论文部分内容阅读
运行在VHF（Very-High-Frequency）频段的MST（Mesosphere-Stratosphere-Troposphere）雷达是一种灵敏度高、发射功率大的单站多普勒相控阵相干散射雷达,主要基于各向同性湍流散射和各向异性局部镜面反射机制来获取相应高度区间的回波功率谱信号并反演得到大气三维风场。目前MST雷达已经成为大气科学研究中不可或缺的遥感探测工具,能够在任何天气条件下几乎同时的对中间层、低平流层和对流层进行连续的无人值守探测。发展至今,MST雷达被广泛地应用在各种中小尺度天气气象过程（如降水、重力波、潮汐波、大气锋、台风、平流层臭氧入侵和对流层顶折叠等等）的观测研究中。国内MST雷达技术的发展,有助于帮助我们深入了解高时空分辨率的中高层大气动力学过程。基于中国子午工程一期项目,目前中国大陆已建设完成并正常运行的两台MST雷达分别是北京和武汉MST雷达。北京MST雷达坐落在河北省香河县（116°59′24″E,39°45′14″N）,武汉MST雷达建在湖北省崇阳县（114°8′8″E,29°31′58″N）。MST雷达探测优势非常突出,具有高度覆盖广、时空分辨率高、精度高等特点。本文介绍了北京和武汉MST雷达在常见天气气象研究中的应用,重点研究北京MST雷达探测对流层顶结构和平流层空气入侵的潜力。具体工作概况如下:1.有效数据获取率可作为评价MST雷达设备总体探测性能的一个指标。我们以5波束探测的水平风场数据为对象,分析了20122017年北京和武汉MST雷达低中模式的数据获取率情况。由于纬度差异,两台MST雷达的有效数据获取率情况存在明显不同。北京MST雷达结果:低、中模式有效数据获取率整体上均随高度升高而降低,低模式的递减率要比中模式的大;数据获取率随高度变化曲线分别在10.5 km和16 km位置存在明显反转,其主要是跟第一和第二对流层顶有关。武汉MST雷达结果:数据获取率变化情况可分为两段,每个模式低层的数据获取率基本不随高度变化而变化,保持在80%左右;再往上,则随高度升高而迅速降低;数据获取率的反转出现在16 km位置。2.地物杂波对垂直波束提取垂直风场信息有很大的影响。考虑到径向速度分辨率的大小是决定地物杂波影响垂直风场提取的关键因素,通过改变武汉MST雷达低模式的相干积累数和FFT点数,我们将径向速度分辨率从原来的0.53m/s提升到0.189 m/s（2.8倍）。结果表明:即使不做任何处理,地物杂波和真实的湍流回波便能从原始功率谱中单独分离出来。显然,径向速度分辨率的提升,有助于提取更精确的垂直风场。3.基于几个典型的案例,我们介绍了MST雷达在大气锋、降水、台风和大气重力波上的观测应用。结果表明:1)冷锋锋面的大概位置可以通过回波的结构特征进行识别;2)在降水环境下,MST雷达能同时探测到同等量级的大气湍流回波和降水回波;3)即使台风中心距离雷达站较远（750 km）,武汉MST雷达在高对流层-低平流层观测到台风灿鸿影响下的痕迹,即局部北风急流。4.基于镜面反射回波机制,可利用MST雷达测定对流层顶高度（RT）。采用2011年11月至2017年5月北京MST雷达垂直波束回波功率数据,对高分辨率对流层顶结构和变化进行了详细研究。通过与热力学对流层顶（LRT）和动力学对流层顶（PVT）进行比较,结果显示:不同季节的RT和LRT均表现出比较好的一致性,相关系数均≥0.74;冬季和春季RT和PVT之间的相关性相对较好,相关系数分别为0.72和0.76,但是夏季RT和PVT之间的相关性较差,相关系数仅为0.33。夏季RT和PVT之间很差的一致性主要是跟移动到40°N的亚热带急流有关。月平均RT和LRT高度均表现出明显的年周期性变化:初秋（9月）的对流层顶高度最大,约为11.6 km;早春（3月）最小,约为10.3 km。5.大气潮汐是调制对流层顶日/半日周期变化的主要来源之一。通过对RT高度进行Lomb-Scargle周期谱分析,结果表明:不同季节的RT均有明显的日周期变化,但是半日周期变化并不明显,只偶尔在夏季和晚春观测到。研究表明了北京MST雷达测定对流层顶高度以及观测其日/半日周期变化的巨大潜力。6.平流层大气向对流层入侵的过程被认为是对流层臭氧的重要来源。关于使用VHF-MST雷达探测识别平流层入侵事件仍有几个未解决的问题。我们对2014年11月底的一次切断低压（COL）案例进行了详细的研究。基于全球ECMWF再分析资料、AIRS卫星数据以及HYSPLIT轨迹模式,观测到明显的平流层入侵证据:干燥、富含臭氧、高PV值以及低CH4浓度的空气向下入侵到至少500 hPa的自由对流层中。在入侵过程中,北京MST雷达观测到两个非常有趣的特征:RT快速抬升以及抬升前强下行垂直风场。我们初步认为RT抬升以及抬升前的强下行垂直风场可作为探测平流层空气入侵事件的潜在指标。下行垂直风场之后对流层中的异常高角敏感区也是平流层空气入侵的一个潜在线索。7.为了验证案例研究观测到的对流层顶快速抬升以及抬升前的强下沉气流在探测识别平流层空气入侵过程中的潜力,我们在2012年3月至2015年1月期间挑选出另外20个不同天气背景下的典型RT抬升及抬升前强下行垂直风场事件。结合轨迹模式分析以及AIRS卫星探测数据,结果发现:其中15个案例均与一定形式的平流层入侵过程有关。研究结果表明对流层顶快速抬升以及抬升前的强下行垂直风场可作为互补的诊断指标,在观测与识别平流层入侵事件上具有很大的潜力。这对大气质量监测和对流层臭氧的长期估算具有重要的意义。