高邮边界层风廓线雷达数据获取率分析

李 媛，全 慧，常 兰，范 文

1.邗江区气象局，江苏扬州 225100；2.高邮市气象局，江苏高邮 225600

风廓线雷达利用多普勒效应[1]，通过向空中发射电磁波，可以连续获得高分辨率的垂直风廓线资料。风廓线雷达接收的回波主要是由于大气湍涡对电磁波的散射而造成[2]，回波信号很弱，因此，风廓线雷达对微弱信号的数据获取能力是其探测高度性能能否达标的重要指标[3]。目前，一般采用数据获取率来分析和评价风廓线雷达的探测能力。

多项研究表明，不同环境条件下的风廓线雷达数据获取率有所不同。胡明宝等[4]对风廓线雷达不同高度的数据获取率进行了分析，确定边界层风廓线雷达的探测威力为2 km，而对流层风廓线雷达的探测威力为12 km。董保举等[5]对风廓线雷达在不同天气条件下的数据探测能力进行了统计分析，表明阴雨天气的探测高度大于晴天的探测高度。杨哲等[6]对贵州省威宁县风廓线雷达数据获取率进行了分析，得出不同高度、季节、时刻、天气条件下的雷达数据获取率特征。笔者利用高邮2020年8月—2021年8月的边界层风廓线雷达资料，从数据获取率的角度对该风廓线雷达的探测性能和风场数据的可靠性进行统计与分析。

1 雷达简介及其运行情况

扬州高邮边界层风廓线雷达建于高邮市气象局内，为CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达，可以在无人值守情况下24 h不间断连续运行。高邮CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达设定6 min一个风羽图产品，24 h生成的完整数据样本数为240个（表1）。剔除由于设备维护维修导致的数据缺失异常。

表1 CLC-11-D型固定式边界层风廓线雷达参数性能

2 数据处理与分析

2.1 不同季节月份数据获取率的对比

风廓线雷达数据获取率随月份和高度的变化有一定的规律。图1给出了不同季节风廓线雷达数据获取率随高度的变化。从季节来看，冬季（12月至翌年2月）几乎在所有探测高度层上，数据获取率相对于其他月份偏低。夏季（6—8月）数据获取率最好，秋季（9—11月）和春季（3—5月）次之。冬季空气湿度相对较低、大气状态相对稳定、湍流运动不强导致风廓线雷达回波信号弱，是导致冬季数据获取率较低的主要原因。冬、春季节，晚间有逆温时或冷空气过境2 d内，风廓线雷达探测高度会降低。

图1 高邮风廓线雷达各高度每月数据获取率变化曲线图

每个月的数据获取率随高度变化的大体趋势具有一定的相似性。高邮风廓线雷达在150 m高度下数据都为缺测，近地层的地杂波一般较强，当湍流信号较弱时易被地杂波淹没，从而造成数据缺失[7-8]。在1 500 m高度，数据获取率随高度变化不明显，基本能达到100%。冬季在1 500 m高度层以上，数据获取率随高度增加而迅速减小。在高度4 000 m以上，各月数据获取率都随高度明显下降。

高邮风廓线雷达各月在70%、80%、90%不同数据获取率情况下的探测高度统计结果显示，90%数据获取率的最低探测高度在1 600 m左右，70%数据获取率最高可达6 600 m左右，3种情况下的平均探测高度在3 500～4 800 m之间。总体来看，高邮风廓线雷达最可靠的有效探测高度在150～1 600 m之间，比较可靠的有效探测高度在1 600～3 500 m之间，基本可靠的有效探测高度在3 500～4 800 m之间。若取风廓线雷达数据获取率＞80%作为可靠标准，则根据上述统计高邮边界层风廓线雷达最低有效探测高度：冬季为1 700 m左右，春季为3 400 m左右；最高有效探测高度：夏季为6 200 m左右，秋季为4 600 m左右。

2.2 不同时次数据获取率的对比

图2给出了高邮风廓线雷达日平均逐时变化曲线。从图中可以看出，不同时间段数据获取率随高度变化曲线差异并没有十分明显，1 600 m以下数据获取率基本上为100%，1 600 ～2 000 m数据获取率迅速降低，2 000～4 000 m数据获取率较为稳定，4 000 m以上数据获取率持续下降。一般情况下，白天的数据获取率要高于夜间，这主要是由于通常情况下白天的湍流运动要强于夜间。

图2 风廓线雷达数据获取率逐时统计结果

图3给出了风廓线雷达不同时次数据获取率为80%、90%的探测高度结果。结果显示，风廓线雷达同一数据获取率探测高度呈现明显的日变化特征，其中，数据获取率为90%的探测高度日变化特征更明显，最低与最高探测高度相差1 688 m。一天之中，夜间的探测高度一般低于白天，探测高度通常在午后达到最高值，这是由于湍流活动通常在午后最强。80%和90%数据获取率的探测高度平均差值为1 100 m左右。同样以80%数据获取率为准，一天中最大探测高度在12:00～16:00，其值为4 600 m左右，最低探测高度在0:00～5:00，其值为3 800 m。

图3 不同时次数据获取率为80%、90%的探测高度

2.3 不同天气条件数据获取率的对比

最后，本文研究了不同降水情况下不同高度风廓线雷达获取率。结果显示，2 000 m以下降水对风廓线雷达获取率的影响较小；2 000 m以上，当有降水时风廓线雷达的获取率会有所升高。

图4给出了有、无降水时不同季节的有效探测高度。有降水时风廓线雷达的有效探测高度始终大于无降水时的高度，同时冬季有、无降水的有效探测高度差值最大，这是由于冬季空气干燥气流稳定无降水时的探测高度依然很低。夏季空气湿度大、降水充沛且湍流活动较强，所以夏季有无降水时的有效探测高度都较高，基本上在5 400 m以上。

图4 降水时不同季节的有效探测高度

3 结论

高邮风廓线雷达数据获取率随月份和高度的变化有一定的规律。从季节来看，冬季数据获取率最偏低。夏季数据获取率最好，秋季和春季次之。雷达在1500 m高度以下的数据都为缺测；在1 500 m高度，数据获取率随高度变化不明显，基本能达到100%。冬季在1 500 m高度层以上，数据获取率随高度增加而迅速减小。在4 000 m高度以上，各月数据获取率都随高度明显下降。高邮边界层风廓线雷达最低有效探测高度在冬季：1 700 m 左右，春季为3 400 m左右，最高有效探测高度：夏季为6 200 m左右，秋季为4 600 m左右。

高邮风廓线雷达数据获取率有一定的日变化特征。不同时间段数据获取率随高度变化曲线差异并不十分明显，1 600 m以下数据获取率基本上为100%，1 600～2 000 m数据获取率迅速降低，2 000～4 000 m数据获取率较为稳定，4 000 m以上数据获取率持续下降。一天当中，夜间的探测高度一般低于白天，探测高度通常在午后达到最高值，这是由于湍流活动通常在午后最强。

降水也会对风廓线雷达的获取率产生一定的影响。2 000 m以下的降水对风廓线雷达获取率的影响较小；2 000 m以上，当有降水时风廓线雷达的获取率会有所升高。冬季有、无降水的有效探测高度差值最高。夏季有、无降水时的有效探测高度都较高，基本上在5 400 m以上。