利用风廓线雷达对塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴的探测研究

Quantitative monitoring and precise forecasting of sandstorm is the urgent need of disaster prevention and the protection of the ecological environment in China.Around the dust storm quantitative remote sensing inversion,we carry out atmospheric scientific experiment on the detection of dust storm using a wind-profiling radar in the hinterland of the Taklimakan Desert.This project analyzes the characteristics of the horizontal wind field and vertical velocity of a breaking dust storm weather in a desert hinterland, calculates and gives the radar equivalent echo intensity and vertical distribution of dust storm, establish the sandstorms Z=AM empirical formula, and realize the quantitative inversion of the sandstorms of the mass concentration at height using a radar wind profiler,to provide new technical means and scientific basis for effectively quantitative monitoring of dust storm.

沙尘暴的定量监测和准确预报是我国防灾减灾、生态环境保护的迫切需求。项目围绕沙尘暴遥感监测和质量浓度定量反演问题，以塔克拉玛干沙漠腹地为试验区，开展风廓线雷达探测沙尘暴的试验研究。首先，利用高分辩率的风廓线资料、大气虚温资料，结合系留汽艇探空和80气象塔观测资料，研究典型沙尘暴爆发输送的精细大气动力、热力特征。其次，从风廓线雷达原始功率谱数据出发，采用谱分析方法，提取真实大气沙尘雷达返回信号，建立适用于沙尘探测的雷达气象方程，估算沙尘暴雷达等效反射率因子，提出基于反射率因子垂直剖面确定沙尘输送高度、垂直强度分布的监测方法。在此基础上，利用沙尘暴过程实测粒子谱资料，采用最小二乘法和单点校准法，建立适用于沙尘暴反射率因子与质量浓度的经验公式，再由风廓线雷达沙尘暴等效反射率因子值反算沙尘质量浓度，以此初步实现对沙尘质量浓度的定量估算，为今后有效实施沙尘暴监测和定量反演提供新的参考技术手段。

沙尘暴的准确定量监测和预报是我国防灾减灾、生态环境保护与可持续发展的迫切需求。本项目围绕沙尘暴监测和质量浓度定量反演问题，以塔克拉玛干沙漠腹地塔中为试验区，开展了风廓线雷达探测沙尘暴的科学试验，分析了沙尘暴期间的回波信号特征，计算了典型沙尘暴过程的雷达反射率因子（回波强度），提出了基于反射率因子垂直剖面确定沙尘输送高度、垂直强度分布的监测方法，并借助80 m气象塔实测沙尘粒子谱资料，定量反演了高空沙尘粒子数浓度和质量浓度，建立了适用于沙尘暴的 反演公式和系统，初步实现了利用风廓线雷达对沙尘暴质量浓度的定量探测反演估算。研究表明：（1）边界层风廓线雷达在沙尘暴环境进行探测时，湍流回波信号微弱，沙尘粒子群散射回波较强，沙尘信号往往淹没了大气湍流信号，雷达无法测得完整有效的水平风速风向，但可以得到沙尘暴的后向散射强度信息。（2）通过对沙尘暴过程回波强度信息的提取和计算，发现沙尘天气现象在雷达回波强度时间～高度图上有着清晰的印痕，可判识沙尘输送的高度和厚度，可反映沙尘的垂直强度分布。沙尘暴天气的雷达回波强度约在0～15dBZ范围变化。（3）利用风廓线雷达对沙尘暴过程的探测，可以得到其回波强度信息，但无法提取单个沙粒以及沙尘粒子群的多普勒速度信息。（4）建立反射率因子Z和沙尘质量浓度M的关系式：浮尘时为 ，扬沙时为 ，沙尘暴时 。（5）利用风廓线雷达对沙尘暴数浓度和质量浓度的探测反演结果与前人飞机探测结果基本一致，说明风廓线雷达定量探测沙尘浓度可行，可作为今后进行沙尘暴定量探测的一种新的参考技术手段。