第22章边界层和对流层专用廓线技术(易)1

393第22章边界层和对流层的专用廓线技术22.1概述专用廓线技术已被开发用于在高时间和空间分辨率上获取数据，以满足分析、预报、小尺度气象研究、以及多种特殊应用的要求。本章介绍了目前应用于上述目的的地面系统的概况。本章分为两个主要部分：遥感技术和直接测量技术。其中一些技术可用于整个对流层的测量，一些技术用于低对流层的测量，尤其是行星边界层。遥感技术基于电磁或声音的能量和大气的相互作用。和直接测量相反，遥感测量仪器和被测变量在空间上距离是分离的。在大气应用上，该项技术可以分为被动遥感和主动遥感技术。被动遥感技术利用大气中自然产生的辐射（微波辐射计）。主动系统（声雷达，风廓线仪，RASS和激光探测雷达）的特点是在人工发射进入大气的特殊辐射。地面廓线技术在22.2节中进行阐述。与此相关的其它遥感技术在第一编的第8章和第9章进行讨论。22.3简阐述了将仪器设置于不同平台上，直接获取边界层测量结果的直接测量技术（气球，边界层无线电探空仪，安装仪器的塔和杆，装载仪器的系留气球）。第一编的第12章和第13章讲述了更为广泛应用的利用气球进行廓线测量的技术。关于廓线技术的文献是很丰富的。一般性的讨论和评述见Derr(1972)，WMO(1980)，Martner等(1993)和对流层廓线的第二届国际研讨会中的报告。22.2地基遥感技术22.2.1声雷达（声达）声雷达（Sodars）基于大气对声波进行散射的原理而工作。根据声散射的理论，一个声脉冲射入大气会被由于小尺度湍流温度及速度起伏引起的折射率变化造成散射，而这种湍流温度及速度的起伏在空气中自然存在，特别伴随出现在逆温层的强温度和湿度梯度中。在后向散射情况下（180°），只有尺度相当于二分之一发射声波波长尺度的温度起伏才能决定返回的回波。然而，在别的方向上，除无散射的90度角之外，回波是由温度和速度起伏共同导致的。有关声音探测方面的可利用的参考文献包括，Brown和Hall(1978)，Neff和Coulter(1986)，Gaynor等(1990)和Singal(1990)。一些不同类型的声雷达已经被开发出来，但在业务中广泛使用的是单点声雷达和多普勒单点声雷达两种类型。单点声雷达由一个垂直指向脉冲的声源和一个配置好的接收机组成。每个声脉冲中有小部分脉冲通过空气中自然产生的温度起伏散射返回接收机。接收机测量返回声波的强度。在常规雷达中，从发射到接收回波的时间延迟即反映了目标物的距离。在双点声雷达中，接收机被置于距离声源一定距离以外接收速度起伏产生的回波的信号。单点声多普勒雷达既测量回波信号强度，也对发射和接收信号进行频谱分析，以确定发射声波和后向散射声波的多普勒频移。多普勒频移是因温度起伏随空气移动而产生的，由此可测量空气径向风速。多普勒声雷达使用三种典型波束：一个垂直方向和两个偏离垂直方向有一定倾斜的方向，从而在三个方向上确定出风速分量，从这些分量中就可以计算出垂直风和水平风。在时间-高度图中，风矢394量按照30-50m的高度间隔显示出来。声雷达最大探测高度取决于系统参数，但随着大气条件而改变。电子系统通常能够探测到600m的高度甚至更高，高度分辨率可达几十米。一个声雷达应该包括以下参数：参数特征值脉冲频率1500Hz脉冲宽度0.05—0.2s脉冲重复周期2—5s波束宽度15°发射功率100w单点声雷达通常能生成后向散射回波信号强度的时间-高度图。图中包含大量边界层内部结构的详细资料。大体上能够用来监测逆温层高度，通过边界层稳定度变化来监测混合层的厚度，以及监测雾的浓度。然而，要正确解释这类曲线图则需要相当多的技巧和背景知识，以及来自现场测量和有关全面天气状况的有价值的附加信息资料。多普勒单点声雷达系统在测风的同时，也提供了强度信息。这种系统低成本、高效地进行边界层测风。尤其适合于逆温层的连续监测以及对存在潜在污染问题的工业区附近风场进行连续监测。声雷达系统的主要局限性除有限的覆盖高度外，是干扰噪声影响它们的灵敏度，干扰噪声可能产生于交通运输或降水和强风。