风廓线雷达资料的处理和应用
民用机场风廓线雷达系统技术规范
管理程序中国民用航空局空管行业管理办公室编号：AP-117-TM-2013-01下发日期：2013年8月6日民用机场风温廓线雷达系统技术规范目录第一章总则 (2)第二章系统构成及功能 (2)第一节一般规定 (2)第二节产品输出功能 (4)第三章系统性能 (6)第一节整体性能 (6)第二节各子系统性能 (7)第四章环境适应性 (12)附录一信号功率的谱矩及信噪比计算方法 (14)附录二风速、风向及Cn2计算方法 (15)附录三风温廓线雷达数据格式 (16)民用机场风温廓线雷达系统技术规范第一章总则第一条为规范民用机场风温廓线雷达系统（以下简称风温廓线雷达）的建设和运行，根据《中国民用航空气象工作规则》，制订本规范。
第二条本规范适用于中华人民共和国境内民用机场和军民合用机场民用部分（以下称民用机场）的风温廓线雷达系统的建设和运行。
第三条民用机场风温廓线雷达系统的构成、功能、性能和环境适应性等技术要求应当符合本规范。
第四条风温廓线雷达按照安装方式不同分为固定式和可移式两种。
可移式主要有车载可移式和方舱可移式两种。
第二章系统构成及功能第一节一般规定第五条风温廓线雷达主要由天线分系统、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、标定分系统、通讯分系统、数据处理及应用终端、配电分系统、RASS（Radio-Acoustic Sounding System，无线电-声探测系统）分系统构成。
第六条风温廓线雷达采用全相参脉冲多普勒体制。
第七条风温廓线雷达采用相控阵技术、全固态发射技术、数字接收机技术、脉冲压缩技术等。
第八条风温廓线雷达具有探测大气虚温的功能。
第九条风温廓线雷达应当具有实时采集功率谱数据，对功率谱数据进行信噪比计算、噪声电平计算、干扰信号剔除、杂波剔除、信号提取、谱矩估计、数据质量控制功能。
第十条风温廓线雷达应当具有生成风速、风向、垂直气流、Cn2（Refractive Index Structure Constant，大气折射率结构常数）、谱宽、信噪比等数据产品的功能。
风廓线雷达资料在一次强降水天气过程中的分析应用
风廓线雷达是一种单点遥感探测设备 ， 通常采用相控阵天线发射 ３ 个或 ５ 个固定指 向的电磁波束 ， 以湍涡为 目标探测测站上空大气的湍流状况， 可直接获得水平风场 、 垂直气流等参数 的时高分布。优点是可连续探测 ， 资 料的分辨率高、 相关性好 ． ５ Ｊ ， 缺点是在探测范围方 面不如多普勒天气雷达的探测范 围广。多普勒天气雷达可 监测几百公里范围内的降水 目标＿ ６ ＿ ８ Ｊ 。风廓线雷达的探测范围虽然小 ， 但只要天气系统从测站经过就能有效探
３ ０ 时的短时强降水 ， 降雨量高达 ４ ． ７ ａ ｒ ｍ。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ ． １ ０ ． １ １
第１ 期
李妙英等 ： 风廓线雷达资料在一次强降水天气过程 中的分析应用
２ ７
联系在一起 。结合多普勒天气雷达的观测结果 ， 当雷暴经过风廓线雷达站时已逐渐减弱 ， 属 于消散雷暴。９ ： ５ ６ 时前随着低空急流的发展 ， 暖湿气流不断向上输送 ， 体现为气流的整体上升。随着雷暴的移动 ， 阵风锋约在 １ ０ ： １ ９ 时经过风廓线雷达测站（ 即水平风场 中的切变线 ） 。当阵风锋经过时， 切 断低空暖湿气流的向上供应 ， 雷暴 内
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４ ２ 。 Ｎ， １ Ｉ ３ 。 Ｅ～１ ２ ０ 。 Ｅ有 一 条 “ 舌” 状 的雷 暴 区 ， 雷暴 区 的边 缘
由西北 一 东南走向的锢 囚锋 、 东西 向的暖锋和东北 一西南走 向
的冷锋组 成 一个锋 面气 旋 。从 ０ ８时 ８ ５ ０ ｈ Ｐ ａ的高 空 图可 知 ， 南
风廓线雷达数据处理过程及产品质量控制介绍
第３期㊀气象水文海洋仪器㊀㊀N o ．３２０１８年９月㊀M e t e o r o l o g i c a l ,H y d r o l o gi c a l a n d M a r i n e I n s t r u m e n t s ㊀㊀S e p．２０１８收稿日期:２０１７Ｇ１２Ｇ１１．作者简介:杜言霞(１９８３),男,硕士,工程师．主要从事大气探测技术保障工作．风廓线雷达数据处理过程及产品质量控制介绍杜言霞,陈州川,吴勇凯,温继昌(泉州市气象局,泉州３６２０００)摘㊀要:文章介绍了雷达信号处理步骤㊁数据处理过程以及产品质量控制的方法,利用福建风廓线雷达的观测数据进一步做了验证,与自动气象站实际观测数据相对比,结果表明:经过去除地物杂波处理后的产品质量得到了有效改善,从而提高了风廓线雷达产品的准确性和可靠性,为二次产品的开发打下良好的数据质控基础.