图1 RASS反演大气温度的原理
万应虎1，苏轼鹏2，邬晓冬3
(1.军代局气象水文军代室， 北京 100081；2.海军大连舰艇学院航海系， 辽宁大连 116018；3.大连市气象局， 辽宁大连 116018)
摘 要：依据无线电-声探测技术的原理及方法，对16组RASS虚温数据与探空仪数据进行对比研究，分析其误差成因，并提出修正方法。研究结果表明：RASS和探空仪实测虚温数据的变化趋势一致性较好；RASS测量的虚温误差随着高度的增加，有先降低再增大然后再降低的特征；风场、湿度、地杂波等因素对RASS虚温探测有较大影响；利用测得的垂直速度修正RASS探测公式，进行修正计算，发现能够减小误差。该研究可为提高RASS系统的测量精度并开展进一步业务应用提供参考。
关键词：无线电-声探测系统； 虚温； 探空数据； 误差修正； 垂直速度
无线电-声探测技术是伴随风廓线雷达广泛应用而发展起来的一种新兴气象遥感技术，该技术基于声传播理论可反演大气虚温的垂直分布情况，进而可反映出大气温度廓线状况。可拓展风廓线雷达的探测功能。该系统自1986年开始使用已有30多年的历史了，May等[1]、Tsuda等[2]先后利用RASS获取高分辨率大气虚温廓线。近年来，国内也广泛装备了风廓线雷达，有不少关于风廓线雷达应用的研究[3-7]，但是配备RASS系统的风廓线雷达较少，相关研究也不多见[8-9]。鉴于此，本文根据收集到的RASS虚温数据和相应的探空数据，进行对比研究，得出RASS反演虚温的误差，分析其产生原因，提出误差修正的方法。
声波是纵波，它使周围的空气密度发生变化，从而导致其所经区域的大气折射率发生相应的变化，当微波雷达发射的电磁波到达这些区域时，能产生后向散射，然后微波雷达接收后向散射的能量。当这些折射率变化扰动以当时当地的声速向上传播时，微波雷达就可以测量出不同高度处声波传播的速度，再根据声速与温度的关系可以得到虚温。RASS反演大气温度的原理如图1所示。
图1 RASS反演大气温度的原理
声波的速度与大气的虚温存在密切的关系，可用如下表达式表示：
(1)
(2)
式中，γ为比热容比，γ=1.4，R为摩尔气体常数，在此R=8 317，M为空气分子量，M=29。所以，虚温与声速的关系[10]可写为
(3)
这就是虚温与声速之间的关系，也是RASS反演虚温的理论依据。
RASS系统探测大气温度廓线的本质是反演虚温，通常虚温与气温比较接近，在高空探测中可近似用虚温来代替气温。而无线电探空仪探测的是气温，为了精确比较，需要将探空仪的气温换算成虚温。
本文采用大连市气象台观测场的标准探空数据作为比对标准，时间为每日的08：00，20：00，该测场距离风廓线雷达与RASS系统距离约30 km。测量虚温的RASS设备是CFL-16对流层风廓线雷达的一部分。通过收集处理无线电探空仪测量的温度、湿度资料，与同时间临近区域风廓线雷达和RASS系统测量的虚温作比对分析，从而得到虚温测量的误差。
RASS系统测量虚温的时间与探空数据的测量时间最长相差2 h，RASS系统与探空站点直线距离相距30 km。考虑大气在局地、短时间内是均一、稳定的，可以认为两地的大气状况近似相同。
分析的实测数据取RASS与探空仪均有数据的时刻，时间从2014年5月22日—2015年6月12日，共16个时次。RASS系统站点海拔70.8 m，第一组数据的高度距地面150 m，1 050 m以下数据垂直间隔75 m，1 050 m以上数据垂直间隔150 m，高度测量范围为地面到3 500 m高度。探空站点海拔高度为90 m，数据垂直间隔在10～15 m之间。由于探空资料垂直分辨率高，将探空数据测量值插值到与RASS系统相同测量高度上。
将RASS探测数据和探空仪实测数据共16组进行比对分析，可得到其误差特征。图2为16组RASS与探空仪测量的虚温对比情况，图2(a)横坐标为RASS测量的虚温，纵坐标为由探空仪测量数据计算出的虚温，可见整体上二者一致性较好，但仍然存在一定误差。下面具体分析一下误差情况。
图2 RASS与探空仪测量的虚温对比图
如果视探空仪计算的虚温为正确值，用RASS测量的虚温减去探空仪的虚温得到虚温测量误差，如图2(b)所示。综合图2(a)和图2(b)可见，RASS测量的虚温误差随着高度的增加，有先降低再增大然后再降低的特征。还可以从具体数值中反映出来。
数据的起始高度为220.8 m(站点海拔70.8 m，第一组数据的高度为150 m)，该高度的误差均值为0.55℃，295.8 m处的误差均值为0.13℃，而在1 720.8 m处的误差均值为1.04℃，3 220.8 m处的误差均值为0.26℃。误差散布情况是：在低高度处散布最大，在445.8 m处达到最小，此后又逐渐增加，到1 870.8 m处散布达到最大，而后又随高度的增加而减小。误差随高度的分布受风场、湿度等因素的影响，下面结合其他要素的探空数据分析RASS虚温探测产生的原因。
