胡樹(shù)貞 王志成,2 張雪芬 陶 法 丁虹鑫 李翠娜

1 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081 2 成都信息工程大學(xué)，成都 610200 3 成都遠(yuǎn)望探測(cè)技術(shù)有限公司，成都 610299

提 要：利用Ka波段掃描式毫米波雷達(dá)和自動(dòng)氣象站資料，在福建平潭沿海開(kāi)展海霧遙感觀測(cè)試驗(yàn)。對(duì)2020年5月至2021年3月試驗(yàn)期間發(fā)生的6次海霧過(guò)程進(jìn)行特征分析，并基于毫米波雷達(dá)開(kāi)展了霧區(qū)能見(jiàn)度反演。結(jié)果表明：毫米波雷達(dá)可以有效探測(cè)海霧的水平分布和垂直結(jié)構(gòu)，可用于監(jiān)測(cè)海霧的生消演變;在海霧發(fā)展旺盛階段，毫米波雷達(dá)反射率因子顯示從霧層頂部延伸到地表的絲縷狀強(qiáng)回波結(jié)構(gòu);海霧的雷達(dá)反射率因子與前向散射能見(jiàn)度呈負(fù)相關(guān)，但針對(duì)每個(gè)海霧過(guò)程，二者之間并不遵循明確的通用方程;海霧的雷達(dá)反射率因子集中在-30～-10 dBz，頻率直方圖符合正態(tài)分布，霧區(qū)回波整體上表現(xiàn)為均勻特征，在霧的生成階段和消散階段反射率因子動(dòng)態(tài)范圍大，但在持續(xù)階段動(dòng)態(tài)范圍小;毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度與前向散射能見(jiàn)度具有較為一致的波動(dòng)起伏，能夠反映霧區(qū)能見(jiàn)度變化，但不同的海霧過(guò)程呈現(xiàn)出不同的差異。

引 言

海霧發(fā)生時(shí)使得海上及沿海地區(qū)大氣的水平和垂直能見(jiàn)度迅速降低，是造成海難事故的主要因素之一，對(duì)從事海上生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)人員的威脅很大(黃彬等,2014)。傳統(tǒng)以自動(dòng)氣象站為主要手段開(kāi)展海霧觀測(cè)，受地理?xiàng)l件和設(shè)備性能等方面限制，無(wú)法在海面上大范圍布設(shè)，且單點(diǎn)觀測(cè)設(shè)備取樣空間小，對(duì)于分布廣、空間差異大、生消快的海霧觀測(cè)存在較大的不確定性，無(wú)法準(zhǔn)確獲取大面積海霧的發(fā)展過(guò)程及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者嘗試?yán)眯l(wèi)星遙感資料，綜合運(yùn)用光譜分析法、結(jié)構(gòu)分析法等技術(shù)，分析衛(wèi)星各通道光譜特性，提取海霧在遙感資料中所反映出的特征差異，進(jìn)而進(jìn)行海霧監(jiān)測(cè)及應(yīng)用，取得了比較好的應(yīng)用效果(吳曉京等,2005；肖艷芳等,2017；盧乃錳等，2017；張春桂和林炳青，2018；王清平等，2021；張偉等，2021)。但衛(wèi)星監(jiān)測(cè)海霧面臨以下問(wèn)題：一是受上層云系干擾，不能全天候?qū)崟r(shí)觀測(cè)，影響了其效益發(fā)揮；二是受時(shí)空分辨率限制，只能對(duì)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)并具有一定覆蓋范圍的海霧進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，但針對(duì)不易被衛(wèi)星捕捉的突發(fā)性和局地性海霧天氣的服務(wù)需求更為迫切。

