風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

曾瑾瑜 汪學(xué)淵 潘 寧

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風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

曾瑾瑜1汪學(xué)淵2潘 寧1

1. 福建省氣象臺 2.福建省大氣探測技術(shù)保障中心

簡要總結(jié)了近年來風(fēng)廓線雷達(dá)探測資料在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)的研究提升了風(fēng)場數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，拓展了風(fēng)場數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，但仍有改進(jìn)的空間。風(fēng)廓線雷達(dá)為實時監(jiān)測、分析天氣系統(tǒng)尤其是中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了可能，為提高日常的強(qiáng)對流和臺風(fēng)預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確率提供了技術(shù)支撐，同時也對福建省新型風(fēng)場資料在預(yù)報上的應(yīng)用起引領(lǐng)和示范作用。在今后的研究中應(yīng)結(jié)合其他觀測資料進(jìn)行綜合分析，開展不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制應(yīng)用。其資料直接或二次開發(fā)后應(yīng)用到天氣監(jiān)測、個例分析中，有利于加強(qiáng)預(yù)報員對中小尺度天氣系統(tǒng)物理機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識和理解，提高短時臨近預(yù)報水平。風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料用于數(shù)值模式資料同化中，亦能有效改進(jìn)模式效果，目前在福建省已開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，將在今后的批量觀測系統(tǒng)試驗中不斷完善。

風(fēng)廓線雷達(dá) 福建 質(zhì)量控制 組網(wǎng) 強(qiáng)對流 臺風(fēng) 資料同化

風(fēng)廓線雷達(dá)作為新一代高空探測遙感設(shè)備，可以做到無人值守來進(jìn)行連續(xù)的觀測，并且與常規(guī)的探測方法相比，風(fēng)廓線雷達(dá)所提供的探測資料具有種類多、分辨率高等特點。風(fēng)廓線雷達(dá)突出的探測方法和探測資料的特點決定了風(fēng)廓線雷達(dá)的廣泛用途，在氣象、軍事、航空、航天及全球變化研究等多個領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

我國對風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代，目前探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時空分辨率都有了較大提高?！段覈呖仗綔y系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1996—2010）》提出“逐步發(fā)展風(fēng)廓線雷達(dá)和GPS探測系統(tǒng)”，“在中尺度天氣監(jiān)測預(yù)報服務(wù)基地優(yōu)先布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)宜安插在常規(guī)探空測站之間或天氣變化的敏感區(qū)；風(fēng)廓線雷達(dá)站間距以200～250km為宜，建立風(fēng)廓線雷達(dá)探測網(wǎng)”。截至2016年年底，我國業(yè)務(wù)上投入使用的有83部風(fēng)廓線雷達(dá)，目前中國氣象局規(guī)劃到2025年將組建一個覆蓋我國全境的225部風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)[1]。

圖1 福建省氣象局現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)布局圖

未來3年，福建省的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)量將達(dá)到20部，為了使風(fēng)廓線雷達(dá)資料能夠更好地為預(yù)報服務(wù)，充分挖掘高時空分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用價值，福建省氣象局開展了風(fēng)廓線雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警應(yīng)用工作，取得了創(chuàng)新性的成果，項目成果的應(yīng)用將進(jìn)一步加強(qiáng)對災(zāi)害性天氣發(fā)生原因的科學(xué)認(rèn)識，提升災(zāi)害性天氣臨近預(yù)報預(yù)警技術(shù)，減少強(qiáng)對流和臺風(fēng)等災(zāi)害性天氣對福建省造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。通過近七年的研究應(yīng)用，風(fēng)廓線雷達(dá)資料已經(jīng)逐漸成為福建省氣象局預(yù)報員嚴(yán)密監(jiān)測天氣、做好短時臨近預(yù)報及天氣個例總結(jié)中必不可少的觀測資料之一。本文旨在系統(tǒng)性歸納和總結(jié)福建省氣象局近年來基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料所開展的相關(guān)業(yè)務(wù)研究和應(yīng)用情況，以期為風(fēng)廓線雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更好的參考和借鑒。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況

1.1 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)研究

風(fēng)廓線雷達(dá)容易受天氣環(huán)境變化的影響，導(dǎo)致風(fēng)場數(shù)據(jù)的可靠性不穩(wěn)定，如有降水出現(xiàn)時，受雨滴下降末速度的影響，風(fēng)廓線雷達(dá)不能直接得到大氣的真實風(fēng)在垂直方向上隨時間的演變；風(fēng)廓線雷達(dá)資料易受雷達(dá)附近的建筑物、樹木等地物，以及飛機(jī)、鳥類等飛行物體等因素的影響，應(yīng)用中有待從資料處理技術(shù)上加以完善和改進(jìn)。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是當(dāng)前風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用研究的熱點和難點，目前國內(nèi)對這方面開展的工作相對較少。

