2016年5月1日至6月15日, 北京师范大学、北京大学、中国科学院、中国气象局等部门在河北省邢台市皇寺气象观测站联合开展了一个大型的“大气-气溶胶-云相互作用”综合实验, 研究气溶胶对我国天气和气候变化的影响。河北省邢台市地处太行山脉和华北平原交汇处, 山地、丘陵和平原呈阶梯状排列, 西部山区和山前丘陵区位于太行山东麓, 中部、东部为河北平原的一部分。皇寺气象观测站(114.37°E, 37.18°N)位于邢台市区西北20 km处, 海拔为182 m, 三面环山, 地理位置独特, 属于典型的“山口镇”, 西部向山区过渡, 东部地区地势平坦, 受山谷风影响。山谷风对大气扩散、大气环境污染有重要影响(季国良等, 1984; 邱崇践和蒲朝霞, 1991; 邓家铨等, 1989; 李炬和舒文军, 2008; 李延莉和杜静文, 2012; 吴庆梅和张胜军, 2010; 张强等, 2003), 因此有必要对该地区的风场特征进行分析。

观测实验期间的测风仪器有多普勒声雷达、边界层风廓线雷达、台站业务无线电探空、Graw公司的气球探空以及中国科学院大气物理所自主研制的系留气艇探空。声雷达自1968年问世以来, 由于能获得连续的高时空分辨率近地面边界层风场资料, 且具有体积小、质量轻, 便于携带和安装等优势, 在大气湍流、边界层物理和空气污染等方面得到了广泛应用(Anandan et al, 2008; Anderson et al, 2005; Bradley et al, 2012; Busse and Knupp, 2012; 吕乃平等, 1979, 1986; 潘桃等, 1992)。一般的气象业务无线电探空一天只能提供两次探测数据, 边界层风廓线雷达观测可以提供高时间分辨率的风场资料, 但风廓线雷达观测在200~300 m高度以下存在探测盲区, 声雷达与风廓线雷达配合使用, 可弥补风廓线雷达探测盲区的不足(涂小萍, 2014; 马建立等, 2015; 周芯玉等, 2015)。

因此, 本文利用中国科学院大气物理研究所的多普勒声雷达在观测期间获得的风场资料, 与该时段台站探空、加放的Graw探空和系留气艇观测的风场资料进行对比分析, 验证声雷达资料可靠性, 并在此基础上, 对观测站近地面边界层风场特征进行分析, 为进一步研究近地大气边界层动力与化学过程提供数据支持。

本文主要使用观测期间的声雷达风场观测数据, 由中国科学院大气物理研究所安装在皇寺站的多普勒声雷达获得。该自动化多普勒声雷达系统为德国Scintec公司生产的平面阵列雷达, 工作方式为使用一个8×8的相控阵压电式收发器, 向不同方向发射声波, 由于空气中温度的不均性造成声波反射, 通过检测回波信号中的多普勒频移获得风速。该系统能获得30~600 m高度的水平风、垂直风及后向散射, 垂直高度分辨率为10 m。观测过程中采用公司提供的APRun运行软件配置、运行和控制该声雷达系统的观测, 每15 min获得一个平均廓线, 记录文件时间标识为观测结束时间。

使用的探空资料包括三部分:国家气象观测基准站皇寺站(编号: 53798) 每日两次的探空数据(07:00(北京时, 下同)和19:00);基于本次实验需要, 每日13:00左右加放Graw公司生产的探空球获得的探空数据; 系留气艇探空根据天气条件不定时的观测数据。皇寺站探空采用GTS1型探空仪进行高空廓线观测, 地面接收站为L波段无线电信号接收天线和接收机(频率: 1675 MHz)。加密观测时采用Graw公司生产的DFM-09型探空仪, GS-E地面站信号接收系统(频率: 403.3 MHz)。系留气艇由缆绳将其拴在地面绞车上, 测量风的风杯和风向标栓挂在距气艇20 m的缆绳上, 测量高度由GPS装置确定。三种探空设备的原始数据采样频率均为1 Hz。台站和Graw探空的探测高度范围为0~30 km, 系留气艇的探测高度范围小于1.2 km, 主要用于探测大气边界层的温度、湿度和风的垂直分布。

