风廓线雷达资料在灰霾天气分析中的应用*

漳州市气象局 黄奕丹 陈锦鹏 吴建成 杨德南

风廓线雷达资料在灰霾天气分析中的应用*

漳州市气象局 黄奕丹 陈锦鹏 吴建成 杨德南

利用上海徐家汇2014年9月～2015年2月风廓线雷达资料，分析了徐家汇上空水平风速与地面能见度的关系，结果表明，在800m～1600m高度上，水平风速小于10m/s，且持续时间长时，地面能见度下降，风速越小，能见度下降越明显；当水平风速小于5m/s时，则可能出现严重灰霾天气。结合风廓线资料，对一次灰霾天气进行分析，发现风廓线雷达探测风场具有实时性特点，能较快发现风向的变化，进而判断污染物的扩散方向和传送途径，能够对灰霾天气作出短时预报；在风廓线雷达垂直速度剖面图上，可以直观地看出某时刻400m～1600m存在上升气流，当大气的垂直上升运动明显时，会使近地面出现弱辐合区，形成小尺度局地环流，使污染物集聚，较易出现污染天气。

风廓线雷达 灰霾天气 监测分析 上海

1 概述

风廓线雷达对大气三维风场有着较强的探测能力，当大气水平均匀时，风廓线雷达利用逐次探测东、西、南、北4个倾斜波束指向与一个天顶的垂直波束指向上的各种距离库的多普勒频移速度，将同一层高度上五个波束指向的多普勒频移速度探测值合并求出某地上空的三维风场[1]。它能够在站点的正方位对风进行实时探测。由于风廓线雷达探测风场准确度高、有着实时性与连续性的特征，是目前气球探空仪所不能比拟的，对天气预报有着很大作用，并且能够提高环境监测的准确性。

王开燕等[2]利用广州南沙地区的风廓线雷达资料对2008年7月至2010年6月的灰霾日进行了分析，得出风速对灰霾天气的出现与否有着非常重要的影响。江斌等[3]将合肥地区对流层风廓线雷达获取的资料进行分析，进而更好地使用数值产品。魏文涛等[4]将塔克拉玛干地区大气监测试验站2010年4月11日沙尘天气时的风廓线雷达资料进行分析，阐明了风廓线雷达是一种能够进行有效沙尘天气探测和监测的高空大气遥感系统。陈楠等[5]将南京地区的某次降水过程的风廓线雷达数据与自动站的监测数据进行比较，发现伴随降水天气的出现，雷达数据中的速度谱宽、垂直速度和折射率结构数值都显著变大。徐桂荣等[6]利用风廓线雷达分析大气边界层温度、湿度的结构及其日变化的特点。目前对风廓线雷达的研究主要是在风廓线数据的分析和评估上，而将其应用于环境监测的较少。

上海空气污染问题日益严重，已逐渐成为城市发展的一大障碍。风对污染物的扩散具有十分重要的作用，研究上海不同探空层次的风场特征，以及风随高度的变化规律是分析上海大气污染的重要依据。利用风廓线雷达对上海上空风场特征的研究，有利于了解上海地区灰霾天气发生的一般规律，提高环境气象的预测预报准确率。

2 资料与方法

通常在大气环境监测中，人们对大气污染情况的直观反映是能见度。收集2014年6月至2015年2月上海徐家汇的地面观测资料，通过计算得到各项气象要素与能见度之间的相关性。

分析2014年9月至2015年2月风廓线雷达数据，把日平均能见度与各个高度场的日平均风速作相关计算，探究其规律。

选取上海地区一次灰霾天气过程，利用风廓线图和垂直气流图反演风场特征，应用在灰霾天气过程分析中其生消的天气成因。

3 能见度与地面要素的关系

3.1 环境污染与能见度的联系

能见度指的是水平能见度，白天能见度指的是在当时的天气条件下，视力正常的人能够从天空的背景里看到和识别出目标物的最大水平距离，夜间能见度指的是能够看到和断定出一定灯光强度的最大水平距离。它可以反映出大气环境质量，能见度的大小是描述环境污染程度的特征量。