隨著地基遙感觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，借鑒氣象雷達(dá)在云和降水監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用(楊磊等,2019；楊通曉和岳彩軍，2019；胡樹(shù)貞等,2020)，專家學(xué)者希望用波長(zhǎng)相對(duì)較短的毫米波雷達(dá)開(kāi)展海霧觀測(cè)。相對(duì)于厘米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)的波長(zhǎng)短，對(duì)云霧粒子靈敏度更高，且具有較強(qiáng)的穿透能力，使其用于監(jiān)測(cè)海霧成為可能。Gultepe et al(2009)通過(guò)模擬仿真建立了大氣能見(jiàn)度與毫米波雷達(dá)觀測(cè)之間的物理模型，并在隨后的觀測(cè)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證；Hamazu et al(2003)利用磁控管技術(shù)體制設(shè)計(jì)和組裝了一套發(fā)射功率達(dá)100 kW的35 GHz掃描式多普勒雷達(dá)，成功觀測(cè)到了海霧的反射率和速度的三維結(jié)構(gòu)，證實(shí)海霧反射率存在非均勻結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了成因分析；Boers et al(2013)分析了輻射霧中地面能見(jiàn)度與毫米波雷達(dá)反射率之間的關(guān)系，并用掃描遷移率粒徑譜儀(SMPS)開(kāi)發(fā)了一套液滴活化模型，用于分析霧滴光譜特性，指出霧中的化學(xué)成分對(duì)能見(jiàn)度和雷達(dá)反射率之間的關(guān)系有重要影響；Uematsu et al(2005)利用毫米波雷達(dá)對(duì)海霧的空間分布、強(qiáng)度和生消特征進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)回波中呈現(xiàn)出的胞狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析。國(guó)內(nèi)也有專家學(xué)者嘗試開(kāi)展了基于毫米波雷達(dá)的海霧觀測(cè)試驗(yàn)，劉光普等(2019)分析了毫米波雷達(dá)反射率因子與能見(jiàn)度之間的關(guān)系，指出二者之間更符合指數(shù)關(guān)系；岑炬輝等(2021)利用毫米波雷達(dá)對(duì)降水-霧過(guò)程進(jìn)行了特征分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式較好地模擬了一個(gè)過(guò)程中雷達(dá)反射率因子與地面能見(jiàn)度之間的關(guān)系；胡利軍等(2021)和張晶晶等(2020)，利用33.44 GHz全固態(tài)毫米波雷達(dá)在寧波沿海港口開(kāi)展了海霧探測(cè)，并開(kāi)展了非降水海霧過(guò)程和降水海霧過(guò)程特征分析，取得了較好的觀測(cè)效果。

本文利用Ka波段掃描式毫米波雷達(dá)和自動(dòng)氣象站觀測(cè)資料，在福建沿海連續(xù)開(kāi)展海霧遙感觀測(cè)試驗(yàn)，成功觀測(cè)到多個(gè)海霧過(guò)程，對(duì)海霧過(guò)程中毫米波雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期獲得海霧回波的變化特征，并嘗試開(kāi)展了基于毫米波雷達(dá)的霧區(qū)能見(jiàn)度反演。

1 基本理論與試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 基本理論

氣象學(xué)和環(huán)境學(xué)領(lǐng)域，將懸浮有大量固液態(tài)微粒的大氣稱為氣溶膠大氣，氣溶膠能夠吸收和散射光輻射，會(huì)造成光輻射在原傳輸方向上衰減，顯著降低大氣能見(jiàn)度。通常情況下，氣溶膠散射系數(shù)可寫成以下形式：

(1)

式中：α為立體散射系數(shù)；rmin和rmax分別為氣溶膠微粒最小和最大半徑；K(r)為散射效率因子；N(r)為半徑為r的微粒密度計(jì)數(shù)。

雷達(dá)將單位體積內(nèi)云、雨、霧等水凝物粒子直徑六次方的總和定義為氣象目標(biāo)的回波強(qiáng)度，當(dāng)毫米波雷達(dá)平掃只用于低層霧的觀測(cè)時(shí)，則雷達(dá)回波強(qiáng)度反映的全部是霧滴譜的信息，公式如下：

(2)

式中：Z為雷達(dá)回波強(qiáng)度；Dmin和Dmax分別為霧滴最小和最大直徑；N(D)為直徑為D的霧滴密度計(jì)數(shù)。

當(dāng)霧發(fā)生時(shí)，霧滴是最主要的氣溶膠微粒。從式(1)和式(2)可以看出，霧滴譜的濃度和大小直接影響能見(jiàn)度與雷達(dá)回波強(qiáng)度大小。

1.2 觀測(cè)試驗(yàn)

