郭建平 劉博銘 郭曉冉 張穎

（1 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430019；3 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣邊界層物理和大氣化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

大氣風(fēng)廓線觀測資料對于更好地理解頻繁的極端降水事件、加劇的晴空湍流、復(fù)雜的氣溶膠-云-降水相互作用和大氣污染事件成因等至關(guān)重要。同時，對于近地表邊界層內(nèi)風(fēng)場，由于地球自轉(zhuǎn)和地表摩擦力，邊界層內(nèi)湍流主導(dǎo)整個邊界層內(nèi)的物質(zhì)和能量交換。此外，在大尺度動力強(qiáng)迫和地面過程的影響下，風(fēng)速和風(fēng)向會發(fā)生巨大變化，這對模型準(zhǔn)確地模擬或預(yù)報(bào)風(fēng)的變化提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展全天候的大氣風(fēng)場立體探測技術(shù)，對我國天氣數(shù)值預(yù)報(bào)研究，災(zāi)害性天氣和大氣污染監(jiān)測、防治與預(yù)警預(yù)報(bào)工作等具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

現(xiàn)有的大氣風(fēng)場探測手段主要包括：衛(wèi)星和地基遙感監(jiān)測。衛(wèi)星遙感方式可以獲取大尺度的全球大氣風(fēng)場變化，如歐空局的Aeolus衛(wèi)星等；而地面監(jiān)測，如風(fēng)廓線雷達(dá)和探空氣球等，則可以得到該站點(diǎn)高精度的大氣風(fēng)廓線。但隨著研究的深入，在提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型精度以及滿足大氣污染防治工作需求的大背景下，亟需獲取高精度、高時空分辨率的區(qū)域大氣風(fēng)場信息。而衛(wèi)星風(fēng)廓線產(chǎn)品的時間分辨率較粗，單站點(diǎn)地面監(jiān)測的空間覆蓋不大，均無法滿足這一需求。因此，發(fā)展具有高精度和高時空分辨率的區(qū)域組網(wǎng)大氣風(fēng)場觀測手段，是當(dāng)前大氣遙感科學(xué)發(fā)展的重要方向。

另外，對流層低層的垂直風(fēng)切變（反映大氣垂直混合的指標(biāo)之一）對空氣污染和對流觸發(fā)影響顯著，然而由于缺乏時間連續(xù)的觀測，過去的相關(guān)研究一般均基于再分析數(shù)據(jù)和模型模擬分析。近年來，針對大氣污染進(jìn)行的垂直風(fēng)切變觀測研究逐漸增加，其中大部分是基于多普勒激光雷達(dá)。然而多普勒激光雷達(dá)在極度清潔或多霧多云等大氣條件下提供高分辨率的垂直風(fēng)場觀測的能力有限。風(fēng)廓線雷達(dá)（Radar Wind Profiler，RWP）探測技術(shù)利用大氣湍流多普勒效應(yīng)，理論上可提供秒級分辨率的垂直風(fēng)廓線、后向散射強(qiáng)度和回波信號頻散（譜寬）等觀測，且兼具晴空和云雨天（通過提高信噪比的方式實(shí)現(xiàn)）的大氣廓線和狀態(tài)觀測能力。自1970年代晴空測風(fēng)的首次應(yīng)用以來，通過逐步應(yīng)用于大氣廓線觀測等領(lǐng)域，證實(shí)了該技術(shù)應(yīng)用于全天候條件下風(fēng)廓線的強(qiáng)大觀測能力，并在美國科羅拉多州成功應(yīng)用于第一個區(qū)域性風(fēng)廓線雷達(dá)試驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò)的組建。目前，已發(fā)展成為較為成熟且應(yīng)用最為廣泛的地基遙感設(shè)備和技術(shù)之一。