关键词:风廓线雷达;地物杂波;数据处理;质量控制中图分类号:P [４１５．２]㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１００６Ｇ００９X (２０１８)０３Ｇ０００４Ｇ０５I n t r o d u c t i o n f o rw i n d p r o f i l e r r a d a r d a t a p r o c e s s i n ga n d p r o d u c t q u a l i t y co n t r o l D uY a n x i a ,C h e nZ h o u c h u a n ,W uY o n g k a i ,W e n J i c h a n g(Q u a n z h o uM e t e o r o l o gi c a lB u r e a u ,Q u a n z h o u ３６２０００)A b s t r a c t :T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e r a d a r s i g n a l p r o c e s s i n g s t e p s ,d a t a p r o c e s s i n g a n d p r o d u c t q u a l i t yc o n t r o lm e t h od s ．Af u r t he r v a l i d a t i o nw a sm a d e b y u s i n gt h e o b s e r v e d d a t a f r o m w i n d p r o f i l e r r a d a r i n F u j i a n ．C o m pa r e dw i t h t h e a c t u a l ob s e r v a t i o nd a t ao f a u t o m a t i cw e a t h e r s t a t i o n ,t h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e p r o d uc t q u a l i t y h a s b e e ne f f e c t i v e l y i m p r o v ed a f te r t h e r e m o v a l ofg r o u n d c l u t t e r ,whi c h i m p r o v e d t h ea c c u r a c y a n dr e l i a b i l i t y o f w i n d p r o f i l e rr a d a r p r o d u c t sa n dl a i da g o o d d a t a q u a l i t y co n t r o l f o u n d a t i o n f o r t h e s e c o n d a r yp r o d u c t d e v e l o pm e n t ．K e y wo r d s :w i n d p r o f i l e r r a d a r ;g r o u n d c l u t t e r ;d a t a p r o c e s s i n g ;q u a l i t y c o n t r o l ０㊀引㊀言风廓线雷达是以大气湍流作为探测目标,在近地层,其微弱的回波信号很容易受到地物杂波干扰,由于湍流回波本身很弱,常被淹没在较强的地物杂波之中,导致回波信号功率谱难以提取,同时在峰值检测上,强地物杂波往往造成气象目标的误判,从而影响风场反演产品的准确度.因此,在实际业务中需要对雷达数据进行合理的质量控制.１㊀信号处理步骤风廓线雷达接收的回波信号包括大气湍流的后向散射回波㊁系统噪声回波及地物等影响的杂波.在频域中,湍流回波功率谱表现为在均匀噪声谱之上的气象信号谱峰,以及地物杂波谱峰.地物杂波是由于雷达附近的静止目标对天线旁瓣的散射造成的,在频域上位于零频附近,谱宽比湍流信号谱较窄,湍流回波和地物杂波信号的功率谱特征在整个频域范围内都呈近似高斯分布谱,第３期杜言霞,等:风廓线雷达数据处理过程及产品质量控制介绍系统噪声功率频谱呈均匀分布[１].雷达脉冲产生的多普勒频移量也相对较小,微弱的气象信号容易淹没在杂波之中,要将有用的回波信号从繁多的杂波中识别㊁分离出来,就需要采用合理的信号处理和数据处理方案.为了能在弱信噪比条件下具备良好的信号捕获能力,风廓线雷达需要对接收到的回波信号进行时域平均㊁谱变换㊁频域平均等步骤的信号处理,处理过程如图１所示.