從2020年5月開(kāi)始，中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心在福建平潭海洋氣象觀測(cè)試驗(yàn)基地(以下簡(jiǎn)稱海洋基地)安裝1套掃描式毫米波雷達(dá)，結(jié)合周邊區(qū)域自動(dòng)氣象觀測(cè)站，開(kāi)展海霧遙感觀測(cè)試驗(yàn)。其中，掃描式毫米波雷達(dá)采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)，利用脈沖壓縮、多普勒和雙偏振技術(shù)，以及機(jī)械掃描方式，實(shí)現(xiàn)俯仰-2°～180°、方位0°～360°立體掃描，利用水凝物對(duì)電磁波的散射作用，獲取云、雨和霧等氣象目標(biāo)物的回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬以及空間位置信息，毫米波雷達(dá)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 毫米波雷達(dá)主要系統(tǒng)參數(shù)

毫米波雷達(dá)采用寬、中、窄脈沖交替發(fā)射技術(shù)體制，有效解決了距離分辨率和近距離盲區(qū)等問(wèn)題。其中，窄脈沖為1 μs，實(shí)現(xiàn)0.15～1.00 km范圍探測(cè)；中脈寬為5 μs，實(shí)現(xiàn)1.0～3.9 km范圍探測(cè)；寬脈沖為20 μs，實(shí)現(xiàn)3.9 km以外距離處的回波探測(cè)。圖1為利用2021年3月觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的毫米波雷達(dá)在不同距離處探測(cè)能力，可見(jiàn)在窄脈沖工作模式時(shí)，該雷達(dá)在1 km處可探測(cè)最小反射率因子達(dá)到-50 dBz，在中、寬脈沖工作模式時(shí)，1～10 km范圍內(nèi)雷達(dá)可探測(cè)最小反射率因子≤-30 dBz，該雷達(dá)的探測(cè)性能滿足對(duì)海霧的探測(cè)需求。

圖1 利用2021年3月觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的毫米波雷達(dá)不同距離處探測(cè)能力

毫米波雷達(dá)采用平面位置顯示(PPI)和距離高度顯示(RHI)兩種掃描方式，每個(gè)周期包括1個(gè)方位RHI和2個(gè)仰角PPI掃描，根據(jù)不同參數(shù)設(shè)置整個(gè)掃描周期約8～12 min。其中，PPI以0.5°、1°或1.5°中的任意2個(gè)或全部仰角進(jìn)行方位0°～360°掃描；RHI掃描的方位角為120°，仰角為-2°～15°，可實(shí)現(xiàn)海平面到霧頂全程觀測(cè)。由于毫米波雷達(dá)安裝場(chǎng)平地海拔高度為23.5 m，掃描過(guò)程受地物遮擋嚴(yán)重，本試驗(yàn)中可用的PPI掃描方位角為20°～230°，該區(qū)域絕大部分為海面，以PPI按照1°仰角掃描為例，考慮雷達(dá)波束寬度和安裝海拔高度，距離雷達(dá)1 km 處探測(cè)回波距海平面最低高度約為40 m，5 km 處高度為93 m，10 km處高度為163 m，均在絕大多數(shù)海霧的發(fā)展高度以下。在毫米波雷達(dá)掃描范圍內(nèi)共有4個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站安裝有前向散射(以下簡(jiǎn)稱前散)能見(jiàn)度儀，按照距離由近到遠(yuǎn)分別為海洋基地、流水碼頭、海峽號(hào)碼頭和澳底村站。其中，海洋基地站的毫米波雷達(dá)與前散能見(jiàn)度儀為同址觀測(cè)。毫米波雷達(dá)有效掃描區(qū)域和前散能見(jiàn)度儀分布位置如圖2所示。

圖2 毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域內(nèi)能見(jiàn)度站分布

1.3 數(shù)據(jù)資料

觀測(cè)試驗(yàn)期間，毫米波雷達(dá)共觀測(cè)到6次較為典型的海霧過(guò)程。其中，2次過(guò)程為霧轉(zhuǎn)雨過(guò)程，其余為純霧過(guò)程，具體過(guò)程簡(jiǎn)介見(jiàn)表2所示。表中所列自動(dòng)站要素均為海洋基地站觀測(cè)數(shù)據(jù)。按照地面觀測(cè)規(guī)范對(duì)霧的等級(jí)劃分，6個(gè)個(gè)例過(guò)程以輕霧為主，中間夾雜霧和大霧天氣過(guò)程，觀測(cè)個(gè)例過(guò)程能夠代表福建東部沿海地區(qū)的海霧特征。