RASS的探测性能主要受到声波衰减、大气风场、湍流、大气温度、湿度等因素的影响。为满足Bragg条件，雷达频率越高要求声频越高。而声频越高声衰减(指大气吸收和大气散射)就越大，并近似与声频的平方成正比[1]。
声波衰减会造成RASS的信噪比剧烈下降，这是温度探测高度受限的最主要因素。在此拟采用统计对比的方法分析风场、大气温度、湿度、湍流对测量精度的影响，对比数据采用较近距离同步(或近似同步)无线电探空数据，统计分析在不同大气环境下误差的大小，进而探讨利用地面温湿数据降低误差的方法。
风场对RASS测量虚温[11]的表现在两个方面，一是降低信噪比，导致信号提取困难；二是垂直运动导致声速测量出现误差，进而影响虚温的计算。
大气三维风场对RASS信噪比的影响可以表现在：
1) 使声波的球面波前不再与电磁波的球面波前相互平行，可称之为“偏馈式效应”；
2) 使声波束在某些高度处不能完全囊括雷达波束，可称之为“错位式效应”。
上述两种效应总的后果是使所测温度既有可能偏高，也有可能偏低(可称之为“谱重心偏移”)以及谱展宽。
风场的具体影响包括风速过大、风的垂直切变和垂直运动的影响。
风速越大或风速垂直切变越大，对测温的影响就越大，甚至使信噪比降低到无法提取有效信号的程度，导致虚温的缺测。例如探空仪与RASS和风廓线系统测量数据共比对16次，每次测量数据共27层，数据垂直间隔为75 m，顶部数据 (3 370.8 m)共缺失了12次，如表1所示。
表1 各高度层有效数据统计
数据缺失的原因主要为风速较大，通常风速超过约10 m/s时，会存在虚温数据缺失现象。例如2015年6月12日19：31的测量情况，从1 870.8 m高度开始数据全部缺测，1 870.8 m高度处水平风速为9.9 m/s，随着高度的升高水平风速逐渐增大，在3 070.8 m处水平风速达到最大，为17.35 m/s。
风速的垂直切变是另一种对虚温测量有较大影响的因素，当风速垂直切变较大时，会影响信噪比的测量，从而增大测量误差，甚至导致数据的缺测。例如该时次由于底层的水平风速垂直切变大，导致信噪比显著降低，从而导致最下面两层数据缺失。如图3所示，220.8 m与295.8 m处风的水平分量和垂直分量变化均较大，所以该两处的有效数据个数也偏少。此外，风的垂直分量，即垂直运动可与声波叠加，能直接改变声传播的速度，这也是风的影响因素之一，也是目前唯一能够修正的因素。
图3 2015年6月12日19：30 RASS与风廓线雷达测量值
由于RASS测量虚温需要依靠大气对电磁波的后向散射，当大气湿度变化剧烈时，会导致大气折射率变化剧烈，从而使电磁波的后向散射变换剧烈，从而导致信噪比变化明显，而导致信号测量出现较大误差，甚至出现缺测的情况。例如2014年8月20日09：12，相对湿度从121 m处的69%(绝对水气压20.9 hPa)下降到193 m处的54%(绝对水气压17.0 hPa)，从而导致220.8 m和295.8 m两层数据缺测。湿度垂直梯度的改变对虚温测量的影响需要做进一步的观察分析工作。
此外，湿度的改变会使声速发生改变，将声速视为相对湿度的函数，在湿空气的速度与干空气的速度比值设为R，当相对湿度从0%升到15%，R从1降到0.999 4，当相对湿度从15%升到100%，R从0.999 4升到1.003 3，从而导致虚温测量出现误差[3]。
另外，在靠近地面，会存在地杂波的影响，从而影响到信噪比，进而影响信号的测量，因此，在最下面两层的数据可靠性较差，如图4所示，220.8 m处的高度误差为0.55、标准差为2.24，295.8 m处的高度误差为0.13、标准差为1.494。地杂波的成因及其影响是极其复杂的，目前还无法描述其规律性。但根据相关理论和实验地点的环境可推测误差的主要原因是近地面噪声对RASS的声波传播的干扰所造成的。
图4 误差的均值与标准差
由前面的误差分析可知，影响RASS虚温测量的因素主要有风、大气湿度和地面干扰等，风的影响又包括水平风速过大、风的垂直切变和垂直运动。大气湿度和地面干扰的影响机理过于复杂，目前还没有有效的方法去除，风的影响中水平风速过大和风的垂直切变难以改变，对声速的影响较为复杂，所以目前最简单的方法是利用垂直运动进行误差修正。其具体方法如下：
首先，利用测量的Tv计算出声速，然后再利用下式修正虚温：
(4)
式中，w为垂直风速，单位为m/s，可由风廓线雷达测量，其符号向上为负，向下为正。由于声源向外传播，所以，ca的符号为负。
