基于Matlab 的MST 雷达三维风场数据分析与研究

李 艳，张 帅，唐晓庆

（1 武汉晴川学院计算机学院 湖北 武汉 430204）

（2 武汉第二船舶设计研究所 湖北 武汉 430205）

（3 湖北大学 湖北 武汉 430062）

0 引言

MST 雷达是用以观测中层（Mesosphere）－平流层（Stratosphere）－对流层（Troposphere）的风场矢量、大气波动和湍流的一种大气层观测专用无线电探测雷达[1-3]。利用MST 雷达所观测数据可以直接为气象业务服务，改善3 ～6 h 天气预报质量。同时，MST 雷达数据还可直接应用于国防军事部门以及航空航天领域。MST 雷达采用多波束多普勒扫描探测技术，具有无线电测距和多普勒测速功能，属于全固态全相参脉冲多普勒（PD）体制[4]。

MST 雷达工作时，首先由主控计算机控制产生高频探测脉冲信号，该信号在T/R 组件中经过移相放大后，再经过天馈系统辐射出去，在空间进行功率合成，将能量集中到天线的某一波束方向上[5]。电磁波信号遇到大气湍流后散射返回，雷达天线接收到回波信号在T/R 组件中放大、移相、合成后传输到数字中频接收机，再由数字中频接收机进行滤波、放大、正交相位检测、数据抽取，最后由信号处理机进行FFT 计算，形成湍流回波信号功率谱。此功率谱经过数据处理进行分析后即可反演出大气风场[6-7]。

1 MST雷达的测风原理

MST 雷达在测风过程中是利用大气折射指数不规则扰动及层状结构为目标物来产生回波，因此如果目标物“冻结”在背景风场中与其一起运动，则回波将有多普勒频移存在[8]。对于MST 雷达波，大气折射指数可视为不随时间而变的常数，因此多普勒频移将由目标物与天线之间的相对运动所产生[9]。从回波信号中算出多普勒频移量，再根据公式（fd是多普勒频移，λ是雷达波长）便可得出大气运动速度。

下文介绍MST 雷达在进行风场观测中的测风方法，即多普勒波束扫描法（DBS）。这是一种传统的观测方法，借雷达波束的旋转分别朝不同的方向发射及接收，对回波信号先得出其多普勒谱s(f) ，或自相关函数A( )τ，再利用下式算出平均多普勒频移量fd：

其中φ( )τ代表A( )τ的相位，fd求出后，根据目标物沿雷达波束的平均径向速度便可算出，综合不同方向雷达波束所量得的目标物径向速度，根据简单的几何原理，可得出真正的风场。令雷达波束分别朝东及朝北以天顶角θ倾斜发射及接收，若所量得的径向风速分别为ur和rv，则大气的水平风速U 将如下式：

其中需忽略垂直速度的贡献，因为垂直风速要比水平风速小约1 ～2 个数量级，而水平风向可由比较ur及rv的大小得出。利用倾斜雷达波束，测量不同方向径向速度，再推算出大气真正风向及风速的方法为多普勒波束扫描法。这种测风方法操作简单，资料处理容易，同时测得的风速精确度高，因此绝大部分的MST 雷达均采用此种方法测量风速。

2 大气三维风场的重建

MST雷达最重要的应用之一便是大气三维风场的观测。传统上对大气风场的观测系利用探空仪来进行，利用此法仅能测得大气的水平运动速度，而大气垂直速度则必须利用计算的方法才能间接得出。传统气象多普勒雷达虽然能测出降水地区内大气水平风场的空间分布，但是受到回波目标物存在的限制，仍无法测量出大气垂直运动速度。因此，目前能同时对大气三维风场进行观测的仪器只有MST雷达。

2.1 MST 雷达所测得的三维大气风场

2.1.1 水平风场的合成

MST 雷达在测风上的特点是具有垂直方向上的指向，具有晴空探测能力，能够实时探测大气的三维风场。在进行大气三维风场计算时先假设水平风是均匀的，水平风可以简单地通过几何的方法由径向速度计算出来。在本章中所用到的数据均是MST 雷达波束沿固定的倾角所得到，5波束依次扫描探测，4 个倾斜波束和1 个垂直波束，4 个倾斜的指向波束按照探测顺序分别是正东、正西、正南、正北，探测顺序为东、西、南、北、垂直，固定的倾角为16 度。

