率起伏增強(qiáng)，晴空回波反射率因子迅速增大并達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)折射率起伏主要受水汽影響[17]。

目前對(duì)于晴空回波及邊界層湍流的認(rèn)識(shí)，還存在一些不明確之處。雖然Ottersten[45]早在1969年便提出大氣湍流散射公式，該公式基于湍流的均勻各向同性性質(zhì)，而當(dāng)代研究表明湍流存在間歇性，在一定程度上否定了均勻各向同性湍流，即大氣湍流散射公式適用范圍需重新考慮。同樣需要重新考慮的還有Zrnic等[16]1998年提出的基于湍流局地均勻各向同性假設(shè)的大氣晴空回波與生物回波的識(shí)別方法。

對(duì)于晴空回波與湍流的深入研究，需要充分利用不同頻段天氣雷達(dá)譜數(shù)據(jù)[46]。因?yàn)槔走_(dá)譜數(shù)據(jù)中既包含湍譜信息，也包含生物活動(dòng)特征，可進(jìn)行更加細(xì)致的分析。同時(shí)，隨著我國(guó)天氣雷達(dá)雙偏振升級(jí)改造工作的逐步推進(jìn)，結(jié)合模糊邏輯、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法的雷達(dá)偏振數(shù)據(jù)的使用，也將為研究工作的開展提供便利[47-49]。

4 結(jié) 論

本文利用生物在特定時(shí)段遷徙遷飛存在定向性的特點(diǎn)，通過對(duì)2018年3月1日—10月18日北京地區(qū)S波段雷達(dá)數(shù)據(jù)100 m，750 m和1.5 km高度的反射率因子與雷達(dá)產(chǎn)品圖像的灰度共生矩陣的熵值，結(jié)合北京市觀象臺(tái)夜間探空數(shù)據(jù)，得到以下主要結(jié)論：

1) 北京地區(qū)晴空回波反射率因子在日落后增大，夜間保持穩(wěn)定，日出前減弱；回波的反射率因子自3月起逐漸增大， 5月中旬達(dá)到峰值，而后減弱，7月初達(dá)到谷值，8月上旬再次增強(qiáng)，并在9月起維持較大值。在垂直方向上，反射率因子在500 m高度以上，逐月變化較500 m高度以下明顯，晴空回波高度可超過2 km。

2) 北京地區(qū)晴空回波在生物南遷時(shí)段與北遷時(shí)段，其反射率因子大小與雷達(dá)產(chǎn)品圖像的灰度共生矩陣的熵值，在不同風(fēng)向下，未展現(xiàn)與生物遷飛相互對(duì)應(yīng)的特征。

3) 1～2 km高度溫度垂直遞減率平均值在5月下旬升至高點(diǎn)而后減小，8月初再次抬升并于10月再次達(dá)到高點(diǎn)，4月初與8月初溫度垂直遞減率相近；1～2 km高度水平風(fēng)切變平均值在8月初達(dá)到最小值，5月中旬與8月下旬水平風(fēng)切變相近，且8月下旬—10月中旬保持穩(wěn)定。溫度垂直遞減率與水平風(fēng)切變的變化趨勢(shì)與晴空回波一致。

本研究認(rèn)為北京2018年夜間晴空回波總體上屬于大氣晴空回波，且受溫度垂直遞減率與水平風(fēng)切變共同影響。需要注意的是，對(duì)于晴空回波產(chǎn)生原因的爭(zhēng)論存在已久，觀點(diǎn)不同，本文結(jié)論僅針對(duì)北京2018年S波段天氣雷達(dá)的晴空回波而言。不同地區(qū)、不同時(shí)間結(jié)論會(huì)存在差異，不能一概而論，同時(shí)，也不能否認(rèn)天氣雷達(dá)在生物監(jiān)測(cè)方面的潛力。