这次观测实验期间, 从声雷达观测数据在不同高度上的获取状况(图 1)可以看出, 随着高度的增加, 观测有效数据比例逐渐降低, 30~230 m降低幅度不大, 数据获取率在90%以上; 250 m以上降低较快, 350 m左右降低到50%, 600 m时降低至10%。造成这种趋势的原因有多种, 主要是随高度增加风速较大造成环境噪音和距离衰减影响信噪比等(Anderson et al, 2005)。从2016年5月30日声雷达获得的有效水平风场数据的时间序列(图 2)可以看出, 某些高度风场数据缺失, 特别是当低层风速较大时, 产生的环境噪音影响信噪比, 风场数据缺失严重。

图 1(Figure 1)

图 1 声雷达每层探测高度上有效数据个数与总数据个数的百分比 Figure 1 Percentage of good quality wind observations bySodar as a function of range gate

图 2(Figure 2)

图 2 2016年5月30日声雷达水平风场时间-高度分布 彩色区为风速, 矢量为风向 Figure 2 Time-height distribution of Sodar horizontal wind profile on 30 May 2016. The colour area is wind speed, the vector is the wind direction

气球探空提供大气水平风速、水平风向, 可通过与探空资料对比分析验证声雷达获得的风场资料是否可靠。

2016年5月30日声雷达与三种探空资料水平风速和风向廓线(图 3)显示, 三种探空数据开始探测时间分别07:15, 13:11和08:30, 对应的声雷达数据为结束于07:30, 13:15和08:45的15 min平均值。从图 3中可见, 整体上, 声雷达水平风场资料与三种探空水平风场资料有较好的一致性, 但也存在明显偏差, 可能是由声雷达数据为15 min的平均值以及不同设备的固有偏差造成的(Anderson et al, 2005; 吕乃平等, 1986)。从台站探空风廓线可见, 一段垂直距离内风速不变, 这是由常规探空接收端的软件处理系统采用一段距离平均并只保留整数的做法引起的, 不能反映10 m量级垂直分辨率的风速变化情况。

图 3(Figure 3)

图 3 2016年5月30日声雷达与台站(左), Graw(中)和系留气艇(右)三种探空资料的水平风速(a)和水平风向(b)廓线 Figure 3 Horizontal wind profiles of wind speed (a) and wind direction (b) from Sodar and station (left), Graw (medium), tethered balloon (right) three radiosonde data on 30 May 2016

图 4为实验期间声雷达与三种探空资料水平风速和风向散点分布。风速较小时, 风向不稳定, 数据不可靠, 统计分析时去除了风速小于等于0.5 m·s^-1的数据对(图略)。风速样本数分别为2535、1378和1577, 风向样本数分别为2311, 1329和1427。从图 4中可以看出, 整体上, 大部分散点集中分布在对称线附近, 声雷达水平风速、水平风向与三种探空资料的一致性较好, 且声雷达与台站探空和Graw探空的一致性好于系留气艇的。风速太大时, 不利于系留气艇升空探测, 一般在水平风速较小时施放, 故声雷达与系留气艇的水平风速散点分布的风速值较小。声雷达的风向相对于三种探空资料偏低, 可能是因为在安装声雷达时, 正北方向定位出现一定偏差, 可以通过校正把大部分偏差去除。

图 4(Figure 4)

图 4 声雷达与台站(左), Graw(中)和系留气艇(右)三种探空资料的水平风速(a)和水平风向(b)散点分布 Figure 4 Scatter plots of wind speed (a) and wind direction (b) from Sodar data and station (left), Graw (medium), tethered balloon (right) three radiosonde data

为了定量检验声雷达获得的风场资料的可靠性, 采用相关系数CC、均方根误差RMSE以及偏差Bias进一步评估声雷达水平风速、水平风向与三种探空资料的一致性, 公式如下(朱彦良等, 2012):

式中: X为声雷达变量; Y为三种探空资料变量; n为样本数。

表 1给出计算的声雷达水平风速和风向与三种探空资料的CC、RMSE和Bias。由表 1可见, 声雷达资料与台站探空资料的相关系数最高, 其次是Graw探空, 与系留气艇探空的相关系数最小; 与Graw和台站探空的相关系数中, 风向高于风速, 系留气艇则相反。风向的偏差均为负值, 说明声雷达的风向相对于三种探空资料偏低, 可能原因同前; 台站与系留气艇探空的风速偏差为负值, Graw为正值, 偏差均较小。整体上, 声雷达水平风场资料与三种探空资料的一致性较好, 证明声雷达资料基本可靠, 可进一步用于分析近地面边界层风场特征, 并且为其他应用提供近地面边界层风场资料。

表 1(Table 1)