表2 試驗(yàn)期間海霧觀測(cè)個(gè)例

需要說(shuō)明的是，本文所用毫米波雷達(dá)PPI掃描數(shù)據(jù)以1°仰角為主，當(dāng)沒(méi)有1°仰角數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先選用0.5°仰角數(shù)據(jù)。4個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)頻次為5 min·次-1。

2 毫米波雷達(dá)海霧回波特征分析

2.1 個(gè)例分析

選取表2中個(gè)例3和個(gè)例4過(guò)程進(jìn)行分析，圖3 為毫米波雷達(dá)掃描區(qū)域內(nèi)4個(gè)自動(dòng)氣象站對(duì)應(yīng)觀測(cè)的上述兩個(gè)個(gè)例過(guò)程前散能見(jiàn)度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)曲線。從圖中可以看出，在兩個(gè)個(gè)例過(guò)程期間，所有站點(diǎn)前散能見(jiàn)度下降的同時(shí)均伴隨著相對(duì)濕度的上升，最低能見(jiàn)度均在3 km以下，相對(duì)濕度維持在95%以上。與內(nèi)陸輻射霧不同的是，兩個(gè)過(guò)程期間海洋基地站地面平均風(fēng)速分別為4.8 m·s-1和8.4 m·s-1，符合典型的海霧天氣特征。兩個(gè)過(guò)程相比，個(gè)例3過(guò)程前散能見(jiàn)度較低，各站前散能見(jiàn)度除在霧生成階段快速降低外，其余時(shí)間段內(nèi)起伏較緩慢，而個(gè)例4過(guò)程各站的前散能見(jiàn)度從凌晨開(kāi)始急劇下降，且在整個(gè)過(guò)程期間存在較大起伏，但整體維持在5 km以內(nèi)，在05:00之后前散能見(jiàn)度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，海霧過(guò)程結(jié)束。

圖3 (a)個(gè)例3和(b)個(gè)例4過(guò)程各觀測(cè)站前散能見(jiàn)度和相對(duì)濕度曲線

為分析海霧過(guò)程期間毫米波雷達(dá)回波特征，圖4和圖5分別為兩個(gè)過(guò)程期間毫米波雷達(dá)每隔一段時(shí)間獲取的PPI和RHI掃描反射率因子分布。針對(duì)個(gè)例3過(guò)程，從圖4的PPI掃描回波可以看出，毫米波雷達(dá)能夠觀測(cè)到大面積的海霧回波，最遠(yuǎn)回波距離達(dá)13 km，在前期霧區(qū)回波較為均勻，沒(méi)有明顯紋理特征，而在20:00之后回波面積增大的同時(shí)，回波出現(xiàn)明顯的不均勻波狀特征。在垂直方向上，霧頂高度在300 m左右，最高時(shí)段可達(dá)400 m。對(duì)圖5所示的個(gè)例4過(guò)程進(jìn)行分析，00:15毫米波雷達(dá)在東部海面上開(kāi)始觀測(cè)到較為連片的弱回波信號(hào)，隨后回波逐漸增強(qiáng)，面積同步增大，最遠(yuǎn)處回波距離可達(dá)10 km以上。在回波強(qiáng)度上此次海霧回波強(qiáng)度分布不均勻，有明顯的波狀結(jié)構(gòu)，與前散能見(jiàn)度波動(dòng)起伏相對(duì)應(yīng)；在垂直方向上，霧頂高度呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，霧頂高度升高的同時(shí)伴隨著回波面積增大，整個(gè)過(guò)程期間霧頂高度在300 m左右。兩個(gè)過(guò)程結(jié)合分析，在毫米波雷達(dá)PPI掃描反射率因子較強(qiáng)區(qū)域，在RHI掃描上表現(xiàn)為回波從高到低呈現(xiàn)明顯的絲縷狀回波，這可能與霧滴碰并增大下沉過(guò)程有關(guān)。對(duì)于垂直剖面上出現(xiàn)的絲縷狀回波特征，Uematsu et al(2005)在對(duì)兩次海霧過(guò)程分析時(shí)，認(rèn)為是海霧旺盛階段空氣中存在細(xì)雨滴。另外，RHI掃描回波在海霧邊緣處迅速消失，符合海霧輪廓清晰的特征。毫米波雷達(dá)所測(cè)徑向速度顯示(圖略)，海霧移動(dòng)方向與地面自動(dòng)站所測(cè)風(fēng)向一致，且在整個(gè)海霧過(guò)程期間未發(fā)生明顯特征變化。