这一局限性使它不能在全天气系统中工作。此外声雷达产生的声音和音量会给邻近地区带来烦恼，这也妨碍了它在其它一些适当环境中的使用。一些系统采用有吸声作用的泡沫材料，以减少外部噪声源的影响，也减少给人们带来的烦恼。这种泡沫材料的物理特性会随着时间老化，必须定期更换以避免仪器性能降低。22.2.2风廓线雷达风廓线仪是为在所有天气条件下测量风廓线而设计的高频和甚高频多普勒雷达。雷达观测二分之一雷达波长尺度的湍流涡旋造成的大气折射率不均匀体产生的后向散射信号（Bragg条件）。湍流涡旋随平均风速移动，通过测量湍流移动速度，可直接获取平均风矢量。与常规天气雷达不同，它们能够在晴空条件下工作。典型的风廓线仪在三个甚至更多的方向上测量空气的径向速度，垂直方向，正北和正东偏离垂直方向15度的方向。从这些分量中，能够确定水平和垂直风速分量。假设垂直风速可以忽略，较简化的系统可以通过测量两个倾斜方向的径向速度，从而得到水平风速。有关的深入讨论见Gossard和Strauch(1983)，Hogg等(1983)，Strauch等(1990)，Weber和Wuentz(1990)，WMO(1994)。这种散射机制的特性要求风廓线雷达工作在40—1300MHz范围内。在频率高于1300MHz时雷达性能变差。工作频段的选择受所需高度覆盖范围和分辨率的影响。实际上，系统确定在3个频段：50MHz附近、400MHz和1000MHz附近，并且工作在低模式（短脉冲，较低的高度覆盖范围）和高模式（长脉冲，较高的高度覆盖范围），它们在垂直作用距离和分辨率之间进行折衷。典型的特征值总结在下表中。廓线仪参数平流层对流层低对流层边界层频率（MHz）504004001000395峰值功率（kW）5004021工作高度范围（km）3—301—160.6—50.3—2垂直分辨率（m）15015015050—100天线类型Yagi（八木阵列）Yagi或CocoYagi或Coco盘状或相位排列典型天线尺寸（m）100×10010×106×63×3雨或雪的影响小在小雨中很小在小雨中很小很大风廓线仪能够在无人值守状态下工作，并且几乎能在站址的正上方做连续的风测量。和通过跟踪气球来测量风的系统相比，这些特性是最主要的优点。每部风廓线雷达都有最小和最大测量距离。低于或高于这一界限时都不能进行测量。最小测量距离决定于发射脉冲宽度，雷达接收机恢复时间和接收到的周围物体的地物杂波的强度。因此，应特别注意在工作中的风廓线仪，要尽量减少接收到的地物杂波。雷达站址最好选择在山谷或凹地，这样只在很小的范围内受地物杂波的影响。对平流层廓线仪来说这些考虑是最重要的。可以通过适当的防护措施来减小地物杂波对较高频雷达的影响。廓线仪接收到的信号通常随高度的增加而减小。这从根本上决定了廓线仪的探测高度。廓线仪的最大作用距离取决于雷达的特征参数，它随着产品的平均发射机功率和天线孔径的增大而增加，但它也决定了雷达所用频率。这些要素意味着大功率的平流层廓线仪能够在最大高度范围内进行测量。然而，对于每部廓线仪，探测的最大高度随着气象条件的不同有相当的变化。有时在较低的高度的范围内可能探测不到。由于在尽可能高的高度上进行测量是非常重要的，廓线仪用几分钟的时间收集数据，以对获取的弱信号进行积分。典型情况下，廓线仪可能用6或12分钟来进行三组需要的观测，以便对风速进行测量。在许多系统中，把一系列这样的观测结合起来，以给出每小时一次的测量结果。由于廓线仪对来自不均一大气的弱回波非常灵敏，它们能够探测到来自航行器，鸟类和昆虫的回波信号。一般来说，这样的信号会干扰廓线仪测量，从而导致不正确的风输出。在这些情况下，许多独立的测量可以加以比较或者结合起来，既给出一致的测量结果，又可以摈弃不真实的测量结果。在1000和400MHz波段中，降雨似乎会把折射率的不均一性反映成更大的目标物。因此，测量到的垂直速度是反射率权重（reflectivity-weighted）在应用中是无用的。