為了更好地服務(wù)天氣監(jiān)測預(yù)警，全球主要經(jīng)濟(jì)體和國家都已經(jīng)建設(shè)了風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)。我國于2008年開始發(fā)展新一代L波段（1290 MHz）地基風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)，截止2020年底，該網(wǎng)絡(luò)已布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)134部。風(fēng)廓線雷達(dá)良好的時空連續(xù)觀測能力為我們提供絕佳機(jī)會來量化風(fēng)矢量廓線、垂直風(fēng)切變以及湍流垂直結(jié)構(gòu)，通過資料同化手段，推動其在天氣和大氣污染等的廣泛應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代，美國國家海洋大氣管理局率先開始部署了風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（NPN），運(yùn)行頻率為404 MHz。緊隨其后，歐洲科學(xué)和技術(shù)框架合作組織建立了歐洲風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，提供歐洲垂直風(fēng)廓線的監(jiān)測。此外，日本氣象廳于2011年建立了覆蓋全日本的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)，結(jié)果表明風(fēng)資料對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)有顯著的積極影響。2017年，澳大利亞氣象局完成了由19部風(fēng)廓線雷達(dá)組成的澳大利亞風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)的安裝工作，產(chǎn)生足夠精確的風(fēng)數(shù)據(jù)，并納入全球數(shù)值天氣預(yù)測模型。需要強(qiáng)調(diào)的是，美國NPN在2017年停止業(yè)務(wù)運(yùn)行，可能由以下兩個原因所致：1）經(jīng)過20余年的連續(xù)業(yè)務(wù)運(yùn)行，風(fēng)廓線雷達(dá)設(shè)備性能指標(biāo)下降；2）民用航空可提供高時空密度的溫度、氣壓和水平風(fēng)等氣象廓線觀測資料，且基本實(shí)現(xiàn)了與氣象部門的無縫共享（https://madis.ncep.noaa.gov/madis_npn.shtml，訪問時間：2021年3月25日）。

上述風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)在包括空氣質(zhì)量和天氣預(yù)報(bào)等各領(lǐng)域中得到了很好的應(yīng)用，大大拓展了人們對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力，展示了很好的應(yīng)用前景。因此，充分利用地基風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高時空分辨率的區(qū)域大氣風(fēng)場獲取，已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文將簡要介紹我國風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的發(fā)展和數(shù)據(jù)產(chǎn)品，同時對風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)的新型應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。

1 我國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)觀測

1.1 站點(diǎn)布設(shè)

我國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)始于2008年，當(dāng)時一共布設(shè)了5部風(fēng)廓線雷達(dá)。截至2020年底，風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)的數(shù)量持續(xù)增加到134個。我國風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)儀器信息如表1所示，主要包含四種類型的風(fēng)廓線雷達(dá)：高對流層風(fēng)廓線雷達(dá)、低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)、增強(qiáng)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，主要來自中國航天科工集團(tuán)公司（China Aerospace Science and Industry Corporation Limited，CASIC）、中國電子科技集團(tuán)公司（China Electronics Technology Group Corporation，CETC）和中國華云氣象科技集團(tuán)公司（China Huayun Group，CHG）等生產(chǎn)廠家。大部分站點(diǎn)的雷達(dá)是L波段邊界層型，少數(shù)站點(diǎn)是在P波段工作的對流層型。風(fēng)廓線雷達(dá)的運(yùn)行模式包括高、中、低探測模式，可以探測不同高度的風(fēng)場信息。高探測模式通常用于探測離地5～10 km高度的風(fēng)場。中低探測模式用于探測距離地面0～5 km高度的風(fēng)場。圖1顯示了我國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)站點(diǎn)空間分布，可發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的現(xiàn)象：如京津冀地區(qū)、長三角、珠三角和成都平原等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)往往更密集，而這些地區(qū)的氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測和預(yù)報(bào)水平，以及專業(yè)氣象服務(wù)能力也是比較強(qiáng)的，這可能與風(fēng)廓線雷達(dá)區(qū)域組網(wǎng)和相關(guān)資料、產(chǎn)品的高質(zhì)量應(yīng)用高度相關(guān)。

表 1 中國風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)儀器信息

圖1 中國L波段（1290 MHz）風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的站點(diǎn)（黃色圓點(diǎn)）分布（a），以及中國氣象局風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收和產(chǎn)品處理框架（b）