按照上述方法对16组数据进行修正，取平均值，结果如图5所示，图5(a)中“*”表示修正前的虚温误差，“+”表示修正后的虚温误差，可见，修正后误差较小，修正前误差均值为0.435 6，修正后误差均值为0.378，而且，修正后误差的散布也较小，修正前误差标准差为0.672 8，修正后误差标准差为0.515 9，可见修正后误差减小，图5(b)为风廓线雷达测量的垂直运动速度。
图5 误差修正结果
通过对16组RASS虚温数据和探空仪经气温换算的虚温数据进行对比，分析其误差及成因，并进行了修正研究，结果表明：
1) RASS探测数据和探空仪实测数据整体上二者一致性较好；
2) RASS测量的虚温误差随着高度有先降低再增大然后再降低的特征；
3) 风场对RASS探测虚温有很大的影响,主要包括水平风速过大、风速垂直切变和垂直运动；
4) 湿度、地杂波等因素同样会对RASS测量虚温产生较大影响，但是其影响机理复杂，目前还无法明确描述;5) 利用垂直运动速度修正虚温公式可在一定程度上减小误差。
参考文献：
[1] MAY P T, STRAUCH R G, MORAN K P. The Altitude Coverage of Temperature Measurements Using RASS with Wind Profiler Radars[J]. Geophysical Research Letters, 1988, 15(12):1381-1384.
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WAN Yinghu1, SU Shipeng2, WU Xiaodong3
(1.Meteorological and Hydrological Equipment Military Representative Office,Military Representative Office of Equipment Development Department,Beijing100081,China;2.Department of Navigation,Dalian Naval Academy,Dalian116018,China;3.Dalian Meteorological Observatory,Dalian116018,China)
Abstract:The theory of radio-acoustic sounding technology (RASS) is analyzed. 16 groups of RASS data and radiosonde data are compared; the error reason and the correction method are researched. The research results show that the change trends of the two kinds of data show good uniformity. The error of RASS decreases at low height, increases in the middle, and decreases too at high height. The effects of wind, humidity and clutter are obvious. Using vertical motion to amend the formula of RASS and make correcting calculation. It is found that the method can decrease error. The research can provide reference for improving the precision of RASS and further business application.
Key words:radio-acoustic sounding system (RASS); virtual temperature; radiosonde data; error correction; vertical motion
中图分类号：TN959.4; P413
文献标志码：A
文章编号：1672-2337(2018)03-0286-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2018.03.009
收稿日期：2017 09 29；
修回日期：2017 11 02
作者简介：
万应虎 男，1978年10月1日生，甘肃省靖远县人，硕士，工程师，从事气象海洋预报预测、气象海洋装备质量以及电子与通信工程技术等领域的研究。E-mail:Wanyhbeijing@163.com