1.1.1風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性和一致性研究

前人工作從不同角度論證了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性和一致性，但僅局限于定性分析，對風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)探空雷達(dá)數(shù)據(jù)對比定量分析相對較少。汪學(xué)淵等[2]利用2012年2～5月在福建邵武探空站開展的風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)探空雷達(dá)對比觀測試驗，定量分析了風(fēng)廓線雷達(dá)探測期間的數(shù)據(jù)獲取率、風(fēng)廓線雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、風(fēng)廓線雷達(dá)和探空雷達(dá)數(shù)據(jù)的一致性。通過數(shù)據(jù)評估，確立了風(fēng)廓線雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好，但是降雨對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響比較大；風(fēng)廓線雷達(dá)與探空雷達(dá)總體數(shù)據(jù)一致性對比良好，說明風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測大氣風(fēng)場的有效性。為了使風(fēng)廓線雷達(dá)和探空雷達(dá)資料能夠更好地比對，對比試驗應(yīng)該選擇比較平穩(wěn)的天氣過程，這是風(fēng)廓線雷達(dá)需要改進(jìn)的地方。

上述試驗研究是在風(fēng)廓線雷達(dá)與探空站位于同一地點的前提條件下進(jìn)行的，主要目的是為了驗證風(fēng)廓線儀器自身的性能和比較不同探測方法的結(jié)果有何差異?，F(xiàn)階段更常見的情況是風(fēng)廓線雷達(dá)與探空站、多普勒雷達(dá)站位于不同的地點，在假設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)探測風(fēng)場有相當(dāng)可信度的前提下，有必要考察風(fēng)廓線雷達(dá)所代表風(fēng)場信息的范圍，來確定未來風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)的密度。為此，陳齊川[3]通過與探空數(shù)據(jù)、多普勒雷達(dá)反演風(fēng)場、近距離風(fēng)廓線雷達(dá)間的對比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)的一致性和代表性在不同的時間、不同降水系統(tǒng)，不同的時間間隔下是有區(qū)別的，距離越遠(yuǎn)，差異越大。時間間隔長時（時間分辨率低），前汛期期間風(fēng)廓線200km以內(nèi)一致性和代表性都較一致，其它時間200km和100km風(fēng)場就有明顯的差異。因此，在前汛期運(yùn)用現(xiàn)有的風(fēng)廓線雷達(dá)，結(jié)合探空、多普勒雷達(dá)反演的風(fēng)場來分析風(fēng)場的宏觀變化是足夠的。但對于分析局地的暴雨、強(qiáng)對流過程，甚至是普通穩(wěn)定性降水過程，雖然風(fēng)廓線雷達(dá)的時間分辨率高，但其細(xì)微變化只能反映其周圍有限距離內(nèi)風(fēng)場的變化規(guī)律，這主要是由于其時間分辨率遠(yuǎn)大于站點布設(shè)的空間分辨率。

1.1.2風(fēng)廓線雷達(dá)高低模式拼接技術(shù)和基于Gabor變換間歇性雜波抑制技術(shù)

數(shù)據(jù)獲取率和信噪比是反映風(fēng)廓線雷達(dá)探測性能的重要指標(biāo)。汪學(xué)淵等[4]開展風(fēng)廓線雷達(dá)高低模式拼接技術(shù)的研究，通過對2012 年全年的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，確定邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)低模和高模的最佳拼接高度以0.6km為宜，以改善風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量。而通過信噪比指標(biāo)的統(tǒng)計分析，總結(jié)出信噪比在有無降雨情況下不同的變化規(guī)律。在零度層的高度信噪比突然增大來判定零度層高度，對人影作業(yè)具有一定的參考價值。

對風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波是另一種提高風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的方式。國內(nèi)氣象部門在雜波抑制方面的工作很少，使得國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較低。范能柱在2013年福建省氣象局青年科技專項項目“風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及業(yè)務(wù)應(yīng)用”中利用現(xiàn)代信號處理方法(小波變換、Gabor變換、時頻分析等)來抑制風(fēng)廓線雷達(dá)間歇性雜波，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，Gabor變換在處理間歇性雜波抑制優(yōu)于其他信號處理方法，確立了Gabor變換在風(fēng)廓線雷達(dá)雜波抑制技術(shù)的應(yīng)用，提升了風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品的二次開發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用