大型的平流层廓线仪是非常昂贵的。它需要大型天线阵列，典型值是100m×100m，和相对更高功率发射机。它们庞大的物理尺寸意味着很难找到合适的站点，并且他们的高度分辨率和最小高度距离对于特定的应用而言是不够好的。它们的优点是能在高度在20km以上进行常规风测量，并且除极大的降水外，测量几乎不受到任何影响。对流层廓线仪工作在400—500MHz频带中，可能是最适合于进行天气尺度的和中尺度的测量。它们具有中等外形尺寸，相对来说也不受雨的影响。边界层廓线仪价格廉并且使用小型天线。虽然雨天廓线仪不能测量垂直速度，但是雨滴增加了回波信号强度，实际上也就增大了水平风的测量的有效垂直距离。廓线仪是主动设备；在许多国家获取必要的频率许可是一个很重要的问题。然而，国内和国际上廓线仪的频率分配常常是主动提出要求而分配的。39622.2.3电-声探测系统（RASS）RASS用于测量低对流层的虚温廓线。它的主要技术是通过并列的微波多普勒雷达跟踪垂直入射到大气中的高强度短声脉冲。这项测量技术基于这样一个原理：声波是纵波，它使周围的空气密度发生变化。这些变化导致当地大气折射率发生相应的变化，随之，这种变化又使微波多普勒雷达发射的电磁能量通过声脉冲传播时，引起电磁能量的后向散射。当这些折射率扰动以当地声速上升时，微波雷达测量它们的传播速度。声波波长与二分之一微波波长相匹配（Bragg条件），因此来自于几个声波后向散射的能量迭加到接收机上，大大增加了回波信号的强度。虚温与声脉冲传播速度同垂直空气速度之差的平方成比例，因此通过测量声脉冲传播速度，能够计算出虚温。有关此项技术的详细文献包括May等(1990)，Lataitis(1992；1993)，Angevine等(1994)。已开发出多种实验方法来扫描声音频率获取虚温廓线。通过在上述类型廓线雷达系统上增加声源和进行适当的处理技术，已开发出许多电-声探测系统，对于频率为50、400、1000MHz的雷达，需要声频约在110、900、2000Hz左右。在2000Hz的声音衰减通常将高度覆盖距离限制在1—2km以内；在900Hz，实际中探测高度达到2—4km；而110Hz通过使用大型50MHz廓线仪，在有利的条件下，探测高度可达4—8km。和无线电探空仪加以比较显示，在有利的条件下，当高度分辨率为100—300m，虚温的测量准确度能达到0.3℃左右。然而，在强风和降雨情况下，测量会受到限制。RASS技术是一种很有前途的获取虚温廓线的方法。然而，还需要进一步探索，以期能有足够的可信度，使它能够符合用户要求的更高探测高度、分辨率、准确度。22.2.4微波辐射计空气中微波波段的热辐射主要是由氧气、水蒸气和液态水的辐射产生的，并且依赖于它们的温度和空间分布。对于气体而言，例如氧气，它的密度作为高度的函数，是为人熟知的，已知地面气压，辐射包含的信息主要是大气温度。通过地基被动微波辐射计测量氧气在近60GHz的微波热辐射来获得低层大气的垂直温度廓线。通过工作频率为21GHz和32GHz的微波辐射仪可以获得大气中水汽和液态水含量。详细内容参见Hogg等(1983)和Westwater等(1990)。从卫星向下观测辐射温度测定原理已经充分得到确立（见第8章）。工作在不同频率的辐射计在特定的大气压范围内对温度最灵敏。其灵敏度作为气压的函数，遵循一个钟形曲线（权重函数）。选择辐射计的频率使权重函数的峰值理想地分布在预定探测高度上。利用得到的辐射值和权重函数，通过数学反演技术计算出温度廓线。权重函数曲线的宽度使得在近地面处得不到准确的温度廓线。地基或向上看的遥感温度辐射计的权重函数在地面达到峰值，然后随高度增加呈指数下降。这意味着从辐射计测量结果到温度廓线的反演处理从根本上比星载系统更加困难，对仪器误差也更加敏感。这种反演技术还依赖于站点的温度、湿度廓线的气候学的统计特性。权重函数曲线表明微波辐射计的垂直分辨率是相对较差的（以500米为一级），并且它们只能在地面以上两到三