引言

风廓线雷达是20世纪70年代研发并逐渐兴起的一种高空大气遥感探测系统，经过三十多年的发展，风廓线雷达技术已经成熟^[1]。在过去的几十年里，国外学者利用风廓线雷达在风场探测^[2-4]、大气湍流及边界层厚度^[5-7]、数值预报^[8]、降水过程^[9-13]、雨滴谱反演^[14-15]等方面开展了大量的研究工作，取得了一批可喜的科研成果。作为新一代大气遥感探测系统，美国国家大气海洋局(NOAA)于1987－1992年在美国中部和南部地区布设了35部风廓线雷达，其观测数据已提供给国家天气服务中心、环境研究机构和大学^[16]。近20年的运行结果证明：风廓线雷达对大气三维风场具有较强的探测能力，精细的垂直廓线数据可以显示出锋面、短波波动、气旋、重力波等天气系统连续和详实的演变过程，可在一定程度上改善对灾害性天气的预报质量。

中国从20世纪80年代开始风廓线雷达的研制和应用工作，1989年中国气象科学研究院研制了第一部UHF风廓线雷达，用于北京中尺度灾害天气预报基地的业务试验，证明了其有效性和可靠性^[17]。在过去的10年里，中国相继自主研发了多种类型可供业务和科研使用的风廓线雷达^[1]。阮征等^[18]曾基于湍流散射理论，构建了风廓线雷达强度信息对大气折射率结构常数的估算方法；何平等^[1]曾结合风廓线雷达探测事例分析了晴空热对流的演变过程和热对流对上层空气的加热效应；顾映欣等^[19]利用北京风廓线雷达资料对局地暴雨、锋面天气过程进行分析，表明该资料在短时预报中具有较好的应用能力；邹悍等^[20]、王敏仲等^[21]曾利用风廓线雷达分别对中国珠穆朗玛峰北坡绒布河谷和新疆百里风区大气三维风场进行探测研究；以上研究都表明：风廓线雷达在大气风场监测、边界层变化、降水过程等方面具有较好的应用研究前景。

塔克拉玛干沙漠位于北半球中纬度欧亚大陆腹地，坐落于新疆塔里木盆地中央，平均海拔高度在1000 m以上，面积33.76×10⁴ km²，是世界第二、我国第一大流动沙漠，该区年平均降水量不足40 mm^[22]，气候干旱，沙尘灾害频繁。近年来，有关沙漠边界层特性方面的研究很多^[23-27]，这些研究多借助于气象塔、系留气球探空和无线电探空仪等手段进行，然而气象塔观测高度有限，其他技术手段成本昂贵且时间分辨率低，无法详细刻画边界层的精细结构特征。风廓线雷达借助大气湍流反演三维风随高度的分布，是观测和研究大气边界层和湍流的有效工具。本项研究尝试利用边界层风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠典型晴天进行探测(沙漠地区气候极端干燥，大气水汽含量少，风廓线雷达探测时某些高度层会出现缺测)，并利用获取的高分辨率资料，分析沙漠晴空湍流、三维风场、大气温度的发展演变特征，以期能够进一步加深对塔克拉玛干沙漠边界层的认识。

1 风廓线雷达探测基本原理和主要技术性能

大气中存在着各种不同尺度随时间变化的湍流，它们能引起折射指数的不规则变化，对无线电波产生散射作用。风廓线雷达向天空发射无线电波，并接收它的回波，这些回波是由于大气湍流在空中不同层面引起的电波折射而产生的，通过对回波的处理和分析就可以获得湍流的多普勒系数和强度系数，从而反演出湍流强度、运动方向和运动速度随高度的分布。大气湍流的运动是随背景风的运动而运动的，因此，如果获得了大气湍流的多普勒速度和方向，同时也就获得了风的多普勒速度和方向^[28]。