為了進(jìn)一步分析毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以毫米波雷達(dá)安裝點(diǎn)為中心，PPI掃描60°～120°夾角，0.3～1 km探測(cè)距離范圍內(nèi)所有的反射率因子取均值，與海洋基地站對(duì)應(yīng)時(shí)刻前散能見(jiàn)度做相關(guān)性分析。圖6為上述兩個(gè)過(guò)程反射率因子均值與前散能見(jiàn)度隨時(shí)間變化曲線，圖7為二者之間相關(guān)性分析。需要說(shuō)明的是：①前散能見(jiàn)度為單點(diǎn)原位測(cè)量，而對(duì)應(yīng)的毫米波雷達(dá)反射率因子為一定區(qū)域面上的均值，因此圖6和圖7中二者數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定時(shí)間周期滑動(dòng)平均處理；②由于二者觀測(cè)頻次不同，本文在數(shù)據(jù)處理時(shí)以毫米波雷達(dá)開(kāi)始掃描時(shí)刻為基準(zhǔn)，查找與該時(shí)刻最為接近的前散能見(jiàn)度觀測(cè)數(shù)據(jù)與之匹配；③為便于分析，定義毫米波雷達(dá)反射率因子開(kāi)始系統(tǒng)性上升到前散能見(jiàn)度達(dá)到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的低值區(qū)間為霧生成過(guò)程，毫米波雷達(dá)反射率因子開(kāi)始系統(tǒng)性降低至回波消失區(qū)間為霧消散過(guò)程，生成和消散過(guò)程的中間時(shí)段為霧持續(xù)過(guò)程。

從圖6中可知，毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，特別是在霧的生成和消散階段，隨著前散能見(jiàn)度的降低，反射率因子呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，反之亦然。毫米波雷達(dá)反射率因子可以反映出回波區(qū)域能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)。另外，通過(guò)對(duì)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)一步分析，毫米波雷達(dá)反射率因子的變化趨勢(shì)滯后于前散能見(jiàn)度，表現(xiàn)在海霧生成過(guò)程中前散能見(jiàn)度下降到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的低值后，毫米波雷達(dá)反射率因子并沒(méi)有達(dá)到平穩(wěn)，而是表現(xiàn)為繼續(xù)上升，特別是個(gè)例3的整個(gè)過(guò)程滯后了約40 min。從圖7中可知，毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度在霧的生成和消散階段呈現(xiàn)較好的指數(shù)分布，但每個(gè)過(guò)程的方程參數(shù)有較大差別。而對(duì)于持續(xù)過(guò)程，反射率因子與前散能見(jiàn)度關(guān)系不明確，因此沒(méi)有進(jìn)行進(jìn)一步的分析。特別指出的是，Boers et al(2013)在一個(gè)輻射霧過(guò)程的生成和消散階段同樣也觀測(cè)到了地面能見(jiàn)度與反射率因子之間呈現(xiàn)出不同的函數(shù)關(guān)系。較為合理的解釋為，根據(jù)前散能見(jiàn)度儀觀測(cè)原理，前散能見(jiàn)度儀對(duì)于霧滴譜的數(shù)濃度敏感，而通過(guò)雷達(dá)方程可知，毫米波雷達(dá)對(duì)霧滴譜直徑更為敏感，其回波強(qiáng)度與滴譜粒子直徑的六次方成正比。在霧生成階段，特別是風(fēng)速較大的海霧過(guò)程，較小的霧滴譜粒子由于重量輕，移動(dòng)速度快，較先到達(dá)觀測(cè)區(qū)域，被前散能見(jiàn)度儀所感知，隨著霧滴譜數(shù)濃度增大，滴譜內(nèi)部的碰并過(guò)程增強(qiáng)，使得霧滴譜粒子直徑增大，毫米波雷達(dá)反射率因子上升。