图１㊀风廓线雷达的信号处理过程相干积累也称作时域平均,是一个循环延时累加的过程,同时也是一个对信号时域平均滤波的过程.在加法器中,１次输入的信号与经历延迟电路延迟的后续输入信号相加,得到的信号与通过延迟电路后续的新信号再相加,连续进行M 次循环累加,最终得到输出信号.因为输入的气象回波信号是相干的,而噪声信号特征是非相干性,经过M次积分后,信号电压幅度提高了M 倍,噪声电压幅度提高M,信号与噪声的功率比得到了M倍的改善,使得气象信号得以显露,增强了风廓线雷达微弱信号的提取能力.继相干积累后,为了从信号的时间序列中提取功率谱矩参数信息,需要对时域信号进行谱变换处理,得到频域信号.通过快速傅里叶变换(F F T)方法对数据采取频域变换,具体方法采用帕赛法尔(P a r s e v a l)等式:ʏɕ－ɕ[s(t)]２d t＝ʏɕ－ɕ[F(f)]２d f(１)s(f)＝F(f)２(２)其中F(f)为时域信号s(t)经傅里叶变换后的频谱函数,s(f)为功率谱密度函数,体现了信号能量在频率谱上的分布状况.通过F F T处理得到的功率谱密度函数可以直观地获取回波功率及噪声电平等谱矩参量.气象信号是独立的,具有较强的起伏特性,为了使其平稳,减小脉动性,需要对若干次F F T后得到的功率谱密度数据进行平均,这个过程称为谱平均.平均N个信号功率谱数据,信号噪声比将会提高N倍.对N次功率谱密度求取均值后,采取归一化处理,获取功率谱密度数据以及功率谱矩参数.单个距离库的功率谱密度函数如图２所示,与点目标的回波信号有所不同,气象回波信号功率谱大体呈现高斯分布的离散谱函数,具有一定的谱宽分布.在得到稳定的功率谱密度函数后,可进行各谱矩参数以及信噪比的计算.图２中标出的是各谱矩参数的含义,P r为回波信号功率, f d为平均多普勒频移,W f为多普勒谱宽.图２㊀谱矩参数含义２㊀数据处理过程及质量控制介绍按照信号处理的步骤,回波信号经过相干积累㊁F F T㊁谱平均之后,接下来就是功率谱矩参量估计.在实际工程中,需要对功率谱数据进一步处理得到高精度㊁高可信度的径向速度㊁谱宽㊁信噪比等.具体的数据处理质控算法流程如图３所示.图３㊀风廓线雷达数据处理流程２．１㊀滤波平滑风廓线雷达的探测目标为大气湍流,回波信号十分微弱,晴空条件下的S N R比较低,信号容易受到部分窄而强的噪声干扰,不利于信号谱峰识别.采用谱滤波平滑后,会部分消除干扰信号和噪声的影响,更有利于气象信号的识别和提取.E b e r h a r d(１９８７)指出当信噪比较低的时候,通过谱滤波平滑可以获得更准确的信号谱峰.５气象水文海洋仪器S e p．２０１８滑动平均的方法,具体是将１个距离库下的功率谱密度数值的每１点记为x [１]~x [m ],滤波过后的数据为X [１]~X [m ],选取滑动平均窗口为N ,m 为谱变换数,采用如下公式进行滤波.x [i ]＝(x [i ]＋x [i ＋１]＋ x [N ＋i －１])N,i ＝１, ,m(３)㊀㊀图４(上)为滤波前的谱数据,存在脉冲干扰和椒盐噪声的影响,且在一些距离库上,噪声信号功率明显强于有用信号功率,会导致信号谱峰识别和谱矩估计误差.图４(下)是采用了窗口大小为５的滑动平均后的结果,脉冲干扰信号明显得到抑制,且功率谱形状得到明显改善,有用信号识别能力得到增强.图４㊀滤波前后功率谱图２．２㊀估计平均噪声电平在后续的风廓线雷达功率谱矩估计中,首先将大气湍流信号谱从信号与噪声的混合谱中分离出来,否则会造成谱矩估计的较大偏差(G o s s a r da n dS t r a u c h ,１９８３),从而影响到谱宽㊁信噪比㊁C ２n 等参数计算的准确性[２].因此,需要对噪声电平准确估计.目前国内外主要有以下几种方法来求取噪声电平:１)噪声客观分析法此方法利用高斯白噪声谱的统计特性,应用谱序列的方差是其期望的平方,来计算噪声电平[３].算法复杂度较高,但在国内外风廓线雷达中得到广泛应用.２)分段法根据系统噪声服从自由度为２N s p/k 的中心χ２分布的特点将频谱分为k 段,对每一段数据取平均,得到k 个平均值,取最小平均值作为整个谱的平均噪声功率.文章使用了该方法且选取最佳分段数k ＝１６(经验值)[４].该方法比噪声客观分析法易于实现,能够更合理地用于工程实现中.２．３㊀地物杂波的抑制地物杂波的形成是由于地物目标或天线旁瓣反射造成的,理想中的地物杂波目标是静止的,其回波谱特点是峰值在多普勒零频,并具有较强的回波强度.在现实情况中,地杂波信号可能会随风发生移动或者源自其他移动的物体,存在多普勒运动并且零频附近有一定的杂波谱宽分布.B a r t h 等人[５](１９９４)研究发现,晴空条件下,地物杂波信号一般位于零频附近５根谱线内,较强的地物杂波的谱表现为零频附近的７~１１根谱线内.