1.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品

中國氣象局國家氣象信息中心負(fù)責(zé)收集和管理風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，其中從風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)到中國氣象局氣象大數(shù)據(jù)云平臺的數(shù)據(jù)傳輸主要是通過互聯(lián)網(wǎng)連接完成的（圖1）。為了有效地處理風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)，由專門的數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和質(zhì)量控制，并生產(chǎn)兩種類型的數(shù)據(jù)：原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。前者包括功率譜數(shù)據(jù)文件（以FFT表示）和徑向數(shù)據(jù)文件（以RAD表示）。功率譜數(shù)據(jù)文件由文件識別、臺站基本參數(shù)、性能參數(shù)、觀測參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)組成，它是根據(jù)需要實(shí)時動態(tài)生成的。徑向數(shù)據(jù)文件分為兩部分：一是參考信息，如臺站基本參數(shù)、雷達(dá)性能參數(shù)、觀測參數(shù)等；二是各采樣高度下各波束的觀測數(shù)據(jù)，包括采樣高度、速度譜寬、信噪比和徑向速度。產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要包括三種風(fēng)廓線產(chǎn)品：1）實(shí)時采樣數(shù)據(jù)文件，時間分辨率為6 min，主要包括采樣高度、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速、水平可信度、垂直可信度、大氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)等。每6 min生成一個單獨(dú)的文件，并將其標(biāo)記為ROBS。2）半小時數(shù)據(jù)文件，時間分辨率是30 min，除每半小時生成48個文件外，與ROBS文件在數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式上基本一致，該文件被標(biāo)記為HOBS。3）小時數(shù)據(jù)文件，時間分辨率是1 h，每天24個文件，標(biāo)記為OOBS。這些風(fēng)廓線產(chǎn)品是由每個觀測站點(diǎn)生成的，在大部分站點(diǎn)的垂直分辨率為120 m。然而，少數(shù)站點(diǎn)使用低層的探測模式，具有更高的垂直采樣率，可以提供60 m的垂直分辨率數(shù)據(jù)產(chǎn)品。圖2表示北京大興站風(fēng)廓線雷達(dá)在2018年6月10日觀測到的水平風(fēng)速、垂直風(fēng)速和信噪比高度-時間剖面圖。

圖2 2018年6月10日北京南郊觀象臺站風(fēng)廓線雷達(dá)觀測的信噪比（a），水平風(fēng)速（b）和垂直風(fēng)速（c）高度-時間垂直剖面結(jié)果

2 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)新型應(yīng)用

2.1 區(qū)域風(fēng)場探測

對于沿海和風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)布設(shè)密集的地區(qū)，以北京地區(qū)為例（圖3），一共布設(shè)了7部L波段對流層型風(fēng)廓線雷達(dá)，上述站點(diǎn)同時還配備了毫米波云雷達(dá)，南郊觀象臺站點(diǎn)還配有L波段探空氣球觀測。通過區(qū)域組網(wǎng)聯(lián)合觀測，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域大氣風(fēng)和云廓線，尤其是區(qū)域大氣垂直運(yùn)動、輻合輻散等參數(shù)進(jìn)行高精度和高時效觀測。水平風(fēng)廓線觀測資料的累積，可以為區(qū)域風(fēng)力資源和發(fā)電潛力提供重要數(shù)據(jù)支撐；而不同高度上的水平風(fēng)隨高度的變化反映了風(fēng)切變信息，這些信息可為大氣污染監(jiān)測與預(yù)警、對流天氣的觸發(fā)提供重要前期信號。

圖3 （a）北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)分布和（b）北京海淀站2018年12月1日—2019年2月28日0～1 km（紅色），1～2 km（綠色）和2～3 km（藍(lán)色）水平風(fēng)矢量廓線時間序列