表 1 声雷达水平风速、风向与台站、Graw和系留气艇三种探空资料的统计特征 Table 1 The CC, RMSE and Bias of horizontal wind speed and wind direction between Sodar and station, Graw, and tethered balloon radiosondes three radiosonde data 资料类型 水平风速 水平风向 n CC RMSE/(m·s-1) Bias/(m·s-1) n CC RMSE/(m·s-1) Bias/(m·s-1) 台站探空 2535 0.85 1.77 -0.36 2311 0.92 48.63 -25.06 Graw探空 1378 0.73 2.15 0.31 1329 0.78 53.50 -22.13 系留气艇 1577 0.64 1.23 -0.41 1427 0.51 81.76 -4.42

表 1 声雷达水平风速、风向与台站、Graw和系留气艇三种探空资料的统计特征 Table 1 The CC, RMSE and Bias of horizontal wind speed and wind direction between Sodar and station, Graw, and tethered balloon radiosondes three radiosonde data

根据实验期间声雷达获得的近地面边界层风场资料, 对皇寺气象观测站近地面边界层风场特征进行分析。该观测点三面环山, 西部向山区过渡, 东部地势平坦, 形成山谷风影响。山谷风属于局地环流, 进行研究时, 需要将其从实测风中分离出来。根据张人文等(2012)研究, 将声雷达测得的风命名为实测风, 大尺度风命名为背景风, 山谷风命名为局地风, 背景风和局地风的叠加即为实测风。分离方法:将每天的实测风分解为u、v风量, 其日平均作为背景风的u、v分量, 局地风的u、v风量为实测风的u、v风量减去背景风的u、v分量, 合成的风矢量为去掉背景风后的局地山谷风。

由实验期间30 m高度层的山谷风风向出现频率的日变化(图 5)可见, 水平风向具有明显日变化, 是典型的山谷风变化特征。谷风(偏东风)出现时间为09:00-20:00, 11:00-17:00出现频率最大; 山风(偏西风)出现时间为21:00至次日08:00, 01:00-07:00出现频率最大; 20:00-21:00为谷风转山风时间, 08:00-09:00为山风转谷风时间。山风、谷风转换时刻主要受太阳辐射影响, 日出后太阳辐射不断增强至正午, 谷风很快形成并发展加强, 持续到傍晚, 日落后太阳辐射减弱并消失, 谷风平息, 山风形成并发展, 直到次日08:00又开始转为谷风。

图 5(Figure 5)

图 5 30 m高度层水平风向频率日变化 Figure 5 Diurnal variation of horizontal wind direction frequency at the height of 30 meters

由观测期间30 m高度层山谷风风速及静小风(风速≤1.5 m·s^-1)频率的日变化(图 6)可知, 从图 6中看到, 山风风速较小, 比较稳定, 谷风风速较大。平均风速有两个最大值, 一个出现在15:00, 另一个出现在05:00, 午后最大值明显大于凌晨最大值, 根据翁笃鸣和罗哲贤(1990)研究, 午后最大值是局地环流和湍流运动共同作用的结果, 夜间最大值是受山风的影响(刘蓓, 2016)。平均风速的两个最小值与山谷风转向时间相对应, 且与静小风频率的两个最大值相对应。静小风频率与平均风速成反比, 平均风速增大时, 静小风频率减小, 日平均风速减小时, 静小风频率增大, 两个最大静小风频率分别出现在09:00和19:00, 刚好是山谷风转向时间, 说明山谷风转向时多为静小风(张人文等, 2012)。

图 6(Figure 6)

图 6 30 m高度层平均风速及静小风(风速≤1.5 m·s-1)频率日变化 Figure 6 Diurnal variation of average horizontal wind speed and frequency of wind weaker than 1.5 m·s-1 at the height of 30 meters

受山谷风影响, 皇寺气象观测站的垂直风也具有明显日变化特征。图 7为观测期间30 m高度垂直风及垂直风频率日变化, 正值为上升气流, 负值为下沉气流。从图 7中可见, 白天吹谷风时, 垂直风速较大, 风速先增大再减小, 晚上吹山风时, 垂直风速较小, 且随时间变化不大。由谷风转山风时, 上升气流出现频率逐渐减小, 下沉气流出现频率逐渐增大, 由山风转谷风时, 上升气流出现频率逐渐增大, 下沉气流出现频率逐渐减小, 山风谷风转换结束后, 两种气流所占比例趋于平稳。吹谷风时, 上升气流出现频率明显大于下沉气流, 此时垂直气流对应的应该是上升气流, 但由于垂直气流不是恒定不变的, 且量级小, 在谷风时间隙地也会出现下沉气流(即向下的速度)。