风廓线雷达数据处理过程中重要的一个环节是地物杂波的识别和去除,能否有效抑制地物杂波直接关系到风谱信息的精确提取.一般采用风廓线雷达固定窗地杂波抑制算法去除,通过选取以零频对称的N 个点,在其端点做平均或连线处理.该方法的基本思想是选取以零频为中心两边共N 个点,将这N 个点的第１个点和最后１个点的平均值来代替这N 个点的值.图５(上)为处理前的某高度距离库上功率谱图,其地物杂波明显且功率强,大气信号明显遭到抑制;图５(下)为经过１１点连线法处理过后的同时刻功率谱密度数据,可见地物杂波得到很好的抑制,而大气湍流信号明显显现.数据采自福建德化风廓线雷达２０１６Ｇ０３Ｇ０４T １０:０５.图５㊀地杂波抑制前后功率谱图２．４㊀谱矩估计经过信号处理㊁数据处理及功率谱密度数据６第３期杜言霞,等:风廓线雷达数据处理过程及产品质量控制介绍质量控制以后,接下来是计算信号谱的谱矩.谱矩估计是计算各个距离库的信号谱密度数据的零阶矩(M０)㊁一阶原点矩(M１)和二阶中心矩(M２),分别对应回波功率㊁径向速度以及速度谱宽,计算公式如下,推算关系如图６所示.M０＝ðK i＝１P i,(４)M１＝ðK i＝１v i P i,(５) M２＝ðK i＝１P i v２i,ω＝２M０－M１M０æèçöø÷２(６)图６㊀基数据和谱矩参数推算关系功率谱密度函数估算的信噪比S N R(s)的计算公式:S N R(s)＝１０l o gðh i＝１P i P N(７)其中P i为第i点功率谱密度,求和范围是信号谱宽所占的频率范围;P N为分段法计算的平均噪声功率.风廓线雷达的返回信号是在频域的功率谱密度中得到,信号的功率谱和噪声功率谱之比,记为S N R.当S N R大于１时认为信号能从功率谱密度中识别出来.信号的真实大气信噪比还需经过信号处理得到订正及信号谱宽的谱线修正,计算公式如下:S N R＝S N R(s)－１０l o g M－１０l o g F＋１０l o g B－５l o g N(８)其中,M是相干积累次数;N是谱平均数;F是谱变换次数;B是信号谱宽的谱线数.２．５㊀一致性平均一致性平均方法作为风廓线雷达数据处理的经典处理方法,它可有效去除和周边距离库数据存在较大差值的数据,得出合理的平均数值.算法中需要确定和设置３个参量分别为[６]:一致性窗口门限㊁一致性窗口范围以及平均时间.对于每个垂直高度层,根据平均时间,获取平均时间内的N个样本数据,对其进行一致性检验:将这N个数中的每一个数与其N－１个数进行比较,设定１个一致性窗口门限值,若参与比较的样本数据差值在窗口门限值内,则将该数值放在对应的样本集合中.接着比较这些数据集合所包含的数据的数目,将其中最大数目的集合拿出来做一致性平均.若样本内的数目个数少于一致性窗口门限值,则需剔除数据.一致性平均值作为此高度库上的平均值.２．６㊀水平风的合成在经过以上处理之后,得到５个波束径向速度可信值,即可将其用于水平风的合成.计算原理参考相关文献[７].图７为２０１６Ｇ０３Ｇ０４福建德化自动站地面１０m i n水平风速的观测数据,图８为福建德化风廓线雷达２０１６Ｇ０３Ｇ０４T１２:００~１６:００未进行地物杂波去除处理得到的风羽图,由图可见２k m以下的风速仅约为４m/s,５００m以下的风速多在２m/s以下,与近地面实测风速相比,风速偏小.图９为经过地物杂波去除处理得到的风羽图,与图８相比可见,地物杂波抑制效果较为理想,风速大小更接近地面实际观测数据.图７㊀地面１０m i n水平风速７气象水文海洋仪器S e p．２０１８图８㊀未经过地物杂波去除处理得到的风羽图图９㊀经过地物杂波去除处理得到的风羽图３㊀结束语文章在分析风廓线雷达回波信号和地物杂波特征的基础上,详细介绍了雷达信号处理步骤㊁数据处理过程以及产品质量控制的方法,最后利用福建德化风廓线雷达的观测数据进一步做了验证,与自动站实际观测数据相对比,结果表明:经过地物杂波去除处理后的产品质量得到了有效改善,从而提高了风廓线雷达产品的准确性和可靠性,为二次产品的开发打下良好的数据质控基础.参考文献:[１]王莎,阮征,葛润生．风廓线雷达探测大气返回信号谱的仿真模拟[J ]．应用气象学报,２０１２,２３(０１):２１Ｇ２２．[２]B R OWN I N G K A．R a d a ro b s e r v a t i o n so fc l e a ra i ra n d c l o u d s [J ]．Q u a r t e r l y J o u r n a l o f t h eR o y a lM e t e Ｇo r o l o g i c a l S o c i e t y ,２０１０,１１０(４６３):２８３Ｇ２８４．[３]朱斌,高仲辉．风廓线雷达探测系统中的谱数据处理[J ]．现代雷达,２００３,２５(１１):２１Ｇ２３,２７．[４]邓闯,阮征,魏鸣,等．风廓线雷达测风精度评估[J ]．