1.2.1風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率反演及驗證技術(shù)研究

L波段風(fēng)廓線雷達(dá)不僅能測高空風(fēng)場，在降雨天氣下還能測雨，為了充分利用風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向上高分辨率觀測特性，獲取風(fēng)廓線雷達(dá)上空垂直降雨結(jié)構(gòu)，汪學(xué)淵等[5]開展了風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率二次產(chǎn)品的開發(fā)，推導(dǎo)了適用于風(fēng)廓線雷達(dá)的氣象雷達(dá)方程，調(diào)校了氣象雷達(dá)方程參數(shù)以適用于風(fēng)廓線雷達(dá)，在國內(nèi)首次開展了雨滴譜儀與風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率對比試驗，優(yōu)化了兩種不同探測設(shè)備對比的時空差異，驗證了風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和可靠性，廣泛應(yīng)用于降雨垂直結(jié)構(gòu)研究。

1.2.2組網(wǎng)風(fēng)廓線資料的二次開發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用

單部風(fēng)廓線雷達(dá)反演出來的直接產(chǎn)品如大氣風(fēng)場的垂直分布（圖2），對于中小尺度天氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識起著非常重要的作用，但單部風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測產(chǎn)品只能從一個點的垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)反映具有四維特征的天氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的演變特征，這顯然是不夠的。3部及以上的風(fēng)廓線雷達(dá)可以組成一個小型區(qū)域觀測網(wǎng)，通過組網(wǎng)資料能夠揭示大氣風(fēng)場的多層垂直結(jié)構(gòu)，了解天氣影響系統(tǒng)所在的高度和強(qiáng)度。

范能柱通過風(fēng)廓線雷達(dá)、天氣雷達(dá)和探空雷達(dá)風(fēng)場組網(wǎng)技術(shù)的研究，建立了多源觀測風(fēng)場資料組網(wǎng)應(yīng)用平臺。為了最大化綜合利用風(fēng)場資源，將全國風(fēng)廓線雷達(dá)處理成標(biāo)準(zhǔn)層（300、400、500、700、850、925hPa）風(fēng)場產(chǎn)品，同時可以與多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品和探空風(fēng)場信息組網(wǎng)顯示，可在福建省氣象業(yè)務(wù)平臺和Micaps預(yù)報軟件上供全省預(yù)報員查看（圖3），于2014年投入業(yè)務(wù)使用，廣泛應(yīng)用于福建天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中，為預(yù)報員應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品實時分析天氣提供很好的幫助。特別在廈門金磚會晤氣象預(yù)報服務(wù)中（圖4），該應(yīng)用平臺的使用為“瑪娃”臺風(fēng)和強(qiáng)對流天氣的預(yù)報預(yù)警服務(wù)提供了一定依據(jù)，發(fā)揮了重要作用。

圖2 風(fēng)廓線雷達(dá)顯示相互平臺

圖3 2017年9月30日850hPa風(fēng)廓線雷達(dá)、天氣雷達(dá)和探空風(fēng)場組網(wǎng)顯示

圖4 2017年9月3～5日金磚會晤期間廈門單站風(fēng)廓線和強(qiáng)對流預(yù)報時序圖

1.3 風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)對流和暴雨天氣預(yù)報預(yù)警中的應(yīng)用研究

風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品業(yè)務(wù)應(yīng)用最多的是風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)廓線資料，大氣水平風(fēng)場垂直廓線資料可以方便、直觀地指示高空槽和氣旋配合過境的情況，分析大氣冷暖平流、風(fēng)的垂直切變、中低空急流的強(qiáng)弱以及冷暖空氣交匯的空間結(jié)構(gòu)等，為天氣過程及環(huán)境場的精細(xì)分析提供了可行性。在福建省布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)站伊始，曾瑾瑜等[6]就利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對福建省永安一次強(qiáng)對流天氣進(jìn)行詳細(xì)分析，針對冰雹、雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水三類強(qiáng)對流天氣分別對應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場演變特征分析三種災(zāi)害性天氣形成的物理機(jī)制，由此總結(jié)出本類天氣的預(yù)報信息或臨近預(yù)警指標(biāo)，對強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報和預(yù)警具有比較實用的價值，為預(yù)報員應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)資料提供了有力的參考。張桂榮等[7]通過分析建甌2015年首個暴雨過程，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)資料能較好地監(jiān)測天氣系統(tǒng)的演變特別是低空急流的脈動，發(fā)現(xiàn)低空急流到達(dá)本站不一定立即引發(fā)強(qiáng)降水，低空急流的脈動與降水強(qiáng)度的變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。黃園園等[8]對福建省2015年7月19～24日大暴雨過程中低空急流與強(qiáng)降水的關(guān)系進(jìn)行了分析，不僅得出對流層存在的中尺度現(xiàn)象及低空急流的脈動與強(qiáng)降水發(fā)生過程在時間上的配合，而且通過對低空急流指數(shù)的定義，得出低空急流指數(shù)的增大與降水的增強(qiáng)有較好的對應(yīng)關(guān)系，且往往比降水的增強(qiáng)提前1～2h左右，可為短時強(qiáng)降水的預(yù)報提供參考。