2.2 大氣邊界層高度

大氣邊界層高度一定程度上影響了大氣環(huán)境容量，在對流邊界層條件下，邊界層高度與近地面非傳輸?shù)臍馊苣z質(zhì)量濃度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)，即邊界層越高，氣溶膠濃度越低，反之亦然。邊界層與氣溶膠之間存在復(fù)雜的反饋過程，湍流、邊界層云、相對濕度、邊界層熱力穩(wěn)定度和復(fù)雜的大氣化學(xué)過程等均影響兩者關(guān)系。傳統(tǒng)的探空氣球和星載激光雷達(dá)（如：CALIPSO）觀測得到的邊界層高度時間上缺乏連續(xù)性，激光雷達(dá)觀測站網(wǎng)又缺乏足夠的空間覆蓋性。鑒于我國風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)的高時空密度特點(diǎn)，亟需發(fā)展針對風(fēng)廓線雷達(dá)的邊界層高度估算算法，開發(fā)相應(yīng)的邊界層高度產(chǎn)品。

大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和氣象參數(shù)在邊界層的頂部具有明顯的特征。由于與夾卷過程有關(guān)的小規(guī)模浮力波動，大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在邊界層頂部處達(dá)到最大值。同時大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)與風(fēng)廓線雷達(dá)的信噪比成正比。在這個理論基礎(chǔ)上，可以通過風(fēng)廓線雷達(dá)測得的上述相關(guān)大氣參數(shù)來反演大氣邊界層高度。

目前各國學(xué)者針對風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)提出了一系列的邊界層高度反演算法。峰值法是最早的風(fēng)廓線雷達(dá)邊界層高度反演算法之一，該方法通過查找信噪比廓線上的最大值處來確定邊界層高度。同時也有學(xué)者提出可以依靠查找大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線的最大值來反演邊界層高度。但是這類方法容易受到大氣對流引起的嵌入結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生劇烈振蕩的結(jié)果。因此，相關(guān)學(xué)者提出模糊邏輯算法來克服多重最大值的影響，將峰值、梯度、多普勒頻譜寬度和垂直速度變化等一系列參數(shù)結(jié)合使用，以消除邊界層反演中雜波的影響。相關(guān)研究還表明：風(fēng)廓線獲取的垂直速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)偏差和沿地面風(fēng)向的水平動量分量的垂直通量等變量的局部最小值或最大值位于邊界層的頂部，也可以用于反演邊界層高度。此外，還有學(xué)者提出可以基于邊界層內(nèi)外地轉(zhuǎn)風(fēng)的差異，基于湍流模型來反演邊界層高度。近年來，小波變換和閾值方法已被用于風(fēng)廓線雷達(dá)反演邊界層高度。Compton等采用小波協(xié)方差變換來反演邊界層高度。Singh等提出了基于固定閾值的方法（SNR=6 dB），從風(fēng)雷達(dá)信噪比廓線中反演邊界層高度。Liu等發(fā)展了改進(jìn)閾值算法，提出基于歸一化信噪比廓線反演邊界層高度，極大提升了算法應(yīng)用范圍。這些方法加深了從風(fēng)雷達(dá)反演邊界層高度的認(rèn)識。圖4展示了基于改進(jìn)閾值法反演得到的中國地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)邊界層高度初步產(chǎn)品?？梢钥吹?，相較于探空氣球只能得到部分時刻的邊界層高度結(jié)果，風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)可以更好地觀測全天時的邊界層高度演變。