图 7(Figure 7)

图 7 30 m高度层垂直风(a)及垂直风频率(b)日变化 Figure 7 Diurnal variation of average vertical wind speed (a) and frequency of vertical wind speed (b) at the height of 30 meters

通过观测期间不同高度水平风向、水平风速和垂直风频率等值线图(图 8)可见, 30~50 m盛行西风和东风, 水平风速主要集中在0~6 m·s^-1, 随着高度增加, 西风和东风减弱, 逐渐转为偏南风和西北风, 平均风速增加, 说明山谷风在50 m高度以上开始消失或为背景淹没, 声雷达探测到的山谷风垂直范围为30~50 m; 结合各层高度实测风速平均值及最大值统计(图 8b黑色实线), 随高度增加, 平均水平风速逐渐增大, 最大风速先增加再减小, 波动较大, 小风速比例减小, 大风速比例增加, 与大气边界层风速随高度增加而增大的理论符合; 垂直风速主要集中在-0.1~0.1 m·s^-1之间, 说明大部分时间垂直风速较小, 对流较弱, 以零值为轴, 左右比较对称, 表明上升气流和下沉气流出现频率相当, 与徐小峰等(2006)利用声雷达探测资料对大气边界层垂直风速的研究结果一致, 垂直速度绝对值主要集中在0.5 m·s^-1以下, 上升气流出现了超过0.5 m·s^-1的频率, 但频率较小。

图 8(Figure 8)

图 8 不同高度水平风向(a)、水平风速(b)、垂直风频率(c)等值线图 Figure 8 Contour map of horizontal wind speed (a), horizontal wind direction (b), vertical wind speed frequency (c) as a function of height from 0 to 600 m

分析山谷风启动时间的垂直变化, 给出了30~50 m高度层水平风速和风向的日变化(图 9), 从图 9中可见, 山谷风的启动时间在30~50 m各层高度基本一致, 随高度基本无变化。

图 9(Figure 9)

图 9 4个高度层水平风速(a)和风向(b)的日变化 Figure 9 Diurnal variation of horizontal wind speed (a) and horizontal wind direction (b) at 4 height levels

利用中国科学院大气物理研究所安装在皇寺站的多普勒声雷达在2016年5月1日至6月15日观测期间获得的风场资料, 与同期台站探空、加放的Graw探空和系留气艇观测的风场资料进行了对比分析, 验证了声雷达资料可靠性, 并基于声雷达资料对观测站近地面边界层风场特征进行了分析。主要结论如下:

(1) 通过对本次实验过程获得的声雷达数据进行统计分析显示, 随着高度的增加, 有效数据比例逐渐降低, 30~230 m降低幅度不大, 250 m以上降低较快, 说明声雷达适合近地大气边界层风的探测。

(2) 声雷达与台站、Graw和系留气艇探空测量的水平风速和水平风向廓线在大部分时间比较一致, 但有少数时刻会出现较大偏差, 通过整个实验期间声雷达与三种探空资料水平风速、风向的散点对比图及误差分析可以更明显地看出这种趋势。整体上, 声雷达水平风场资料与三种探空资料的一致性较好, 且声雷达与Graw、台站探空的一致性好于与系留气艇的, 因系留气艇探空一般仅有5 m·s^-1以下风速的观测。

(3) 60 m高度以下风场特征分析表明, 皇寺站表现为显著的山谷风特征, 白天吹谷风, 盛行偏东风, 垂直风速较大, 夜间吹山风, 盛行偏西风, 垂直速度小; 在垂直结构上, 30~50 m盛行西风和东风, 50 m以上逐渐转为偏南风和西北风, 且随高度增加, 大风速比例和平均风速逐渐增大, 表明声雷达探测到的山谷风垂直范围为30~50 m; 垂直风速主要集中在-0.1~0.1 m·s^-1之间, 相对于零值线对称分布, 表明大部分时间对流较弱, 上升气流和下沉气流出现频率相当。

(4) 实验期间声雷达资料基本可靠, 可以为分析大气边界层低层的动力特征提供数据。但声雷达探测400 m以上的大气风速能力有限, 需配合使用其他风廓线探测仪器, 以便获得更完整数据, 来研究整个大气边界层的动力和热力特征。