風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直風(fēng)資料可反映出降水的開始、結(jié)束，而垂直速度大小隨高度的波動，以及波動發(fā)展的高度反映了大氣中垂直熱交換的程度，從而也是判斷對流發(fā)展強(qiáng)度的一個重要方法。在本省的研究中[6-7]，大于4m/s或小于-4m/s的垂直速度反映了降水天氣的開始和結(jié)束，可以認(rèn)為垂直速度的絕對值越大，降水越強(qiáng)。

由于強(qiáng)天氣時段常出現(xiàn)水平和垂直風(fēng)向風(fēng)速產(chǎn)品缺測，可借助于功率譜數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。曾瑾瑜等[6]研究表明，降水期間功率譜密度出現(xiàn)雙峰譜甚至多峰譜，而降雹時間段波束圖出現(xiàn)了速度模糊，證明強(qiáng)對流系統(tǒng)通過測站。功率譜數(shù)據(jù)對天氣發(fā)展趨勢提供可靠的指示作用。

目前風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省強(qiáng)對流和暴雨天氣中的應(yīng)用研究主要以個例分析為主，系統(tǒng)性的分析研究極少。沈永生[9]以風(fēng)廓線雷達(dá)資料為研究對象，結(jié)合常規(guī)天氣圖及自動站資料，對近幾年短時強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣個例進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，尋找不同天氣形勢下各類強(qiáng)對流天氣的風(fēng)廓線參數(shù)表現(xiàn)特征，歸納凝練了閩西北地區(qū)冰雹、大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等各類強(qiáng)對流天氣風(fēng)廓線特征指標(biāo)，建立概念模型。其研究成果在福建省強(qiáng)對流天氣預(yù)報服務(wù)中廣泛應(yīng)用，為強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報預(yù)警提供參考判據(jù)，特別是在廈門金磚會晤氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

表1 2011年10月～2014年3月三明市強(qiáng)對流天氣風(fēng)廓線雷達(dá)特征統(tǒng)計

1.4 風(fēng)廓線雷達(dá)資料對臺風(fēng)內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)觀測應(yīng)用研究

目前，國內(nèi)在利用風(fēng)廓線雷達(dá)在臺風(fēng)登陸點實時監(jiān)測臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究還比較少，福建省氣象局開展了多次臺風(fēng)登陸點風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)急觀測試驗，實時觀測數(shù)據(jù)分析揭示了臺風(fēng)內(nèi)部垂直風(fēng)場和降雨結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，確立了風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測臺風(fēng)垂直風(fēng)場結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1.4.1多產(chǎn)品、多角度、系統(tǒng)性地分析了臺風(fēng)登陸時風(fēng)場和降雨的垂直結(jié)構(gòu)

“蘇拉”臺風(fēng)影響福建期間，移動風(fēng)廓線雷達(dá)被拉到登陸點附近，獲得了“蘇拉”登陸前后的風(fēng)廓線資料。汪學(xué)淵等[10]根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)資料對臺風(fēng)登陸期間有效數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出臺風(fēng)登陸期間的有效探測高度為4.8km，登陸期間風(fēng)廓線雷達(dá)的探測能力明顯增強(qiáng)。利用風(fēng)廓線雷達(dá)提供的多種垂直探測資料，從信噪比、垂直速度、水平風(fēng)速等數(shù)據(jù)多種角度綜合分析了臺風(fēng)登陸風(fēng)場變化過程。結(jié)果表明，臺風(fēng)眼過境時，風(fēng)向由偏北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠巷L(fēng)，并且風(fēng)向變化是從高空向下傳導(dǎo)。對臺風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)的觀測，將對其發(fā)展演變和對其路徑、風(fēng)雨影響等預(yù)報提供強(qiáng)大支撐。