本项研究采用的设备为中国航天科工集团二十三所研制的CFL-03相控阵风廓线雷达。主要由发射机系统、接收机系统、天馈系统、监控系统、信号处理与控制系统和数据处理系统6部分组成，它的设计高度为3000~5000 m。CFL-03采用5个固定指向波束的探测方式，1个垂直波束，4个天顶角为15°的倾斜波束，倾斜波束在方位上均匀正交分布。为了兼顾探测高度和低层的高度分辨率，CFL-03采用高、低两种工作模式。低模式使用窄脉冲、高度分辨率为50 m，高模式使用宽脉冲、高度分辨率为100 m。两种模式交替进行，在保证低空具有较高高度分辨率的同时可以达到较高的探测高度。CFL-03提供的数据完全符合中国气象局要求的高/低模式谱数据、径向谱速度和实时廓线数据格式；每种廓线包含水平风、垂直速度、信噪比、C_n²(大气折射率结构常数)和谱宽等信息。表 1列出了CFL-03的主要技术参数。

2 结果与分析 2.1 沙漠晴空湍流发展旺盛区域的高度及演变特征

理论上，在局地均匀、各向同性湍流的惯性子区内，描述晴空大气湍流运动对电磁波的后向散射能力用大气折射率结构常数(C_n²)表示，因此，C_n²也是表征大气光学湍流强度的一个重要参数^[29]。

图 1给出了塔克拉玛干沙漠2010年8和10月6个晴天大气折射率结构常数(C_n²)随时间和高度变化的剖面图。从8月3日C_n²变化图(图 1a)可以清晰地看出，夜间C_n²较小，其值域分布范围约为10^-17~10^-15.5，早晨日出后，太阳辐射增强，近地层大气受热，大气湍流发展，湍流对雷达电磁波的后向散射增强，使得大气折射率结构常数逐渐变大，16:00－19:00时C_n²达到最强的时段，最大值域分布范围约为10^-14.5~10^-13.5，高度可达4000 m左右，这一高度可以认为是沙漠晴空湍流发展旺盛区域的顶部，同时也表明CFL-03在沙漠地区的晴空探测能力可达到4000 m高度；20:00以后湍流减弱，C_n²随之减小。图 1b和1c分别给出2010年8月6和13日C_n²时间-高度图，其演变特征与图 1a相似，这里不再赘述。图 1d~1f给出2010年10月3个晴天的C_n²变化图，其发展变化规律与8月晴天相似，夜间较弱，白天日出后开始发展，午后达到最强时段，所不同的是10月C_n²大值发展高度明显低于8月，其高度在3200 m以内，说明沙漠10月湍流发展旺盛区域的高度在3200 m以下。以上分析表明：风廓线雷达探测到的大气折射率结构常数(C_n²)能较好地反映、表征沙漠晴空湍流对电磁波的后向散射能力，可以详细刻画晴空湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征。

2.2 近地边界层温度场特征

图 2给出了RASS系统对塔克拉玛干沙漠6个晴天(时间同上)近地边界层(50~500 m)大气虚温的探测结果(沙漠地区水汽含量少，可将大气虚温近似为气温)。从图 2a~2c可以看出，沙漠地区8月昼夜温差明显，夜间边界层大气保持着相对较低的温度，早上日出后，气温逐渐升高，12:00以后气温迅速升高，并于午后15:00－20:00达到一天中最热的时段，最高气温可达到35℃左右。图 2d~2f分别给出10月3个晴天大气温度的时间-高度图，可以清晰地看出，10月沙漠边界层大气温度明显低于8月，夜间温度依然较低，白天边界层大气温度最高可达到27℃左右。图 3给出对应的6个晴天地面气温的日变化曲线，由图 3a可以看出，8月3、6和13日夜间气温在16~30℃之间变化，08:00－09:00左右气温开始升高，13:00－23:00大气保持着较高的气温，该时段气温约在36.0℃左右，通过与图 2a~2c进行比较，发现边界层大气温度与地面气温较为接近，其日变化规律一致；从图 3b也可以看出10月晴天地面气温与RASS探测边界层大气温度结果相近，以上分析表明：RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度，沙漠近地边界层大气温度符合一般的日变化规律，夜间低，白天温度高，高温时段维持时间长，其升温过程滞后于近地表气温。

