邊界層和對(duì)流層專用廓線技術(shù)(易)1

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1、第22章邊界層和對(duì)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(shí)間和空間分辨率上獲取數(shù)據(jù)，以滿足分析、預(yù)報(bào)、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(gè)主要部分：遙感技術(shù)和直接測(cè)量技術(shù)。其中一些技術(shù)可用于整個(gè)對(duì)流層的測(cè)量，一些技術(shù)用于低對(duì)流層的測(cè)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(cè)量相反，遙感測(cè)量?jī)x器和被測(cè)變量在空間上距離是分離的。在大氣應(yīng)用上，該項(xiàng)技術(shù)可以分為被動(dòng)遙感和主動(dòng)遙感技術(shù)。被動(dòng)遙感技術(shù)利用大氣中自然產(chǎn)生的輻射（微波輻射計(jì)

2、）。主動(dòng)系統(tǒng)（聲雷達(dá)，風(fēng)廓線儀，RASS和激光探測(cè)雷達(dá)）的特點(diǎn)是在人工發(fā)射進(jìn)入大氣的特殊輻射。地面廓線技術(shù)在22.2節(jié)中進(jìn)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(jìn)行討論。22.3簡(jiǎn)闡述了將儀器設(shè)置于不同平臺(tái)上，直接獲取邊界層測(cè)量結(jié)果的直接測(cè)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(jìn)行廓線測(cè)量的技術(shù)。關(guān)于廓線技術(shù)的文獻(xiàn)是很豐富的。一般性的討論和評(píng)述見Derr(1972)，WMO(1980)，Martner等(1993)和對(duì)流層廓線的第二屆

3、國(guó)際研討會(huì)中的報(bào)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(duì)聲波進(jìn)行散射的原理而工作。根據(jù)聲散射的理論，一個(gè)聲脈沖射入大氣會(huì)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(qiáng)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(zhǎng)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。有關(guān)聲音探測(cè)方面的可利用的參考文獻(xiàn)包括，Brown和Hall(1

4、978)，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(diǎn)聲雷達(dá)和多普勒單點(diǎn)聲雷達(dá)兩種類型。單點(diǎn)聲雷達(dá)由一個(gè)垂直指向脈沖的聲源和一個(gè)配置好的接收機(jī)組成。每個(gè)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(jī)。接收機(jī)測(cè)量返回聲波的強(qiáng)度。在常規(guī)雷達(dá)中，從發(fā)射到接收回波的時(shí)間延遲即反映了目標(biāo)物的距離。在雙點(diǎn)聲雷達(dá)中，接收機(jī)被置于距離聲源一定距離以外接收速度起伏產(chǎn)生的回波的信號(hào)。402單點(diǎn)聲多普勒雷達(dá)既測(cè)量回波信號(hào)強(qiáng)度，也對(duì)發(fā)射和

5、接收信號(hào)進(jìn)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(dòng)而產(chǎn)生的，由此可測(cè)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(gè)垂直方向和兩個(gè)偏離垂直方向有一定傾斜的方向，從而在三個(gè)方向上確定出風(fēng)速分量，從這些分量中就可以計(jì)算出垂直風(fēng)和水平風(fēng)。在時(shí)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(cè)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(cè)到600m的高度甚至更高，高度分辨率可達(dá)幾十米。一個(gè)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.

6、2s脈沖重復(fù)周期2—5s波束寬度15°發(fā)射功率100w單點(diǎn)聲雷達(dá)通常能生成后向散射回波信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)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(cè)逆溫層高度，通過邊界層穩(wěn)定度變化來監(jiān)測(cè)混合層的厚度，以及監(jiān)測(cè)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(shí)，以及來自現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和有關(guān)全面天氣狀況的有價(jià)值的附加信息資料。多普勒單點(diǎn)聲雷達(dá)系統(tǒng)在測(cè)風(fēng)的同時(shí)，也提供了強(qiáng)度信息。這種系統(tǒng)低成本、高效地進(jìn)行邊界層測(cè)風(fēng)。尤其適合于逆溫層的連續(xù)監(jiān)測(cè)以及對(duì)存在潛在污染問題的工業(yè)區(qū)附近風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。聲雷達(dá)系統(tǒng)的主要局限性除有

7、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(yùn)輸或降水和強(qiáng)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(huì)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(huì)隨著時(shí)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)廓線儀是為在所有天氣條件下測(cè)量風(fēng)廓線而設(shè)計(jì)的高頻和甚高頻多普勒雷達(dá)。雷達(dá)觀測(cè)二分之一雷達(dá)波長(zhǎng)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(hào)（Brag

8、g條件）。湍流渦旋隨平均風(fēng)速移動(dòng)，通過測(cè)量湍流移動(dòng)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(gè)甚至更多的方向上測(cè)量空氣的徑向速度，垂直方向，正