2.3 垂直風(fēng)切變與PM2.5

圖4 基于全國風(fēng)廓線雷達(dá)借助改進(jìn)閾值法獲取的2018年12月27日13—16時的小時分辨率邊界層高度分布

眾所周知，垂直風(fēng)切變（vertical wind shear，VWS）能夠強(qiáng)烈影響邊界層中氣溶膠的垂直混合過程及其濃度變化。圖5為污染和清潔條件下VWS的垂直分布。主對角線（右上角到左下角）表示每一層的局地VWS，而填色表示任意兩個垂直高度間VWS值。注意，VWS分布不考慮切變方向。研究發(fā)現(xiàn)，在污染條件下VWS的量級要比清潔條件下小得多，表明邊界層中氣溶膠濃度較高時垂直混合較弱，從而又導(dǎo)致了地表PM的進(jìn)一步累積。普遍的，污染條件下的局地VWS為8.5 m·s·km，而清潔條件下的VWS高達(dá)11～12 m·s·km。圖6為污染和清潔條件下不同高度VWS與地表PM的相關(guān)分布，在兩種情況下，它在邊界層通常表現(xiàn)出明顯的差異（相反的符號）。特別是在污染條件下，從地表到2.5 km的高度的相關(guān)系數(shù)基本為正（圖6a），與圖5中觀測到的邊界層的弱VWS有利于氣溶膠的積累一致。而在清潔條件下，在幾乎整個低層大氣中，除了高度2.5 km以上之外，VWS與地表PM之間普遍存在負(fù)相關(guān)（圖6b）。VWS增加伴隨的氣溶膠垂直混合增強(qiáng)所導(dǎo)致的PM降低，則可以解釋清潔條件下觀測到的負(fù)相關(guān)。2.5 km以上高度的相關(guān)異?？赡芘c氣溶膠遠(yuǎn)距離傳輸相關(guān)，因?yàn)檫h(yuǎn)距離跨界傳輸?shù)母叨韧ǔ８哂?.5 km。

圖5 不同高度日間平均（08—18時）垂直風(fēng)切變（VWS）（a）污染條件；（b）清潔條件（基于北京2018年12月至2019年2月的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，X軸和Y軸分別代表VWS頂層與底層高度）

圖6 不同高度間的VWS與標(biāo)準(zhǔn)化PM2.5的相關(guān)系數(shù)分布（a）污染條件；（b）清潔條件（灰點(diǎn)表示統(tǒng)計(jì)顯著性超過90%，X軸和Y軸分別代表VWS頂層與底層高度）

2.4 大氣湍流探測

目前，北京地區(qū)區(qū)域尺度時空連續(xù)的邊界層結(jié)構(gòu)和湍流發(fā)展演變過程的觀測十分缺乏，尤其人們是對湍流－邊界層云相互作用機(jī)制仍不清楚。上述問題一定程度上制約和影響著北京地區(qū)天氣預(yù)報(bào)模式邊界層參數(shù)化方案的改進(jìn)，對空氣污染精細(xì)預(yù)報(bào)而言也是一個重大挑戰(zhàn)，已成為大氣邊界層領(lǐng)域亟待解決的難點(diǎn)問題。同時，不同尺度環(huán)流可顯著改變邊界層結(jié)構(gòu)，單站的邊界層觀測已難以滿足揭示復(fù)雜下墊面區(qū)域尺度邊界層內(nèi)湍流過程及其演變規(guī)律。渦流耗散率可以從能量的角度揭示邊界層內(nèi)不同尺度渦流演變規(guī)律，是湍流研究中的關(guān)鍵參數(shù)。高時空分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)可實(shí)時獲取其多普勒譜寬數(shù)據(jù)，按照如下公式計(jì)算渦流耗散率（

ε

）：

圖7 基于北京海淀站的風(fēng)廓線雷達(dá)譜寬數(shù)據(jù)反演計(jì)算得到的2019年7月12，14，23和31日的渦流耗散率廓線

湍流混合來源主要包括浮力、剪切和云輻射冷卻，這些來源呈現(xiàn)出很大的時空變異性。近年來的研究表明：后向衰減系數(shù)、垂直速度偏度、湍流動能耗散率和垂直風(fēng)切變等參數(shù)可被用來識別大氣邊界層內(nèi)湍流來源。目前，相關(guān)方面的研究已經(jīng)基于多普勒激光雷達(dá)在不同地區(qū)迅速展開。例如，在湍流混合來源量化方面，Huang等借助香港天氣臺King’s Park站點(diǎn)長期高分辨率測風(fēng)激光雷達(dá)觀測，初步揭示了該站大氣邊界層內(nèi)精細(xì)的湍流結(jié)構(gòu)及其演變特征，并量化了浮力（地面加熱引起）、剪切和云輻射冷卻效應(yīng)對湍流的相對貢獻(xiàn)率（圖8）。這一研究為今后基于風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行相關(guān)研究提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)和重要參考。

圖8 浮力、剪切和云輻射冷卻效應(yīng)等三種不同湍流來源對香港King’s Park站云下層湍流貢獻(xiàn)率廓線[55]

