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  高原气象  2017, Vol. 36 Issue (5): 1315-1324  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00100
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曹杨, 陈洪滨, 王普才. 2017. 声雷达资料可靠性及近地面边界层风场特征分析[J]. 高原气象, 36(5): 1315-1324. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00100
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Cao Yang, Chen Hongbin, Wang Pucai. 2017. Analysis of the Data Reliability and Wind Field Characteristics Near Surface Boundary Layer with Doppler Sodar Observations[J]. Plateau Meteorology, 36(5): 1315-1324. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2016.00100.
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资助项目

国家重点基础研究发展计划项目(2013CB955801);国家自然科学基金项目(41275039,41575034,41375039);国家高技术研究发展计划项目(2014AA06A512)

通讯作者

陈洪滨.E-mail:chb@mail.iap.ac.cn

作者简介

曹杨(1989-), 女, 四川资中人, 博士研究生, 主要从事大气探测数据的分析应用, E-mail:caoy@mail.iap.ac.cn

文章历史

收稿日期: 2016-08-24
定稿日期: 2016-09-23
声雷达资料可靠性及近地面边界层风场特征分析
曹杨1,2, 陈洪滨1, 王普才1     
1. 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 利用2016年5月1日至6月15日在河北省邢台市皇寺气象观测站获得的多普勒声雷达风场资料和探空资料,验证声雷达资料可靠性,并在此基础上,对观测站近地面边界层风场特征进行了分析研究。结果表明,声雷达水平风场资料与探空资料的一致性较好,证明声雷达资料可靠,且声雷达资料与Graw气球探空和台站探空的一致性好于与系留气艇探测的;风场特征分析显示,皇寺站水平风和垂直风日变化特征明显,表现为显著的山谷风特征,白天吹谷风,盛行偏东风,垂直风速相对较大,对流旺盛;夜间吹山风,盛行偏西风,垂直速度较小;在垂直结构上,30~50 m盛行西风或东风,50 m以上逐渐转为偏南风或西北风,且随高度增加,大风速比例和平均风速逐渐增大,说明声雷达探测到的山谷风垂直范围为30~50 m,垂直风速主要集中在-0.1~0.1 m·s-1之间,说明大部分时间对流较弱,以0值为轴,左右比较对称,表明上升气流和下沉气流出现频率相当。
关键词: 声雷达    探空数据    边界层风场特征    山谷风    
1 引言

2016年5月1日至6月15日, 北京师范大学、北京大学、中国科学院、中国气象局等部门在河北省邢台市皇寺气象观测站联合开展了一个大型的“大气-气溶胶-云相互作用”综合实验, 研究气溶胶对我国天气和气候变化的影响。河北省邢台市地处太行山脉和华北平原交汇处, 山地、丘陵和平原呈阶梯状排列, 西部山区和山前丘陵区位于太行山东麓, 中部、东部为河北平原的一部分。皇寺气象观测站(114.37°E, 37.18°N)位于邢台市区西北20 km处, 海拔为182 m, 三面环山, 地理位置独特, 属于典型的“山口镇”, 西部向山区过渡, 东部地区地势平坦, 受山谷风影响。山谷风对大气扩散、大气环境污染有重要影响(季国良等, 1984; 邱崇践和蒲朝霞, 1991; 邓家铨等, 1989; 李炬和舒文军, 2008; 李延莉和杜静文, 2012; 吴庆梅和张胜军, 2010; 张强等, 2003), 因此有必要对该地区的风场特征进行分析。

观测实验期间的测风仪器有多普勒声雷达、边界层风廓线雷达、台站业务无线电探空、Graw公司的气球探空以及中国科学院大气物理所自主研制的系留气艇探空。声雷达自1968年问世以来, 由于能获得连续的高时空分辨率近地面边界层风场资料, 且具有体积小、质量轻, 便于携带和安装等优势, 在大气湍流、边界层物理和空气污染等方面得到了广泛应用(Anandan et al, 2008; Anderson et al, 2005; Bradley et al, 2012; Busse and Knupp, 2012; 吕乃平等, 1979, 1986; 潘桃等, 1992)。一般的气象业务无线电探空一天只能提供两次探测数据, 边界层风廓线雷达观测可以提供高时间分辨率的风场资料, 但风廓线雷达观测在200~300 m高度以下存在探测盲区, 声雷达与风廓线雷达配合使用, 可弥补风廓线雷达探测盲区的不足(涂小萍, 2014; 马建立等, 2015; 周芯玉等, 2015)。