MST 雷达的径向速度用rV来表示，rV的正值表示径向速度是远离雷达，而负值表示径向速度是朝向雷达方向的。用φ表示方位角，规定水平风的来向为水平风的风向，取正北方向φ为0，则水平风向Hα可以表示为Hα=φ+π。可以将风速分解为u、v和w3 个分量，气象上常将风速分解为水平风和垂直风，水平风的大小可以表示为HV，θ为波束的天顶角。如图1 所示，根据几何关系可以推出水平风HV和u，v分量的关系为

根据几何关系可以推出径向速度Vr(θ,φ)（径向速度是距离、方位和天顶角的函数）与风速u、v和w这3 个分量的关系为

采用5 波束时，用垂直波束来测量垂直速度，4 个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态量，均为θ，则径向速度可以表示为

可以先将两个相反方向的倾斜波束的径向速度进行平均，例如西波束和东波束，北波束和南波束。用Vrz表示天顶方向的径向速度，根据式（3）可得

由此可以计算出u、v的值，再根据（1）式就可以计算出水平风速和水平风向。

2.1.2 三维风场的观测

根据水平风的合成方法，得出水平风场、水平风向以及水平风速的大小。以下是利用matlab 软件将数据进行展示，图2 是2012 年1 月3 日11 点43 分时的水平风速图，图3 是2012 年1 月3 日11 点43 分时的水平风向图，图4 是2012 年1 月3 日11 点43 分时的垂直风速图。

从图2 的水平风速的高度廓线图可以很清晰地看出水平风速随着高度的变化情况，在12 km 以下，水平风速是随着高度的增加而增加的，在12 km 以上的高空中风速值是随着高度而递减，并且在12 km 左右水平风速的值会达到一个最大值，其他时间点风速的变化情况是类似的。图3 中，4 km以下风向很凌乱，到4km 以上风向基本稳定。图4 中的垂直速度基本上都在一个很小的氛围内浮动，变化不是特别大。

以上得到的只是某一时刻的风场图，为了便于分析连续时间和空间内风速的变化情况，利用matlab 得出风矢图和风羽图，分别见图5 和图6，在风矢图和风羽图中可以看到风速随着时间和高度的变化情况。

2.1.3 MST 雷达与无线电探空仪两种测风方法的比较

MST 雷达探测能够提供时间和高度上分辨率较高的水平风廓线和垂直风廓线，并且采取低中高3 种探测模式。无线电探空仪采用气球作为示踪物，无线电探空气球是气象常规探测仪器，它的原理是根据一段时间内气球漂移的距离来计算水平风[10-11]。而MST 雷达是通过大气湍流对电磁波的反射作用，根据多普勒效应来获取不同波束方向的径向速度，在一定的风场假设条件下利用几个点的径向速度来合成水平风速，计算水平风向。

图7 是利用无线电探空仪和MST 雷达关于水平风速和水平风向的比较。由图中可明显看出，左边为风速大小的比较，右边为风向的比较，不论是MST 雷达还是探空仪所测得的水平风速和水平风向均是十分吻合的。

3 结语

MST 雷达利用大气折射指数不规则扰动及层状结构为目标物来产生回波，采用多普勒波速扫描法（DBS）进行测风，利用倾斜雷达波束，测量不同方向径向速度，再推算出大气真正风向及风速。通过MST 雷达采集到数据经过分析和处理以后可进行水平风场的合成，能够描绘出大气三维风场随时间和空间变化的风羽图和风矢图，能够提供时间和高度分辨率非常高的水平风廓线和垂直风廓线等，对于国防、航空等领域有重要应用。在后续的研究中将基于MST 雷达强大的探测能力，利用其多种探测模式并通过对大量探测数据的分析，总结中纬度地区E 层不均匀体的统计规律，进而深入开展中纬度地区电离层E 层不均匀体形成的物理机制研究。