2.5 大氣輻合輻散探測

動力抬升信號在強(qiáng)對流觸發(fā)和隨后的演變過程中起著十分重要的作用，而大氣水平輻合輻散正與垂直運(yùn)動緊密聯(lián)系。Bellamy在1949年提出利用三個不共線站點(diǎn)上空的水平風(fēng)觀測計(jì)算其組成的三角形區(qū)域內(nèi)的水平散度。20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)學(xué)者引進(jìn)了三角形法來計(jì)算我國各個探空站點(diǎn)間的渦度、散度等量，并提出了各種改進(jìn)方案。近年來風(fēng)廓線雷達(dá)在全國范圍內(nèi)廣泛開展建設(shè)，多地相繼建成站點(diǎn)密集、間距小的風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)，可提供更高時空分辨率的實(shí)時三維風(fēng)場觀測，是提高對災(zāi)害性天氣監(jiān)測的能力和短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式質(zhì)量的重要手段。劉夢娟等將散度和渦度計(jì)算的三角形法應(yīng)用到上海地區(qū)風(fēng)廓線中尺度組網(wǎng)，即可以實(shí)時監(jiān)測局地輻合輻散特征及其變化，進(jìn)而捕捉強(qiáng)對流風(fēng)暴的前期信號，為強(qiáng)降水精細(xì)預(yù)報(bào)提供參考。

以北京地區(qū)為例，利用位于北京主城區(qū)的6部風(fēng)廓線雷達(dá)，可構(gòu)建自西向東相鄰的4個三角形組成的中尺度網(wǎng)。根據(jù)某一三角形3個頂點(diǎn)測站位置的經(jīng)緯度(

λ, φ

) (

i

=1,2,3)和地球平均半徑

R

計(jì)算該三角形三邊的分量(Δ

x,

Δ

y

) (

i

=1,2,3)，結(jié)合某一高度處3個測站的水平風(fēng)數(shù)據(jù)(

u, v

) (

i

=1,2,3)計(jì)算該高度處此三角形內(nèi)的水平散度

D

和相對渦度

ζ

，計(jì)算公式如下：

將該算法遍歷三角形組網(wǎng)，可得每一個三角形上空任意高度處的水平散度和相對渦度數(shù)值，從而提供京津冀區(qū)域性的輻合、輻散實(shí)時產(chǎn)品。圖9為基于三角形法反演計(jì)算得到的2018年7月16日18：12北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)上空各高度層水平散度的空間分布。

圖9 基于三角形法反演計(jì)算得到的2018年7月16日18：12北京地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)上空各高度層水平散度的空間分布，紅色（藍(lán)色）陰影表示輻散（輻合）

根據(jù)地面自動站觀測（圖10），2018年7月16日18時后北京中、西部出現(xiàn)強(qiáng)降水，部分站點(diǎn)最大小時雨量可達(dá)50 mm，對流觸發(fā)與其上空低層輻合、高層輻散的動力抬升作用密不可分。由此可見，根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)提供的三維風(fēng)場反演輻合、輻散場，能夠分析強(qiáng)對流天氣觸發(fā)前大氣動力條件的變化特征，精密捕捉中尺度組網(wǎng)內(nèi)的上升運(yùn)動，為判斷中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展提供依據(jù)。

圖10 2018年7月16日17：30—20：00（時間分辨率為6 min）四個三角形上空0.5～8 km水平散度垂直廓線的時間序列（陰影，單位：×10-5 s-1）（紅色（藍(lán)色）陰影表示輻散（輻合），主次刻度之間間隔為50×10-5 s-1；黑色虛線表示0.5 km高度，未計(jì)算此高度以下的散度；帶實(shí)點(diǎn)的綠線表示每個三角形中的6 min累積面積平均降雨量）