2.3 晴天水平风速特征

图 4给出了塔克拉玛干沙漠2010年8和10月6个晴天边界层风场随时间和高度的变化图。可以看出，除10月7日为西南风和西风控制外，其他晴天3000 m高空以下主要受东风和东北风控制，水平风速较弱，最大风速不超过25.0 m·s^-1，平均约在2.0~6.0 m·s^-1范围变化。需要说明的是，沙漠地区气候极端干燥，大气水汽含量少，风廓线雷达在晴天探测时某些高度层出现缺测，但该设备对晴天边界层水平风速的总体探测效果是准确和良好的。

图 5给出6个晴天对应的地面风速和风向的变化曲线，从风速曲线图(图 5a和5b)可以看出，沙漠晴天夜间风速很弱，约在0~3.0 m·s^-1范围变化，白天风速增大，其值约在3.0~7.0 m·s^-1范围波动，风速变化趋势与地面气温以及大气折射率结构常数有较好的对应关系，地面及边界层大气温度较高的时段，对应着大气折射率结构常数和地面风速的大值时段。分析认为，沙漠晴天日出后，太阳辐射增强，近地表受热，湍流开始发展，地面气温首先升高，使得地面风速增大，湍流对雷达电磁波后向散射相应增强，大气折射率结构常数也就随之变大。从地面风向曲线图看出，除10月7日风向主体表现为西南风和西风外，其他晴天风向主要受东风和东北风控制，这与风廓线雷达探测到的边界层大气风场结果相吻合。以上分析表明：风廓线雷达对沙漠边界层大气风场的探测结果与地面风速、风向一致，沙漠晴天主要受东风和东北风控制，风速较小，平均约在2.0~6.0 m·s^-1范围变化。

2.4 晴天垂直速度特征

图 6给出了CFL-03风廓线雷达对沙漠塔中站4个晴天大气垂直速度的探测结果。根据静力平衡理论，中纬度大气在铅直方向近似满足静力平衡关系，垂直运动很弱。从图 6可以看出，风廓线雷达对大气垂直速度的探测结果符合静力平衡理论，垂直速度较小，主要在-1.0~1.0 m·s^-1范围波动。值得注意的是，4个晴天14:00－20:00在1000~3000 m高度都有一个较强的下沉速度回波区，分析认为，塔中作业区(塔中气象站位于塔中石油作业区内)经过10多年的建设发展，方圆3~5 km的下垫面已被种植沙生灌木植物，12:00以后，周边纯流沙下垫面受热程度会快于作业区，进而率先产生热对流运动，空气上升，由于大气的连续性，必然伴随周围空气的下沉，以填补流沙区上升运动损失的空气，因此，作业区高空大气表现为下沉，产生正的垂直速度回波区(CFL-03风廓线雷达定义向上运动为负，向下运动为正)，这一现象也充分说明沙漠地区午后进入热对流活动的旺盛期，在上升气流的周围一般伴有下沉气流。

3 结论

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年8和10月边界层风廓线雷达资料，分析了沙漠晴空湍流、大气虚温、水平风速风向和垂直速度的变化特征，可以初步得到以下几点结论：

(1) 风廓线雷达探测到的大气折射率结构常数(C_n²)能较好地反映和表征沙漠晴空湍流对电磁波的后向散射能力，可以详细刻画湍流发展旺盛区域的高度、强度及其演变特征；沙漠夏季8月晴空湍流发展剧烈，旺盛区域高度可达4000 m左右，10月约在3000 m以下。

(2) RASS系统对沙漠边界层大气温度的探测具有较好的可信度，其近地边界层大气温度符合一般的日变化规律，昼夜温差显著，白天高温维持时间长，其升温过程相对滞后于近地表气温。

(3) 风廓线雷达对大气风场的探测结果与地面风速风向一致，沙漠晴天主要受东风和东北风控制，风速较小，平均约在2.0~6.0 m·s^-1范围变化。

(4) 沙漠晴天大气垂直速度变化基本符合静力平衡关系，铅直方向运动很弱，一般在-1.0~1.0 m·s^-1范围波动。