风廓线雷达与毫米波云雷达在一次雨雪天气过程的测速对比分析

摘 要：利用L波段风廓线雷达和Ka波段毫米波云雷达，分析了福建省罗源县2022年2月16—23日一次雨雪天气过程探测到的垂直方向上的速度，结果表明：（1）风廓线雷达和毫米波云雷达所测的垂直速度能很好地体现降雨强度的变化，两者均具有零度层亮带特征，毫米波云雷达在降雨开始时有更明显的测速反应；（2）风廓线雷达和毫米波云雷达两者测得速度趋势基本一致，且具有一定的相关性，但相关性程度需要更多的实例进行论证；（3）毫米波云雷达的数据分辨率要高于风廓线雷达，观测到的降水粒子速度内部精度要比风廓线雷达高，能更细致地反映降水云体的变化情况。

关键词：风廓线雷达；毫米波云雷达；雨雪天气；测速对比

中图分类号：P458 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）05–0-03

风廓线雷达是一种新型的无球高空气象探测设备，它能够不间断地提供大气水平风场、垂直气流、大气温度、大气折射率结构常数等气象要素随高度变化的分布情况，具有时空分辨率高、连续性和实时性好的特点。毫米波是指波长在1～10 mm范围内的电磁波，所对应的频率范围在30～300 GHz。毫米波雷达发射电磁波至云和降水粒子上时，会产生以粒子为中心向四面八方的散射，其能探测到的粒子直径远远小于雷达波长的粒子直径，探测到的最小粒子可以是微米的云粒子[1]。

近年来，罗源县相继建成L波段风廓线雷达和Ka波段毫米波云雷达。两者之间的直线距离约30 m，其观测数据可以较好地反映罗源县同一时空的气象要素特点。罗源县利用L波段风廓线雷达和Ka波段毫米波云雷达对2022年2月16—23日一次雨雪天气过程测得的垂直方向上的速度进行研究，得到两部雷达垂直速度的相关性及差异性，通过分析进一步提升了风廓线雷达和毫米波云雷达的资料应用能力，为加快多源融合实况产品的应用积累经验。

1 天气实况

从2022年2月16日开始，罗源县受强冷空气影响

出现了一次雨雪天气过程，16—19日以降雨天气为主，19日夜间气温明显下降，城区、中房、西兰、飞竹、霍口、白塔、起步等中西部乡镇出现雪或雨夹雪天气，高海拔山区有积雪；20日夜间降雪范围扩大，强度增强；21日早晨，罗源国家气象观测站四周的福源山、茅山、白蒙山、笔架山等有积雪，雪线高度约300 m；21—23日转为液态降水；24日降水停止。

本次过程最低气温出现在21日早晨，罗源县气象局气温为0.9 ℃，为历年2月下旬同期最低。区域自动站最低气温为中房镇-2.9 ℃，全县6个乡镇最低气温均低于0 ℃。这是近10年来最强的一次雨雪天气过程。

2 风廓线雷达和毫米波云雷达的速度对比分析

2.1 风廓线雷达和毫米波云雷达的速度测量对比

2022年2月16日15：28起，罗源县出现较强的层状云降水。图1和图2分别是风廓线雷达和毫米波云雷达对此次降水的速度测量情况。如图1所示，15：28，罗源县开始降水且水量较小，风廓线雷达垂直速度并未发生明显变化。随着降水量增大，16：20左右，风廓线雷达出现了大于4 m/s的下沉速度。从16：20左右开始，风廓线雷达出现明显的零度层亮带，这是产生连续性降水的显著特征之一。

对比图2的毫米波云雷达径向速度，从15：28降水开始，毫米波云雷达就有明显的测速反应。从04：00左右开始，毫米波雷达就出现了零度层亮带，比风廓线雷达出现更早，反应更快。该亮带以上大部分为冰晶粒子，冰晶粒子速度几乎为0，在下落过程中，粒子速度逐渐变快。由图2可知毫米波云雷达探测到的零度层高度（约3.6 km）要高于风廓线雷达探测高度（约2.5 km）。