3 結(jié)論

風(fēng)廓線雷達(dá)具有連續(xù)觀測、自動化程度高等優(yōu)勢，可實(shí)時提供水平風(fēng)風(fēng)向、水平風(fēng)風(fēng)速、垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等要素信息。利用風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)觀測，不僅可進(jìn)行區(qū)域三維風(fēng)場探測，而且長期風(fēng)廓線觀測資料的累積也可為區(qū)域風(fēng)力資源和發(fā)電潛力提供重要數(shù)據(jù)支撐。尤其是利用不同高度處的水平風(fēng)可反演出時空分辨率更高的散度、渦度、風(fēng)切變和垂直速度等大氣動力參數(shù)，若結(jié)合探空觀測、靜止衛(wèi)星、多波長多普勒天氣雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)、地面自動站觀測等多源觀測資料，可捕捉對流觸發(fā)前大氣垂直動力、熱力、水汽變化特征，為強(qiáng)對流天氣監(jiān)測預(yù)警和短期臨近預(yù)報(bào)提供重要參考。

在污染條件下垂直風(fēng)切變的量級要比清潔條件下小得多，表明邊界層中氣溶膠濃度較高時垂直混合較弱，由此可見，風(fēng)切變可顯著影響邊界層內(nèi)氣溶膠的垂直混合過程及其濃度變化，進(jìn)而應(yīng)用于大氣污染物成因分析與預(yù)測預(yù)警。此外，由于大氣邊界層與氣溶膠之間存在復(fù)雜的反饋過程，傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)探空氣球一天兩次觀測難以捕捉大氣邊界層的日變化特征，借助高時間分辨率（6 min）風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)觀測，可實(shí)現(xiàn)時間連續(xù)且全天候的大氣邊界層高度和垂直風(fēng)切變等關(guān)鍵參數(shù)的反演，進(jìn)而為大氣污染監(jiān)測與預(yù)警提供參考。同時，基于風(fēng)廓線雷達(dá)多普勒譜寬數(shù)據(jù)可計(jì)算渦流耗散率，有助于探究區(qū)域尺度邊界層內(nèi)湍流混合特征和發(fā)展演變過程。若結(jié)合靜止氣象衛(wèi)星和云雷達(dá)觀測，可進(jìn)一步開展邊界層云過程研究，重點(diǎn)探索弱天氣系統(tǒng)強(qiáng)迫背景下的晴空對流邊界層、積云/層積云覆蓋邊界層和中小尺度局地環(huán)流影響下的邊界層等三種不同邊界層內(nèi)湍流演變規(guī)律，進(jìn)而深化對區(qū)域大氣邊界層內(nèi)湍流-邊界層云相互作用機(jī)制的科學(xué)理解，為區(qū)域天氣氣候模式的大氣邊界層方案改進(jìn)提供重要科學(xué)依據(jù)。

由此可見，利用高時空分辨率的區(qū)域風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)觀測資料一方面能夠更加精細(xì)地捕捉強(qiáng)對流天氣觸發(fā)前的大氣動力信號，另一方面可以全天時全天候地監(jiān)測邊界層內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)特征和發(fā)展變化，為大氣污染監(jiān)測與預(yù)警提供參考。數(shù)值天氣實(shí)時預(yù)報(bào)模式，若能同化上述區(qū)域高分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)得到的熱動力和邊界層結(jié)構(gòu)參數(shù)，可獲得較為精準(zhǔn)大氣分析場，有望提升短時臨近天氣預(yù)報(bào)技巧。此外，上述新產(chǎn)品也有助于揭示復(fù)雜的邊界層氣溶膠-云-降水相互作用，且有望在航空安全、可再生能源、災(zāi)害天氣和氣候變化等科學(xué)研究和應(yīng)用中發(fā)揮重要的科技支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)作用?？紤]到在沙漠、海洋、極區(qū)、干旱半干旱及經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)部署風(fēng)廓線雷達(dá)的困難和挑戰(zhàn)，如何發(fā)展基于星載的測風(fēng)激光雷達(dá)風(fēng)場反演算法和同化技術(shù)也是有待我們繼續(xù)加強(qiáng)的領(lǐng)域?？紤]到目前還缺乏時間連續(xù)的大氣熱力廓線觀測，亟需大力發(fā)展我國微波輻射計(jì)組網(wǎng)或衛(wèi)星觀測，以彌補(bǔ)此類觀測的不足。