因此, 本文利用中国科学院大气物理研究所的多普勒声雷达在观测期间获得的风场资料, 与该时段台站探空、加放的Graw探空和系留气艇观测的风场资料进行对比分析, 验证声雷达资料可靠性, 并在此基础上, 对观测站近地面边界层风场特征进行分析, 为进一步研究近地大气边界层动力与化学过程提供数据支持。

2 仪器及资料介绍

本文主要使用观测期间的声雷达风场观测数据, 由中国科学院大气物理研究所安装在皇寺站的多普勒声雷达获得。该自动化多普勒声雷达系统为德国Scintec公司生产的平面阵列雷达, 工作方式为使用一个8×8的相控阵压电式收发器, 向不同方向发射声波, 由于空气中温度的不均性造成声波反射, 通过检测回波信号中的多普勒频移获得风速。该系统能获得30~600 m高度的水平风、垂直风及后向散射, 垂直高度分辨率为10 m。观测过程中采用公司提供的APRun运行软件配置、运行和控制该声雷达系统的观测, 每15 min获得一个平均廓线, 记录文件时间标识为观测结束时间。

使用的探空资料包括三部分:国家气象观测基准站皇寺站(编号: 53798) 每日两次的探空数据(07:00(北京时, 下同)和19:00);基于本次实验需要, 每日13:00左右加放Graw公司生产的探空球获得的探空数据; 系留气艇探空根据天气条件不定时的观测数据。皇寺站探空采用GTS1型探空仪进行高空廓线观测, 地面接收站为L波段无线电信号接收天线和接收机(频率: 1675 MHz)。加密观测时采用Graw公司生产的DFM-09型探空仪, GS-E地面站信号接收系统(频率: 403.3 MHz)。系留气艇由缆绳将其拴在地面绞车上, 测量风的风杯和风向标栓挂在距气艇20 m的缆绳上, 测量高度由GPS装置确定。三种探空设备的原始数据采样频率均为1 Hz。台站和Graw探空的探测高度范围为0~30 km, 系留气艇的探测高度范围小于1.2 km, 主要用于探测大气边界层的温度、湿度和风的垂直分布。

这次观测实验期间, 从声雷达观测数据在不同高度上的获取状况(图 1)可以看出, 随着高度的增加, 观测有效数据比例逐渐降低, 30~230 m降低幅度不大, 数据获取率在90%以上; 250 m以上降低较快, 350 m左右降低到50%, 600 m时降低至10%。造成这种趋势的原因有多种, 主要是随高度增加风速较大造成环境噪音和距离衰减影响信噪比等(Anderson et al, 2005)。从2016年5月30日声雷达获得的有效水平风场数据的时间序列(图 2)可以看出, 某些高度风场数据缺失, 特别是当低层风速较大时, 产生的环境噪音影响信噪比, 风场数据缺失严重。

图 1 声雷达每层探测高度上有效数据个数与总数据个数的百分比 Figure 1 Percentage of good quality wind observations bySodar as a function of range gate
图 2 2016年5月30日声雷达水平风场时间-高度分布 彩色区为风速, 矢量为风向 Figure 2 Time-height distribution of Sodar horizontal wind profile on 30 May 2016. The colour area is wind speed, the vector is the wind direction
3 对比分析

气球探空提供大气水平风速、水平风向, 可通过与探空资料对比分析验证声雷达获得的风场资料是否可靠。

2016年5月30日声雷达与三种探空资料水平风速和风向廓线(图 3)显示, 三种探空数据开始探测时间分别07:15, 13:11和08:30, 对应的声雷达数据为结束于07:30, 13:15和08:45的15 min平均值。从图 3