大气廓线综合探测系统及其应用技术.PDFVIP

大气廓线综合探测系统及其应用技术 张 勇 王 欣 徐祥德 卞林根 (中国气象科学研究院,北京 100081) / 中日合作高原及周边地区水分循环过程观测试验研究0项目( 2003CB716806)资助 作者简介:张勇,男, 1976年生,硕士,主要从事暴雨过程大气结构的分析研究 收稿日期: 2003年 11月 17日;定稿日期: 2003年 12月 15日 摘要 介绍了大气廓线综合探测系统 ) ) ) 风廓线仪与 RASS 雷达的工作原理, 并以具体实例来说明这种探测技术 在国外高空探测领域中的广泛应用。它可以被用来推算湿度廓线,探测锋的热动力结构与垂直风结构, 诊断热带 地区行星边界层和降雨云系统。通过对中日科技人员 2002 年夏季在安徽省肥西县进行的中尺度天气观测试验资 料分析,阐述了用风廓线仪和 RASS 雷达资料反演 01 2~ 21 2 km 高度范围内湿度廓线的方法。 关键词 大气廓线仪 RASS 大气边界层 湿度廓线 引言 世界各地常规气象站测量高空风、温度、湿度一 般都是通过释放探空气球作为大气流体的示踪物进 行探测的。虽然这种探测的高度分辨率和探测的精 度较好,但是探测的时间分辨率却只是在几小时的 时间间隔内是最好的。为了提高探测的时间分辨 率,一些国家从 20 世纪 70年代末期开始相继研制 开发出了新一代遥感探测系统 ) ) ) 风廓线仪。到目 前为止,美国、日本等国已在其国内大范围部署风廓 线仪组成业务运行网, 并与 RASS(声雷达)结合起 来,对大气中的风、温度和湿度进行连续地监测, 为 气象预报, 大气环境监测及大气探测的研究提供良 好的保障。 我国近年来也在大气廓线仪的开发利用上作了 一定的研究, 1989 年中国气象科学研究院研制了 UHF 多普勒风廓线仪,并进行了业务试验。在实际 业务试验中,大气廓线仪和 RASS 系统可以很好地 捕捉到风、温、湿的细微变化, 并反映出一些中小尺 度系统的结构特征。本文就大气廓线仪综合探测系 统的工作原理及实际应用作了简介,为进一步应用 大气廓线仪资料提供参考。 1 大气廓线仪概述 1. 1 风廓线仪 大气中存在着各种不同尺度随时间变化的湍 流,它们能引起折射指数的不规则变化,对无线电波 产生散射作用。风廓线仪向天空发射无线电波, 并 接收它的回波,这些回波是由于大气湍流在空中不 同层面引起的电波折射而产生的, 通过对回波的处 理和分析就可以获得湍流的多普勒系数和强度系 数,从而反演出湍流强度、运动方向和运动速度随高 度的分布。大气湍流的运动是随背景风的运动而运 动的,因此, 如果获得了大气湍流的多普勒速度和方 向,同时也就获得了风的多普勒速度和方向。 风廓线仪可以获取大气中高精度的各种常规物 理量,它的探测高度在近地面到 6 km 的范围内,高 度分辨率可以达到每层 50 m 左右,时间分辨率可以 小到大约 3 m in。 边界层风廓线仪一般由 4个部分组成, 以日本 三菱公司出产的WPR1300风廓线仪为例来说明: ( 1)天线:天线阵分为 4块,每块上各有 12 @ 12 根外部用树脂管密封的细铜管排列构成。 ( 2)模块箱:内部有24个模块分别控制24组天线。 ( 3)收发装置: 1向模块箱里的激励单元传送发 射信号, 并对各波束进行控制。 o 从模块箱接收观 第 32卷第 4期 2004 年 8 月 气 象 科 技 METEOROLOGICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 32, No. 4 Aug. , 2004 测信号,并检测出信号的相位。相位信号经过模数 转换、脉冲压缩、相干累积、FFT 处理、非相干累积 等处理后, 得到多普勒系数。通过多普勒系数计算 出风速和风向系数。 ?在收发装置中还产生这个系 统的时间信号, 用于系统的时序控制。 ( 4)数据处理单元:主要是用计算机处理收发装 置送来的数据, 以图形方式将处理后的产品显示出 来,同时保存数据文件。 1. 2 无线电探声系统 风廓线仪上加装无线电探声系统( RASS)后, 可 以测量大气层的有效温度。RASS 雷达系统通常由 4个声源组成,分布在廓线仪天线阵的每一边并垂 直向上发射声波。廓线仪把声波作为目标接收并处 理反向散射,同时测得传播速度。由于声速与大气 温度有很好的对应关系, 所以可以通过廓线仪测得 的声速来得到有效温度廓线。 表 1 风廓线仪(WPR1300)与无线电探声系统 (RASS)的主要技术参数[ 1] WPR1300 RASS 发射频率 1357. 5 MHz 工作频率 2~ 3 kHz 脉冲宽度 0167, 1100, 1133, 2167Ls 波束宽度 10b 脉冲重复频率 10