圖6 (a)個(gè)例3和(b)個(gè)例4過(guò)程毫米波雷達(dá)反射率因子均值與前散能見(jiàn)度對(duì)應(yīng)曲線

圖7 (a)個(gè)例3和(b)個(gè)例4過(guò)程毫米波雷達(dá)反射率因子均值與前散能見(jiàn)度相關(guān)性分析

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

為分析毫米波雷達(dá)海霧回波的普遍特征，對(duì)表2 中所列每個(gè)個(gè)例在整個(gè)海霧過(guò)程期間，所有時(shí)次PPI掃描范圍內(nèi)回波反射率因子進(jìn)行頻率直方圖統(tǒng)計(jì)分析(圖8)，常用統(tǒng)計(jì)量見(jiàn)表3。由圖8和表3 可知，毫米波雷達(dá)海霧回波的反射率因子符合正態(tài)分布，眾數(shù)及中位數(shù)二者接近，海霧回波反射率因子主要集中在-30～-10 dBz，所有個(gè)例的第25%分位數(shù)與第75%分位數(shù)間隔僅為5 dBz左右，說(shuō)明霧區(qū)回波整體上表現(xiàn)為均勻特征，同時(shí)也說(shuō)明在海霧持續(xù)階段毫米波雷達(dá)反射率因子存在動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小的問(wèn)題，這會(huì)給后續(xù)霧區(qū)能見(jiàn)度反演造成困難。另外，觀察個(gè)例3和個(gè)例6頻率直方圖的右側(cè)下降段，反射率因子存在緩慢下降甚至凸起現(xiàn)象，結(jié)合上節(jié)對(duì)個(gè)例3過(guò)程的特例分析，該部分回波為霧區(qū)絲縷狀結(jié)構(gòu)的高值區(qū)，一般發(fā)生在海霧濃度較大過(guò)程的中后期。所有海霧過(guò)程在-35 dBz以下均存在一個(gè)小的回波凸起，經(jīng)查驗(yàn)分析為雷達(dá)觀測(cè)的無(wú)效回波。

表3 毫米波雷達(dá)反射率因子頻率直方圖常用統(tǒng)計(jì)量分析

圖8 個(gè)例1～6過(guò)程毫米波雷達(dá)反射率因子頻率直方圖特征

對(duì)表2中所列全部個(gè)例過(guò)程進(jìn)行毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度相關(guān)性分析(圖9)。圖9a 為按照上節(jié)提到的反射率因子均值取值方法得到的所有過(guò)程期間反射率因子與前散能見(jiàn)度散點(diǎn)圖，可知隨著前散能見(jiàn)度降低，反射率因子有增大的趨勢(shì)，但整體上較為離散。圖9b為每個(gè)海霧個(gè)例過(guò)程中的生成過(guò)程和消散過(guò)程的反射率因子單獨(dú)提取后與前散能見(jiàn)度的散點(diǎn)圖及擬合方程，所有個(gè)例過(guò)程共有6個(gè)生成過(guò)程，4個(gè)消散過(guò)程(個(gè)例2和個(gè)例5無(wú)消散過(guò)程)。通過(guò)圖9b可知，每個(gè)個(gè)例過(guò)程的生成過(guò)程和消散過(guò)程與前散能見(jiàn)度之間的相關(guān)趨勢(shì)明顯，但彼此每個(gè)過(guò)程存在較大差異，整體擬合呈現(xiàn)指數(shù)分布。

圖9 個(gè)例過(guò)程毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度散點(diǎn)分布

對(duì)圖8和圖9進(jìn)行綜合分析，在海霧的生成階段和消散階段毫米波雷達(dá)反射率因子動(dòng)態(tài)范圍較大，而在持續(xù)階段前散能見(jiàn)度變化較為敏感，此時(shí)毫米波雷達(dá)反射率因子變化范圍有限?？山忉尀?，在海霧的生成階段，霧滴譜的數(shù)濃度和粒子半徑均為單調(diào)增加，使得能見(jiàn)度降低的同時(shí)毫米波雷達(dá)有效反射率因子由無(wú)到有迅速增強(qiáng)，而在消散階段由于蒸發(fā)和風(fēng)力作用，海霧開(kāi)始消散，此時(shí)霧滴譜的數(shù)濃度和粒子半徑呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)，能見(jiàn)度升高的同時(shí)，毫米波雷達(dá)回波強(qiáng)度降低直至消失，相關(guān)解釋后續(xù)還需借助霧滴譜儀進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證(張舒婷等，2013)。