应用气象学报,２０１２,２３(０５):５２３Ｇ５３３．[５]B A R T H M F ,C HA DW I C K RB ,K AM PD W V D．D a t a p r o c e s s i n g a l g o r i t h m su s e db y N O A As w i n d pr o f i l e rd e m o n s t r a t i o n n e t w o r k [J ]．A n n a l e s G e o Ｇp h ys i c a e ,１９９４,１２(６):５１８Ｇ５２８．[６]胡明宝,郑国光,肖文建．风廓线雷达数据获取率的统计分析[J ]．现代雷达,２００８,３０(１０):１４Ｇ１６．[７]胡明宝．风廓线雷达数据处理与应用研究[D ]．南京:南京信息工程大学,２０１２．８。
CFL-03型边界层风廓线雷达的原理及其应用
CFL-03型边界层风廓线雷达的原理及其应用许丽萍;刘敏;李礼;余家燕;刘芮伶【摘要】本文描述了 CFL -03型边界层风廓线雷达的主要性能指标和技术指标；阐明了雷达系统的工作原理和技术特点；对其数据产品及应用情况进行了概括；最后将重庆主城区上空的实际探测数据与无线探空数据进行了对比和分析，以评估雷达测量数据的准确性。
%This paper described the key performance and technical indicators of CFL-03 boundary layer wind profiler radar ,explained the working principle and technical features of radar system ,and summa-rized its major data products and their applications .Besides ,practical monitoring data of the radar at Chongqing urban areas was compared with radiosonde data in order to assess data accuracy of the equip -ment .【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】10页(P79-88)【关键词】边界层风廓线雷达;工作原理;技术特点;数据产品;无线探空数据【作者】许丽萍;刘敏;李礼;余家燕;刘芮伶【作者单位】重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆 401147;重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆 401147;重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆 401147;重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆 401147;重庆市环境监测中心城市大气环境综合观测与污染防控重庆市重点实验室，重庆 401147【正文语种】中文风廓线雷达(wind profiler radar)是一种新型的测风雷达，它主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测，是应用微波遥感探测原理实现自动化大气探测的先进设备。
边界层风廓线雷达资料在北京夏季强降水天气分析中的应用
天气 的能力 。 ２０ ０ ５年 ８月 ３ 日 ０ ：０ １ ：（ 北 京 城 城 区 出 ４Ｏ ～ ２ （ ， ） ）
滴谱 参数 。杨 引 明等 讨 论 了 风廓 线 雷 达 资 料 ， 特
别 是垂 直速 度 和温度 资 料在 强对 流天 气 预报 中的应
用 。 研 究 表 明 ， 度 的 环 境 风 垂 直 切 变 有 助 于 雷 暴 适
的传 播和组 织 成持 续 性 强 雷暴 系统 ， 一般 雷 暴 与 是
强雷暴 的重 要 差别 。利 用 风 廓 线 雷 达水 平 风 资 料 ， 可 以实 时监 测水 平 风 的垂 直 切变 及其 切 变 发展 的深
冀 中尺度 试验 区的 ＵＨＦ风 廓线 雷 达 取得 的 风廓 线 资料 ， 对局 地暴 雨 、 面 等 天 气 过 程 进行 分 析 ， ｒ 锋 从 ｆ １
计算 出温 度平 流 ， 明 了 风廓 线 雷 达 资 料 在短 时预 表
报 中 的应 用 能 力 。 李 晨 光 ［ 分 析 了 香 港 Ｓ ａ Ｓ ｕ 。 ｈ ｍ ｈ ｉ
合 （ 切 变 ） 向上 发 展 ， 一 过 程 有 利 于 降 水 的发 展 。 或 层 这 关 键 词 风廓 线 雷 达 强 降 水 临 近 预 报
