贵州边界层风廓线雷达数据获取率分析*

杨 哲，许 弋，曾 勇，曹 水，李丽丽

（1.贵州省大气探测技术与保障中心，贵州 贵阳550081；2.贵州省人工影响天气办公室，贵州 贵阳550081；3.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳550081）

1 概述

风廓线雷达利用大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射[1]，其后向散射回波被风廓线雷达接收以此来探测目标物所在位置和运动速度，其回波信号强度很微弱，因此风廓线雷达对微弱信号的数据获取能力是其探测高度性能能否达标的重要指标。胡明宝[2]等对边界层和对流层风廓线雷达一整年的数据统计得出两种雷达的探测威力分别为2km 和12km。董保举[3]等对风廓线雷达在不同天气条件下的数据探测能力进行了统计分析，表明阴雨天气的探测高度大于晴天的探测高度。李晨光[4]等分析了1998 年华南暴雨和南海季风的风廓线雷达数据得出高度分布和天气状况对数据的获取率有影响。在云贵高原腹地和强对流过程频发的威宁，边界层风廓线雷达的数据探测能力是否可靠？各种天气条件对其探测性能有多大影响？本文将利用威宁风廓线雷达自运行以来的风场数据对这些问题进行系统分析。

2 雷达简介及运行情况

贵州威宁边界层风廓线雷达建于威宁县气象局内，为固定式相控阵体制雷达，可以在无人值守情况下24 小时不间断连续运行，整机功耗较低，自带ups 功能，其环境适应性较强。该雷达可以长时间固定在某观测点进行探测，通过连续向五个不同波束方向发射电磁波，再利用探测返回的目标回波数据实时计算出雷达上空的即时三维风场，然后每隔6 分钟以色块、廓线图或表单的形式不间断地在PC 端显示出风廓线雷达高度探测能力（60m-5.3km）内的水平风速风向、垂直风速、Cn2（即大气折射率结构常数）等气象探测要素随高度的分布，供业务人员或研究人员分析使用[5]。

2019 年3 月4 日威宁风廓线雷达正式建成开机，全天24 小时不间断连续运行，自开机至5 月底雷达每天的探测数据样本数均有丢失，威宁CFL-03 边界层风廓线雷达设定6 分钟一个风羽图产品，24 小时生成完整的数据样本数为240 个，据实际统计，3 月份运行期间雷达数据样本数在45-232 之间，数据完整性较差。4 月3 日开始，雷达接连出现停止扫描故障，导致4、5 月份数据完整性极差，故文中均不予讨论，6 月初维修完成，雷达正常工作，因此本文主要讨论自2019 年6 月至2020 年6 月的风廓线雷达数据。

表1 CFL-03 固定式边界层风廓线雷达参数性能

3 数据处理及分析

3.1 不同季节月份数据获取率对比

图1 威宁风廓线雷达各高度月数据获取率变化曲线图

（1）由图1 可知，1 至12 月份威宁边界层风廓线雷达的数据获取率随月份和季节的变化有一定的区别，以月份来看：1 月、12 月数据获取率最差，6、7 月最好；以季节来看：夏季数据获取率最好，秋季、春季次之，冬季获取率最差。主要由于：冬季天气特征为降水量较少、空气湿度较低、天气系统比较稳定、湍流运动不强，致使回波信号微弱[6]，导致风廓线雷达探测到的数据量减少。

（2）每个月的数据获取率随高度变化的大体趋势具有一定的相似性，各月在低探测高度层60m-180m，数据获取率均在95%左右，这是由于近地层的地杂波一般较强，当湍流信号较弱时易被地杂波淹没[7]，从而造成数据缺失。各月在高度层300m-2000m（个别月份可达3000m）之间，随高度升高，数据获取率变化不明显，且数值几乎接近于100%；在2000m-4700m 高度层数据获取率基本呈快速下降趋势，到4700m 左右高度到达最小值；各月在4700m 以上高度层数据获取率变化基本趋于平缓。

图2 各月数据获取率为70%、80%、90%时探测高度

（3）图2 为威宁边界层风廓线雷达全年12 个月在70%、80%、90%三种不同数据获取率情况下的探测高度统计结果，图中曲线为80%数据获取率的随月份变化情况。90%数据获取率的最低探测高度在2200m 左右，70%数据获取率最高可达4800m 左右，三种情况下平均探测高度在3000m-3500m 之间。总体来看威宁边界层雷达最可靠的有效探测高度在0-2200m，比较可靠的有效探测高度在2200m-3500m，基本可靠的有效探测高度在3500m-4200m 左右。