3.2 能见度与气象要素的相关性

将2014年6月至2015年2月上海徐家汇气象要素和能见度资料计算相关系数。为了较好的分析灰霾天时气象要素和能见度的关系，把降水造成能见度降低的情况排除。从表1可以看出，风速与能见度的相关系数最大，且成正相关。

风场的时空变化规律在空气污染物扩散和传输中起着重要的作用，因此提高客观分析风场精度是十分必要的。从表1可见，风速与能见度的相关性并不是很高，这是因为地面观测所探测的风速是距离地面10m高的风速，而是否会出现污染天气与大气混合层高度有着非常重要的联系，混合层高度较高时，就更有利大气污染物垂直方向上湍流交换。因此，预测是否会出现污染天气，只有常规地面观测资料是远远不够，而风廓线雷达可以探测到距离地面100～4000m以上的风场特征，弥补了常规地面观测风向、风速的局限。

表1 2014年6月至2015年2月能见度和地面气象要素间的相关性分析

4 能见度与高空风速的关系

4.1 资料概况

灰霾天气的产生和风场特征关系密切，风廓线雷达可以对风场进行实时探测，显示各高度层水平、垂直风场的特征。上海近20年来污染排放增加明显，导致环境污染日益加重。利用2014年9月至2015年2月上海徐家汇风廓线雷达数据，分析风场的变化特征，与地面能见度的变化找出相关性。

4.2 能见度与各高度层水平风速的相关分析

将上海徐家汇2014年9月至2015年2月的日平均能见度数据与风廓线雷达所测量到的各高度层的日水平风速进行相关性计算，如图1所示，图中黑色的柱状图表示相关系数在0.05置信水平下显著, 800～1600m高度层的风速与能见度的相关性较大，且呈正相关，表明了800～1600m高度层的风速越大时，地面能见度越高。反之，当风速减小时，地面能见度也相应降低。这就说明800～1600m高度层的风速与灰霾天气的出现与否有着非常重要的联系，当风速较大时，不容易出现灰霾天气，相反则较易出现灰霾。

图1 能见度与各高度层水平风速的相关分析

筛选出2014年9月至2015年2月上海徐家汇的灰霾天气，并分别计算高度层为760～1000m、1060～1300m、1360～1600m的平均高度层风速，将出现灰霾天气时的日平均能见度分别与这三层的日平均风速进行对比分析（图2），可以看出：出现灰霾天气时，在800～1600m高度上的水平风速不会超过20m/s，大多数风速在10m/s以下，偶尔风速较大时，能见度在10km左右，出现轻度灰霾天气；当水平风速减小时，能见度随之降低，并且较小的水平风速持续时间长时，能见度越低，甚至降低至5km以下，出现严重的污染天气。表明在800～1600m的高度层上，水平风速的减小趋势和持续的时间与灰霾天气的严重程度具有密切关系，当风速较小、持续较长时，灰霾越严重。

图2 灰霾天气地面能见度与不同高度水平风速的对比分析

5 基于风廓线雷达的一次灰霾天气过程探测分析

5.1 实例概述

2015年1月10日8时起，上海发布空气重污染蓝色预警。现将10日前后的能见度进行分析。如图3所示，1月8 日14时的能见度为11km，还未达到灰霾天的标准，9日08时的能见度下降至3.7km，往后几个时刻能见度都小于5km，出现重度污染天气，直到12日08时天空状况才转好，能见度达到20km，污染过程结束。

图3 2015年1月7～12日上海能见度变化

5.2 水平风廓线资料在灰霾天气分析中的应用

将2015年1月7－12日的风廓线雷达数据绘制成风廓线图，图4所示，1月7日800～2500m风速大，1600m以上水平风速主要大于18m/s，800～1600m水平风速主要为10～16m/s，此时平均能见度达到15km。8日下午（图5），800～1600m风速开始减小，当风速小于10m/s时地面能见度开始下降，而后风速持续减小，到了9日（图6），1600m以下的风速以小于5m/s的风速为主，造成9日至10日能见度小于5km，出现严重的污染天气。图7所示，11日1600m以下的风速逐渐增大，但能见度并没有好转，因为11日下午起1600m以下东北风加大，滞留在上海东北方向海面上的污染气团顺着东风回流（圆圈位置），输送回上海，瞬间加剧了空气污染。利用风廓线雷达每五分钟能够探测一次，及时监测到整个过程风场的变化过程。因此，利用风廓线雷达来进行短时的灰霾预报具有可能性。12日凌晨800～1600m的风速逐渐加大到10m/s以上，能见度开始好转，达到10km左右，而后风速一直维持在大于10m/s（图8），12日08时能见度达到20km以上,此次灰霾天气过程结束。