引 言
法 。１ ９ ９ ２年 ， ｅｅ 和 Ｊｍｅ＿ 利 用 风廓线 仪 和声探 Ｐ ｔｒ ａ ｓ ６ 测 雷 达 （ ＡＳ ） 得 的 １ ８ Ｒ Ｓ获 ９年 后 半 年 的 每 小 时 风 ９ 场 和虚 温资 料研 究 了美 国丹佛 边界 层结 构 的 日变化 和 季 节 变 化 特 征 。Ｗａ ｎ ｙ ｅ和 Ａｎ ｅ ｉｅ 采 用 一 ｇ ｖｎ ｌ 则 ７
基于非线性滤波的风廓线雷达数据处理
特性 ， 滤 渡 效 果 优 于传 统 的 卡 尔 曼 滤 波 ．
干扰 ， 达到 了一 定 的滤波 效果 ， 为 风廓 线 雷 达数 据 处理 开 拓 了新 的思
路． 然而 ， 在 风 廓 线 雷 达测 风活 动 中 ， 风 向和 风 速 随 高度 的分 布 是 一
具 有 一 定 的 工程 应 用 前景 ． 关 键 词 风廓 线雷达 ； 数 据质量控 制 ； 卡 尔曼 滤波 ； 一 阶 扩展 卡 尔曼 滤 波 中图分类号 Ｐ ４ １ ３ ． ２
文献标志码 Ａ
个 随机 过程 ， 在 每个 高度 上 的取 值 都是 随机 的 ， 各 时 间点 和各 个 高 度 上 的取 值 之 间相 互影 响 ， 很 难保 证 线性 关 系 ， 因此 ， 在 实 际应 用 中 ， 需 要 处理 的 问题 常是 非 线 性 的． 运 用 传 统 的卡 尔 曼 滤 波 技 术 对 风 廓 线
新 的观 测 数 据 后 ， 可 推 算 出新 的估 计 量 ， 不 必 重 新 计算 ． 此外 它 还 打 破 了对 平 稳 过 程 的 限制 ， 可 用 于对 时 变 随 机信 号 的滤 波 ． 目前 ， 卡 尔 曼滤 波技 术 已应 用 于 气 象 预 报 中 ， 对 于风 廓 线 雷 达 数 据处 理 方 面也 有 了初 步 的研究 ， 并 取 得 了一 定 的滤 波效 果 ． 图 １为 卡尔 曼滤 波估 计 的阶段 （ 其 中将 ｋ 作 为 当前 时 刻 ） ． 卡尔 曼 滤 波 过 程 包 含 ２个 阶段 ： ２ 个采 样周 期之 间 的状态 转移 阶段 叫做 Ｔ ｕ（ Ｔ ｉ ｍ ｅ Ｕ ｐ ｄ ａ ｔ ｅ ） 阶段 ； 过程 状 态更 新 阶段 叫做 ＭＵ（ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｕ ｐ ｄ ａ ｔ ｅ ） 阶段 ． 结 合 对 当前 时 刻 ｋ
风廓线雷达资料在灰霾天气分析中的运用
工 作 研 究农业开发与装备 2019年第8期摘要：阐明了风廓线雷达的主要概述，利用河北省保定风廓线雷达资料，分析了保定上空水平风速与能见度的关系，进而研究了能见度与环境污染、气象以及风速等方面的关联，最后通过实际案例提出风廓线雷达资料在灰霾天气分析中的实际运用，旨在为相关人员提供微薄的参考帮助。
关键词：风廓线雷达资料；灰霾天气；运用探析0 引言充分利用风廓线的雷达资料，能够分析出能见度和风速之间的实际关联，最终结果显示，当处于800～1 600 m的高空时，水平的风速约为10 m/s，持续的时间也会较长，随着能见度的降低风速就会明显减小，风速越小，则能见度也会下降。
当实际风速为5 m/s的时候，就非常有可能会发生较为严重的霾。
在应用风廓线的雷达资料对灰霾天气展开深入分析时，能够发现当风廓线中的雷达对风场展开检测时，拥有一定程度的实时性，可以在第一时间发觉风速的转变方向，从而及时判断出污染物会朝那个方向传播扩散，可以对灰霾天气做出短时间的预测预报，根据预测展开措施，从而可以有效预防灰霾天气的出现。
1 风廓线雷达的主要概述1.1 风廓线雷达的概述风廓线雷达的工作原理是利用空中湍流大气作为探测目标，用一定的频率和方向发射电磁能脉冲。
如果电磁能脉冲遇到大气湍流，能量就会散射，有一小部分后向散射能量返回雷达，雷达再通过数据分析计算目标的距离。
利用雷达检测各层大气的数据累绘制大气的轮廓。
风廓线雷达在探测方面有较强的优势，可以针对大气之中的三维风场展开有效探测，如果大气中的水平保持在较为平稳的状态时，就可以通过逐次法针对东、南、西、北四个方向的倾斜波束，针对天顶波束上实际距离多普勒的频移速度，并将处于同等高度波束所指的频移速度展开探测，再将探测数值相互结合得出大气中三维风场的实际情况，而且其还可以在站点的中心位置上，针对风的实际风向展开探测。
在对风场展开实际探测时，风廓线雷达自身具有较强的准确性，且在连续性、实时等方面的性能较强等特点，这些特点都是气球探测仪无法相比的。
风廓线雷达资料在灰霾天气分析中的应用
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