上述情况说明两部雷达具有良好的相似性，但由于毫米波云雷达的数据分辨率要高于风廓线雷达，观测到的降水粒子速度内部精度要比风廓线雷达高，能更细致地反映降水云体的变化情况。

2.2 风廓线雷达和毫米波云雷达测量的速度相关性

风廓线雷达的垂直采样间隔低模（150～4 110 m）为120 m，高模（4 110～7 230 m）为240 m，每6 min获得一次径向速度数据。毫米波云雷达的垂直采样间隔为30 m，每1 min获得一次径向数据。风廓线雷达垂直向下为正，毫米波云雷达垂直向下为负。

选用2022年2月21日03：30～06：12（期间降水量为1.6 mm）的风廓线雷达垂直径向速度和毫米波云雷达速度数据，进行同一时间点上所有高度上的速度总和及其平均速度的对比，分别得到图3和图4。图3是两部雷达的总速度，可以看出两者的变化趋势较为一致。

R=

根据上式，计算风廓线雷达与毫米波云雷达总速度相关系数为0.044，平均速度相关系数为0.039，表明两者之间存在正相关，但相关性不强。

风廓线雷达的总速度大于毫米波云雷达的总速度。降水时，风廓线雷达回波是由大气湍流和雨滴对雷达波共同散射造成的，反映的是空气的垂直运动和雨滴的落速[2]。毫米波云雷达采用毫米波段的电磁波作为发射波段，在具备较好的云观测能力的同时受液态降水的影响也很大，尤其是强度较高的降水雨滴粒子对毫米波段电磁波的吸收和散射会使得电磁波能量衰减[3]。因此，弱降水条件下，两部雷达测得速度较为接近。而降水粒子较大时，毫米波云雷达容易受米散射的影响，测得的速度较小，使得两者速度差异较大。

此外，毫米波云雷达在探测时受杂波的干扰，软件筛选时会被当作无效数据进行处理（这个数据原则上是不能当0来处理的），统计各高度上的总速度时只能把这个数据剔除掉（相当于当做0来处理），这样也使得毫米波云雷达的总速度变小。

2.3 风廓线雷达和毫米波云雷达不同高度速度变化趋势分析

风廓线雷达每6 min获取一组数据，毫米波云雷达每1 min获取一组数据，将2022年2月21日05：30的风廓线雷达各高度上的垂直速度，与同一时间毫米波云雷达的垂直速度进行比较，分析其变化趋势。

如图5所示，风廓线雷达与毫米波云雷达在各高度上的速度变化趋势上基本趋于一致。风廓线雷达的速度趋势相对平滑。在零度层附近时，风廓线雷达与毫米波云雷达速度达到峰值后均迅速下降。从图中可以看出，风廓线雷达探测到的零度层高度低于毫米波云雷达探测高度，这是因为毫米波云雷达的数据分辨率要高于风廓线雷达的数据分辨率，观测到的降水粒子速度内部精度要比风廓线雷达高，能更细致地反映降水云体的变化情况。而风廓线雷达测得的垂直速度数据明显大于毫米波云雷达测得的垂直速度数据，这是因为降水量较大，雨滴粒子较大，毫米波云雷达易受米散射影响，使得毫米波云雷达测得的垂直速度数据相对较小[4]。

2.4 风廓线雷达和毫米波云雷达在不同降水条件下的速度对比

分析2种雷达在降水量较大和较小情况下的速度对比，以寻找共性和差异。选用2023年3月23日15：18～17：54降水量较大时段（15：00～18：00降雨量为8.3 mm）风廓线雷达和毫米波云雷达的径向速度。150～4 110 m，风廓线雷达每层间隔120 m，4 110～10 110 m，风廓线雷达每层间隔240 m；毫米波云雷达从30 m开始，每层间隔30 m。2种雷达选取150～10 110 m同一时间同一个高度的速度总和。