从整个过程来看，灰霾天气是否出现主要是受800～1600m风速影响，当800～1600m风速较大时，能见度较好，不容易出现灰霾，当风速持续减小时，经常出现灰霾天气。风廓线雷达探测风场具有实时性，能较快发现风向变化特征，有助于灰霾天气短时预报，实际中将风廓线雷达资料应用于环境空气质量变化预测也有很好效果。

图4 2015年1月7日风廓线雷达水平风速高空剖面图

图5 2015年1月8日风廓线雷达水平风速高空剖面图

图6 2015年1月9日风廓线雷达水平风速剖面图

图7 2015年1月11日风廓线雷达水平风速剖面图

图8 2015年1月12日风廓线雷达水平风速剖面图

5.3 垂直风廓线资料在灰霾天气分析中的应用

风廓线雷达不仅能够获取高低空水平风速、风向的信息，还能获取垂直风速的数据，将2015年1月9－10日上海徐家汇垂直风速资料进行处理，制作垂直速度剖面图（图9），发现400m以下的垂直风速很小，接近于0，高度在400～1600m时，垂直风速明显增大。高度在1600m以上时，垂直风速又急剧下降。9日20时的垂直速度颜色表示明显，垂直速度为负，且在700m处达到负的最大值，表明此刻上升气流明显，大气垂直上升运动会使近地面较容易出现辐合区，形成了小尺度的局地环流，周边的污染物容易输送过来，并集聚，导致了9～10日严重的空气污染。

6 结果与讨论

（1）在排除降水对能见度的影响时，常规气象要素中的风速和能见度呈现正相关，是否出现灰霾天气与当天的风速密切相关。

（2）上海秋、冬季地面能见度的高低与800～1600m高度层的水平风速大小有着紧密的联系。当水平风速大的情况下，能见度也相应的较大，不易出现灰霾天气。反之，当水平风速小于10m/s，且持续时间较长时，能见度就会下降，风速越小时，能见度越低，当风速比持续小于5m/s时，就可能出现很严重的空气污染现象。

（3）风廓线雷达探测风场具有实时性，能很快发现风向的变化特征，进而判断污染物的输送途径和扩散方向，对开展灰霾天气短时预报有帮助。

（4）在风廓线雷达垂直速度剖面图上，可以清楚地看出某地区在某时刻是否存在明显的上升气流，当上升气流明显时，会使近地面容易出现辐合区，形成小尺度局地环流形势，易造成大气污染物的集聚，容易出现灰霾天气。

[1] 侯武威,袁安民,赵颖辉.风廓线雷达中频数字系统设计与仿真[J].计算机仿真, 2013, 30(3): 26-29.

[2] 王开燕,朱建军,张振清，等.风廓线雷达资料在灰霾预报中的应用研究[J].环境科学与技术, 2012,35(1):164-167.

[3] 江斌,张苏,肖艳娇，等.对流层风廓线雷达探测资料的统计分析与应用[J].气象与减灾,2011,23(2):115-119.

[4] 魏文寿,王敏仲,何清，等.基于风廓线雷达技术的沙尘天气监测研究[J].中国工程科学,2012,14(10):51-56.

[5] 陈楠,胡明宝,孙磊，等.一次降雨过程风廓线雷达回波特征[J].气象与环境学报,2012,28(5):19-24.

[6] 徐桂荣,崔春光,徐海富,等.宜昌冬季两次降水过程大气边界层的观测分析[J].暴雨灾害,2008,27(4):48-54.

漳州市科技局科研项目（zz2016j12）。