（4）若以风廓线雷达数据获取率大于80%为可靠标准，根据上图统计结果所示威宁边界层风廓线雷达最低有效探测高度在冬季（12、1、2 月）为2400m 左右，春季（3、4、5 月）为3300m 左右，最高有效探测高度在夏季（6、7、8 月份）为4700m 左右，秋季（9、10、11 月）为3800m 左右。

3.2 不同时次数据获取率对比

图3 为一整年每天数据获取率的平均变化曲线，图中可以看出边界层风廓线雷达一天中各个时段数据获取率变化差异不明显，2000m 以下高度稳定，2000m 以上高度数据获取率直线下降，最终趋于稳定。通常情况下白天的湍流运动要强于夜间，因此在较高的高度层上白天数据获取率会高于白天，有学者提出[8]这是由于冬春季节，晚间有逆温时或冷空气过境两天内，风廓线雷达探测高度会降低。而夏季夜间长有降水数据获取率又会提高，从而使得各高度层年均数据获取率的日变化较小。

图3 分时次数据获取率统计结果

图4 不同时次数据获取率为80%、90%的探测高度

图4 为风廓线雷达全年的分时段统计80%、90%数据获取率下的探测高度结果，同一数据获取率时一天24小时各个时段的探测高度有区别但相差不大，最低与最高探测高度仅有300 余米的差值，一整天探测高度的最低值在黎明时分，而最大探测高度在傍晚。80%和90%数据获取率的探测高度平均差值为400m 左右。同样以80%数据获取率为准，一天中最大探测高度在17 点至21点之间其值为3350m 左右，最低探测高度在6 点至7 点之间为2880m 左右。

3.3 不同天气条件数据获取率对比

选取4、7、10、1 月为春、夏、秋、冬的代表月份，对比有、无降水对风廓线雷达数据探测力的影响。

图5 有、无降水时各代表月综合数据获取率曲线

如图5 所示，有降水时近地面层（高度300m 以下）的风廓线数据获取率为80%左右始终低于无降水时的将近100%，从500m 处开始有降水数据获取率迅速升高至近100%但仍然较无降水时的获取率稍低，直至2000m处无降水的数据获取率开始急剧下降，而有降水的获取率一直保持至3500m 才开始下降且降速较无降水的慢，到5300m 处无降水时的数据获取率降低至不到30%，有降水时的获取率降至大于60%多。

图6 有、无降水时的探测高度

如图6，有降水时风廓线雷达的有效探测高度始终大于无降水时的高度，且冬季有、无降水的有效探测高度差值最高，这是由于冬季空气干燥气流稳定无降水的探测高度已依然很低，而有降水时的探测高度各个季节都稳定在4000m 以上，造成有、无降水的探测高度差值大。处于夏季的7 月份较其他季节月份降雨多且湍流强，因此其有效探测高度可达5300m 以上。

4 结束语

（1）一天24 小时各个时段的风廓线雷达探测高度有区别但相差不大，最低与最高探测高度仅有300 余米的差值，探测高度的最低值在黎明时分，而最大探测高度在傍晚。一天中最大探测高度在17 点至21 点之间其值为3350m 左右，最低探测高度在6 点至7 点之间为2880m左右。

（2）随月份和季节的变化风廓线雷达的数据获取率也产生了一定的变化，以月份来看：1 月、12 月数据获取率最差，6、7 月最好；以季节来看：夏季数据获取率最好，秋季、春季次之，冬季获取率最差。以数据获取率大于80%为可靠标准，该风廓线雷达最低有效探测高度在冬季为2400m 左右，最高有效探测高度在夏季为4700m 左右。

（3）有、无降水对风廓线雷达数据获取率有一定影响，除近地面层（300m 以下）外有降水数据获取率均较无降水的好，各季节有降水的雷达有效探测高度均高于无降水的高度，且有降水的雷达探测高度均高于4000m，夏季最高可达5300m 以上；有、无降水的最大有效探测高度差在冬季，差值为2000m 左右；有、无降水的平均有效探测高度差为1000m。