图6为降水量较大和降水量较小时段（2022年2月21日03：30～06：12）的速度对比图。从图中可以看出，降水量较大时，2种雷达在各高度上的速度总和数据比降水量较小时的大。降水量较大时，两者总速度平均差值27.5 m/s，降水量较小时，两者总速度平均差值95.6 m/s。降水量较大时，两者速度差值最大为73.4 m/s，最小为1.6 m/s；降水量较小时，两者速度差值最大为123.2 m/s，最小为65.1 m/s。

通过分析可知，在降水量较小时，毫米波云雷达测得的数据多为无效数据，尤其是在有云但无降水时，径向速度数据大部分无效，数据基本不可用，使得毫米波云雷达垂直速度均小于风廓线雷达数据。而在降水量较大时，会出现毫米波雷达总速度高于风廓线雷达总速度的情况[5]。

2.5 风廓线雷达和毫米波云雷达在不同高度的速度对比

选取2022年2月21日03：30～06：12时间段内，两部雷达在990 m、2 070 m、3 030 m、3 630 m、3 990 m 和4 350 m高度上的速度进行对比分析，发现两部雷达测得的速度总体趋势一致，风廓线雷达速度稍大于云雷达速度，而云雷达风速变化则较大。在4 350 m处，云雷达速度明显低于风廓线雷达速度，可能是由于风廓线雷达位于其亮带之上，受湍流影响，速度增大，而云雷达则位于亮带附近，速度较低。

计算上述6个高度风廓线雷达和云雷达速度的相关系数，分别为r990=0.49，r2 070=0.29，r3 030=0.28，r3 630=0.28，r3 990=-0.04，r4 350=0.26，可以看出：亮带位置处，冰粒子的影响造成两部雷达的相关系数最低；亮带以下，相关系数随着高度的增加而降低，这是由于冰粒子融化成雨滴，雨滴较大，云雷达受到米散射影响；亮带以上，有湍流影响，相关系数也较低。

3 结论

（1）风廓线雷达和毫米波云雷达所测的垂直速度能较好地体现降雨强度的变化情况，两者均具有零度层亮带特征，毫米波云雷达在降雨开始时有更明显的测速反应。

（2）风廓线雷达和毫米波云雷达两者测得速度趋势基本一致，且具有一定的相关性，但相关性程度需要更多的实例进行论证。

（3）毫米波云雷达的数据分辨率要高于风廓线雷达，观测到的降水粒子速度内部精度要比风廓线雷达高，能更细致地反映降水云体的变化情况。

在实际应用中，毫米波云雷达数据很多为无效值，尤其是在降水量较小的情况下，相反，风廓线雷达数据在降水量较大的情况下容易缺测，导致部分数据不可用，影响两者数据的对比分析。因此，在研究中需要对更多的实例进行分析论证，以期得出客观的结论。

参考文献

[1] 黄书荣，吴蕾，马舒庆，等.结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究[J].气象学报，2017，75 （5）：823-834.

[2] 钟正宇，马舒庆，杨玲，等.结合风廓线雷达的毫米波衰减特性初步研究[J].应用气象学报，2018，29（4）：496-504.

[3] 张婷，任明武.一种毫米波雷达和图像特征级融合的目标检测方法[J].计算机与数字工程，2023，51（11）：2563-2567.

[4] 梁宸，詹鸿宇，刘箩石.风廓线雷达资料在强降水过程中的特征及应用[J].科技创新与应用，2023，13（31）：110-113.

[5] 高宇星，王瑞英，杜萌萌，等.西安一次突发性短时暴雨环境条件及成因分析[J].陕西气象，2023（6）：26-32.

作者简介：陈言照（1973—），男，福建罗源人，工程师，主要从事气象综合业务与研究工作。