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 ｌ Ｏ ｍ 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 图１ 能见 度 与各 高度层 水 平风 速 的相关 分 析
分析 ２ ０ １ ４年 ９ 月至 ２ ０ １ ５ 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
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
应用 于 环境 监测 的较 少 。
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 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 。
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
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风廓线雷达资料的处理和应用
发表时间：
2017-09-29T09:53:03.140Z 来源：《基层建设》2017年第15期 作者： 潘亮东1 邓孟珂2 陈尚云1 朱鹏3 喻丽1
[导读] 摘要：雷达水平风廓线资料可以很直观地显示随时间变化风场的垂直结构。为了利用风廓线雷达进行降水研究，分析了2010年7月
南京风廓线雷达探测降水的个例。通过风廓线雷达提供的大气折射率结构常数、水平速度、垂直速度等多种资料,可从多种角度了解降水过
程，清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度，得出了强降水预报的着眼点和定性指标。
1
盐城大丰区气象局 江苏盐城 224100；
2
泰州市气象局 江苏泰州 225300；3淮安市气象局 江苏淮安 223001
摘要：雷达水平风廓线资料可以很直观地显示随时间变化风场的垂直结构。为了利用风廓线雷达进行降水研究，分析了2010年7月南
京风廓线雷达探测降水的个例。通过风廓线雷达提供的大气折射率结构常数、水平速度、垂直速度等多种资料
,可从多种角度了解降水过
程，清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度，得出了强降水预报的着眼点和定性指标。
关键词：风廓线雷达 水平风场 垂直速度 大气折射率结构常数C2n
1
风廓线雷达简介
风廓线雷达是利用大气湍流对电磁波的散射原理对大气三维风场进行连续性探测的设备。作为一种新型无球高空气象探测设备，风廓
线雷达已成为当前常规气象探测体质的重要补充。，可不间断地提供大气风场、垂直气流、大气温度、大气折射率结构常数等气象要素随
高度分布，具有时空分辨率高、连续性和实时性好的特点。
2
风廓线雷达在降水中的应用
风廓线雷达在测量降水过程中对降水的预报，降水过程的分析有一定的作用。我们对南京一次强降水过程进行探讨来分析风廓线雷达
探测资料在降水中的应用。
2.1
天气背景分析
2010
年7月12日南京地区发生剧烈降水，当时正值梅雨天气。从12日3时开始产生降水持续到13日3点，以12日12时雨强最大，降水持
续时间较长，后降水逐渐减弱，
13日03时停止。11日20时500hPa上，贝加尔湖东侧有一高压脊，形成了西北气流使冷空气向我国东南部
发展，河套地区有一高压槽（图
1a），588线在北纬30度附近，副高北抬到南京附近。从孟加拉湾到我国东南部盛行西南风，形成了西南
向的水汽通道，为这次降水过程提供了充足的水汽。
700hpa高空图上秦岭到江苏西部有一条明显的切变线，切边线南侧有一低空急流，南
京处在急流左前方，有明显的辐合（图
1b），比较700hpa前后的高空图发现该切变线向南发展到了安徽南部和江苏南部，同时700hpa西
南气流也很旺盛，
850hpa与700hpa的高空情况相似（图1c）。
2.2
风廓线雷达产品
采用2010年安装在南京信息工程大学观测场的风廓线雷达进行观测，雷达由天线、放大器、接收机、控制/数据处理器，电子设备保护
装置及无线电声探测系统（
RASS）6大部分组成。风廓线仪型号为WP3000，最大探测高度为6120m，垂直空间分辨率60m，最低探测高
度为
60m，每2min观测一次。风廓线雷达采用5波束观测，得到不同采样高度上水平风向，水平风速，垂直风速，垂直方向C2n等数据产
品。高度分辨率为
60m，以正北风为0度，垂直速度取向下为正。
2.3
水平风分析
处理数据后得到风矢图（图2），箭头长短表示风速大小，箭头方向表示风速方向，横坐标是时间，纵坐标为高度。11日15时近地面
层风向为东北风，在
800-2000m处为东南和西南风，高层为西北风，存在多个切变，水平风速较小，高空风速比低空大。11日18时近地面
