第22章邊界層和對流層專用廓線技術(shù)(易)1

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1、第22章邊界層和對流層的專用廓線技術(shù)22.1概述專用廓線技術(shù)已被開發(fā)用于在高時間和空間分辨率上獲取數(shù)據(jù)，以滿足分析、預(yù)報、小尺度氣象研究、以及多種特殊應(yīng)用的要求。本章介紹了目前應(yīng)用于上述目的的地面系統(tǒng)的概況。本章分為兩個主要部分：遙感技術(shù)和直接測量技術(shù)。其中一些技術(shù)可用于整個對流層的測量，一些技術(shù)用于低對流層的測量，尤其是行星邊界層。遙感技術(shù)基于電磁或聲音的能量和大氣的相互作用。和直接測量相反，遙感測量儀器和被測變量在空間上距離是分離的。在大氣應(yīng)用上，該項技術(shù)可以分為被動遙感和主動遙感技術(shù)。被動遙感技術(shù)利用大氣中自然

2、產(chǎn)生的輻射（微波輻射計）。主動系統(tǒng)（聲雷達(dá)，風(fēng)廓線儀，RASS和激光探測雷達(dá)）的特點是在人工發(fā)射進入大氣的特殊輻射。地面廓線技術(shù)在22.2節(jié)中進行闡述。與此相關(guān)的其它遙感技術(shù)在第一編的第8章和第9章進行討論。22.3簡闡述了將儀器設(shè)置于不同平臺上，直接獲取邊界層測量結(jié)果的直接測量技術(shù)（氣球，邊界層無線電探空儀，安裝儀器的塔和桿，裝載儀器的系留氣球）。第一編的第12章和第13章講述了更為廣泛應(yīng)用的利用氣球進行廓線測量的技術(shù)。關(guān)于廓線技術(shù)的文獻是很豐富的。一般性的討論和評述見Derr(1972)，WMO(1980)，Ma

3、rtner等(1993)和對流層廓線的第二屆國際研討會中的報告。22.2地基遙感技術(shù)22.2.1聲雷達(dá)（聲達(dá)）聲雷達(dá)（Sodars）基于大氣對聲波進行散射的原理而工作。根據(jù)聲散射的理論，一個聲脈沖射入大氣會被由于小尺度湍流溫度及速度起伏引起的折射率變化造成散射，而這種湍流溫度及速度的起伏在空氣中自然存在，特別伴隨出現(xiàn)在逆溫層的強溫度和濕度梯度中。在后向散射情況下（180°），只有尺度相當(dāng)于二分之一發(fā)射聲波波長尺度的溫度起伏才能決定返回的回波。然而，在別的方向上，除無散射的90度角之外，回波是由溫度和速度起伏共同導(dǎo)致的

4、。有關(guān)聲音探測方面的可利用的參考文獻包括，Brown和Hall(1978)，Neff和Coulter(1986)，Gaynor等(1990)和Singal(1990)。一些不同類型的聲雷達(dá)已經(jīng)被開發(fā)出來，但在業(yè)務(wù)中廣泛使用的是單點聲雷達(dá)和多普勒單點聲雷達(dá)兩種類型。單點聲雷達(dá)由一個垂直指向脈沖的聲源和一個配置好的接收機組成。每個聲脈沖中有小部分脈沖通過空氣中自然產(chǎn)生的溫度起伏散射返回接收機。接收機測量返回聲波的強度。在常規(guī)雷達(dá)中，從發(fā)射到接收回波的時間延遲即反映了目標(biāo)物的距離。在雙點聲雷達(dá)中，接收機被置于距離聲源一定距

5、離以外接收速度起伏產(chǎn)生的回波的信號。402單點聲多普勒雷達(dá)既測量回波信號強度，也對發(fā)射和接收信號進行頻譜分析，以確定發(fā)射聲波和后向散射聲波的多普勒頻移。多普勒頻移是因溫度起伏隨空氣移動而產(chǎn)生的，由此可測量空氣徑向風(fēng)速。多普勒聲雷達(dá)使用三種典型波束：一個垂直方向和兩個偏離垂直方向有一定傾斜的方向，從而在三個方向上確定出風(fēng)速分量，從這些分量中就可以計算出垂直風(fēng)和水平風(fēng)。在時間-高度圖中，風(fēng)矢量按照30-50m的高度間隔顯示出來。聲雷達(dá)最大探測高度取決于系統(tǒng)參數(shù)，但隨著大氣條件而改變。電子系統(tǒng)通常能夠探測到600m的高度甚

6、至更高，高度分辨率可達(dá)幾十米。一個聲雷達(dá)應(yīng)該包括以下參數(shù)：參數(shù)特征值脈沖頻率1500Hz脈沖寬度0.05—0.2s脈沖重復(fù)周期2—5s波束寬度15°發(fā)射功率100w單點聲雷達(dá)通常能生成后向散射回波信號強度的時間-高度圖。圖中包含大量邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)資料。大體上能夠用來監(jiān)測逆溫層高度，通過邊界層穩(wěn)定度變化來監(jiān)測混合層的厚度，以及監(jiān)測霧的濃度。然而，要正確解釋這類曲線圖則需要相當(dāng)多的技巧和背景知識，以及來自現(xiàn)場測量和有關(guān)全面天氣狀況的有價值的附加信息資料。多普勒單點聲雷達(dá)系統(tǒng)在測風(fēng)的同時，也提供了強度信息。這種系統(tǒng)低

7、成本、高效地進行邊界層測風(fēng)。尤其適合于逆溫層的連續(xù)監(jiān)測以及對存在潛在污染問題的工業(yè)區(qū)附近風(fēng)場進行連續(xù)監(jiān)測。聲雷達(dá)系統(tǒng)的主要局限性除有限的覆蓋高度外，是干擾噪聲影響它們的靈敏度，干擾噪聲可能產(chǎn)生于交通運輸或降水和強風(fēng)。這一局限性使它不能在全天氣系統(tǒng)中工作。此外聲雷達(dá)產(chǎn)生的聲音和音量會給鄰近地區(qū)帶來煩惱，這也妨礙了它在其它一些適當(dāng)環(huán)境中的使用。一些系統(tǒng)采用有吸聲作用的泡沫材料，以減少外部噪聲源的影響，也減少給人們帶來的煩惱。這種泡沫材料的物理特性會隨著時間老化，必須定期更換以避免儀器性能降低。22.2.2風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)廓線

8、儀是為在所有天氣條件下測量風(fēng)廓線而設(shè)計的高頻和甚高頻多普勒雷達(dá)。雷達(dá)觀測二分之一雷達(dá)波長尺度的湍流渦旋造成的大氣折射率不均勻體產(chǎn)生的后向散射信號（Bragg條件）。湍流渦旋隨平均風(fēng)速移動，通過測量湍流移動速度，可直接獲取平均風(fēng)矢量。與常規(guī)天氣雷達(dá)不同，它們能夠在晴空條件下工作。典型的風(fēng)廓線儀在三個甚至更多的方向上測量空氣的徑向速度，垂直方向，正