3 毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度

通過(guò)上述對(duì)毫米波雷達(dá)海霧回波特征分析，毫米波雷達(dá)可以觀測(cè)到掃描區(qū)域海霧的水平分布和垂直結(jié)構(gòu)，反射率因子在一定程度上反映了霧區(qū)能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)。為了進(jìn)一步量化毫米波雷達(dá)對(duì)霧區(qū)能見(jiàn)度的反演能力，利用圖9中反射率因子與前散能見(jiàn)度之間的擬合方程，對(duì)表2所列個(gè)例過(guò)程進(jìn)行能見(jiàn)度反演，結(jié)果見(jiàn)圖10所示。

對(duì)圖10進(jìn)行分析，首先，毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)前散能見(jiàn)度具有較為一致的波動(dòng)起伏，毫米波雷達(dá)反射率因子能夠感知霧區(qū)能見(jiàn)度變化。個(gè)例4和個(gè)例5過(guò)程反演能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致，其余過(guò)程毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)前散能見(jiàn)度具有一定的差異，表現(xiàn)為個(gè)例1至個(gè)例3的部分時(shí)段反演能見(jiàn)度高于實(shí)測(cè)能見(jiàn)度，而其余時(shí)段正好相反，說(shuō)明海霧的生成和消散過(guò)程反射率因子與能見(jiàn)度之間具有異質(zhì)性。對(duì)于個(gè)例6所代表的輻射霧，反演結(jié)果與實(shí)測(cè)之間差異明顯，上述擬合方程明顯不適用于該個(gè)例，根據(jù)已有研究，輻射霧的霧滴譜直徑更小，而毫米波雷達(dá)相比霧滴譜的數(shù)濃度，對(duì)粒子半徑更為敏感，導(dǎo)致毫米波雷達(dá)反射率因子值較小，反演能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)前散能見(jiàn)度存在較大偏差。

圖10 個(gè)例1～6過(guò)程毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度與前散能見(jiàn)度折線圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)毫米波雷達(dá)海霧回波特征及反演能見(jiàn)度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)毫米波雷達(dá)通過(guò)周期性PPI掃描和RHI掃描，可以獲得海霧的水平分布和垂直結(jié)構(gòu)信息，能夠觀測(cè)到海霧的生消演變過(guò)程，為海霧發(fā)生區(qū)域的能見(jiàn)度反演提供了條件。

(2)在垂直方向上，在海霧發(fā)展旺盛階段毫米波雷達(dá)反射率因子顯示從霧層頂部延伸到地表的絲縷狀強(qiáng)回波結(jié)構(gòu)。

(3)海霧發(fā)生時(shí)，毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，特別是在海霧的生成和消散階段。但針對(duì)每個(gè)海霧過(guò)程，前散能見(jiàn)度與毫米波雷達(dá)反射率因子之間并不遵循明確的通用方程。

(4)當(dāng)毫米波雷達(dá)進(jìn)行PPI低仰角掃描時(shí)，海霧回波的反射率因子符合正態(tài)分布，主要集中在-30～-10 dBz，所有海霧過(guò)程的第25%分位數(shù)至第75%分位數(shù)間隔僅有5 dBz左右，說(shuō)明霧區(qū)回波整體上表現(xiàn)為均勻特征，在海霧的生成階段和消散階段毫米波雷達(dá)反射率因子動(dòng)態(tài)范圍較大，而持續(xù)階段毫米波雷達(dá)反射率因子動(dòng)態(tài)范圍較窄，不利于霧區(qū)能見(jiàn)度反演。

(5)利用海霧生成過(guò)程和消散過(guò)程期間毫米波雷達(dá)反射率因子與前散能見(jiàn)度數(shù)據(jù)擬合，開(kāi)展毫米波雷達(dá)霧區(qū)能見(jiàn)度反演，結(jié)果表明毫米波雷達(dá)反演能見(jiàn)度與實(shí)測(cè)前散能見(jiàn)度具有較為一致的波動(dòng)起伏，能夠反映霧區(qū)能見(jiàn)度變化特征，但不同的海霧過(guò)程表現(xiàn)出不同的差異，差異產(chǎn)生的原因需要進(jìn)一步分析。