转为东南风，东南风与西南风的风切变在
1600m处，西南风与西北风切变在3000m处。随着降水临近，西南风与东南风切变降低，西南风
高度与控制范围也变大，水平风速增大，且持续时间很长，这种风场为暴雨产生提供了充足水汽和能量，说明风廓线雷达在探测不同高度
风场上有很好优势。并在降水前
6h于1.8km高度出现西风急流。降水后，西南风与东南风切变高度继续降低，水平风速增加。12时低空突
然出现东北风并与东南风产生切变，同时西南风与东南风切变抬升回
1200m处，大气切变层数增多，说明强对流发展已达到最剧烈程度, 此
时降水即趋于最强。最大降水过后，近地面东北风消失，高空逐渐为西北风控制，偏南气流控制范围减少，水汽供应减少，水平风速减
小，对流减弱，降水减少。降水结束时，近地面转为东北风，
800m-2400m都为西北风控制，水平风速急剧减小。
2.4
风廓线雷达最大探测高度和 的研究
从图3可以看出WP3000风廓线雷达最大探测高度在11日00-11时由4000m升至6120m，降水前段时间最大探测高度保持在6120m，对
降水来临有很好指示作用。而地面降水时段在
12日03时到13日03时，降水时段最大探测高度维持在6120m，13日04时后最大探测高度又迅
速下降，可看出风廓线雷达最大探测高度在降水时段和降水前明显增加
2km左右。
将11日18时到13日06时C2n的数据用matlab编程得到图4，横坐标为时间，纵坐标为高度，图像中的数值为C2n的指数值（-14表示1e-
14
，-13.5表示5e-14）可以看出降水为发生前C2n的强度很弱（黄绿色区域），从12日3时13日3时C2n的最大值＞5e-14，11-13时对应的
C2n
的最大值达5e-12，当C2n值大的时段，南京降水量也较大。13日04时C2n最大值＜5e-14，降水结束，可见C2n的值达到5e-14反映降
水开始和结束。
C2n值越大，降水越剧烈。
2.5
垂直速度研究
读取风廓线雷达产品中垂直速度并通过matlab编程得到降水前后垂直风速，得出降水前垂直下落速度较小，12日3点3200m高空出现
4m/s
垂直速度，地面开始产生降水。在12点左右从地面到4000m高空垂直速度都＞7m/s。13日3点最大垂直速度＜4m/s。2日03时到13日
03
时最大垂直下落速度都＞4m/s，与降水时间段对应，可见最大垂直下落速度＞4m/s反映了降水开始和结束。垂直下落速度越大降水越强
,
这种风廓线雷达探测的垂直下落速度与降水强度对应关系是由于降水时降水粒子下落速度所造成的, 反映了降水粒子密度。将12日03时到7
月
13日03时每小时内最大垂直下落速度进行平均，再将得到的平均值和这个小时内雨强进行对应，可看出雨强越大，最大垂直下落速度就
越大，同时也看出最大垂直下落速度随雨强增大趋势随雨强增大而逐渐减小，最大垂直速度达
4m/s有降雨，最大垂直速度＞6m/s有强降
雨。
将强降水时段11-13时各高度处垂直速度做平均，得到各高度平均垂直速度，4500m以下垂直下落速度都在7.5m/s左右，在4300m处
达
8m/s，从4500-5000m垂直直速度急剧减少到4m/s，到5000m后垂直速度又缓慢下降，风速不大，都＜4m/s，说明4500-5000m空气热
力动力差异较大，空气对流明显，易产生大降水。
3
结论
风廓线雷达资料在降水预报中有很好的应用。利用风廓线雷达提供的多种垂直廓线探测资料,可以从水平速度、垂直速度、速度谱、
SNR
、C2n等数据多种角度分析。通过对2010年7月12日南京强降水天气研究，利用水平速度做出风羽图，对整个降水过程的发展有很好
指示作用。同时可以看出降水来临时，
C2n及最大探测高度都会增加，C2n最大值达到5e-14反映降水开始和结束，最大探测高度在降水前
迅速增大并保持在最大探测高度。垂直下落速度达到
4m/s可以作为降水产生和消失的标志，垂直下落速度大的时间段雨强也较强。但是需
要说明一点，降水过程很复杂，这只是通过一次降水过程分析得到的结果，需要更多资料分析才能得出更准确的风廓线雷达资料与降水关
系。
参考文献
[1]
张征宇, 薛震刚, 高太长, 等.风廓线雷达对一次强降水过程的探测研究. 气象水文海洋仪器, 2016，33(3).
[2]
许敏, 张瑜, 张绍恢. 风廓线雷达资料在冀中一次强降水天气预报中的应用. 干旱气象, 2016，34(5).
[3]
汪学渊, 阮征, 李效东, 等.雨滴谱仪与风廓线雷达反射率对比试验. 气象, 2016，42(1).
[4]
何越, 何平, 董德保, 等.基于双高斯拟合的风廓线雷达在降水条件下的风场反演. 科学技术与工程, 2014，14(23).
第一作者简介
潘亮东（1989-），男，汉族，江苏射阳人，本科学历，助理工程师，从事气象预报服务工作。