理想中的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)其上下層氣旋環(huán)流一般是垂直的，但實際上有相當(dāng)一部分臺風(fēng)中心垂方向軸線是傾斜的[11]，過去由于觀測設(shè)備的限制，容易被忽略。劉愛鳴等[12]通過風(fēng)廓線等相關(guān)資料分析，揭示了“蘇拉”臺風(fēng)登陸福建前垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生南傾的事實（圖5），并從分析臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)變化著手，研究這種特殊暴雨落區(qū)的成因；同時還分析了和“蘇拉”相似路徑臺風(fēng)的個例，給出登陸閩北浙南西行臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生南傾的環(huán)流特征，為今后這類臺風(fēng)暴雨的落區(qū)預(yù)報提供參考依據(jù)，提高臺風(fēng)暴雨的預(yù)報能力。在實際臺風(fēng)暴雨落區(qū)預(yù)報中，特別要加強(qiáng)臺風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化的分析，尤其是低空西南氣流不強(qiáng)時，對高空環(huán)流形勢、環(huán)境風(fēng)場資料、渦度場以及風(fēng)廓線雷達(dá)資料的分析，有助于判別臺風(fēng)渦旋中心垂直軸線是否向南傾斜。

圖5 2012年8月3日福建霞浦站上空風(fēng)場廓線演變

a——風(fēng)向風(fēng)速（m/s） b——8月3日7:30風(fēng)向方位

1.4.2通過多源觀測資料在臺風(fēng)登陸期間風(fēng)場變化的對比，確立了各種探測設(shè)備觀測風(fēng)速的一致性，以及風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測臺風(fēng)的優(yōu)越性

汪學(xué)淵等[13]通過多源觀測資料在超強(qiáng)臺風(fēng)“蘇力”登陸期間風(fēng)場變化的對比，確立了各種探測設(shè)備觀測風(fēng)速的一致性，以及風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測臺風(fēng)的優(yōu)越性。雷達(dá)在觀測臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)時，風(fēng)向轉(zhuǎn)變是由高空向地面?zhèn)鲗?dǎo)，預(yù)測了臺風(fēng)眼近似“C”型結(jié)構(gòu)，同時比其他探測設(shè)備能夠提前對臺風(fēng)風(fēng)向變化的預(yù)報預(yù)警。對于沿海一帶臺風(fēng)易登陸地帶，宜進(jìn)行加密布局以便更好地獲得臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和臺風(fēng)預(yù)警，為風(fēng)廓線雷達(dá)的建設(shè)提供參考。

1.4.3組網(wǎng)風(fēng)廓線資料對預(yù)報降水落區(qū)和強(qiáng)度有一定提前量

任賽賽等[14]通過850hPa和700hPa風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料來分析“尼伯特”臺風(fēng)暴雨，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)可以判斷系統(tǒng)的移動、強(qiáng)度和過境時間，對預(yù)報降水落區(qū)和強(qiáng)度有一定提前量。

1.5 風(fēng)廓線雷達(dá)資料在數(shù)值同化中的應(yīng)用

風(fēng)廓線雷達(dá)資料除了在常規(guī)天氣預(yù)報有重要使用價值外，更為關(guān)鍵的應(yīng)用是在數(shù)值預(yù)報模式中的同化。其為數(shù)值模式提供的高空風(fēng)資料量明顯增多，能夠影響中尺度同化和預(yù)報系統(tǒng)的結(jié)果，總體上可以改善短期預(yù)報水平。

國外在業(yè)務(wù)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)建成之前進(jìn)行的觀測系統(tǒng)模擬試驗（OSSEs）和之后的觀測系統(tǒng)試驗（OSEs）結(jié)果表明，無論是模擬的還是實際的組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料，其同化對模式預(yù)報的影響評價都是正面的[15-16]，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料能揭示常規(guī)探空觀測不易分辨的天氣系統(tǒng)特征[17]，或者提高模式對天氣系統(tǒng)尤其是中尺度系統(tǒng)的預(yù)報性能[18]。根據(jù)OSEs的評估結(jié)果，國外主要全球數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如ECMWF、JMA、NCEP和CMC）先后實現(xiàn)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在模式中的業(yè)務(wù)同化，結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)的同化應(yīng)用對模式預(yù)報性能的提高有正面影響。

國內(nèi)雖然較早就注意到風(fēng)廓線雷達(dá)資料在數(shù)值模式中的應(yīng)用價值，進(jìn)行了風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)的數(shù)值研究[19]，以及單點風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化的初步應(yīng)用[20]，但是針對我國組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化研究極少[21]，尚未實現(xiàn)組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料在業(yè)務(wù)數(shù)值模式中的業(yè)務(wù)同化。

為了探討組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化對業(yè)務(wù)區(qū)域數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的作用，潘寧針對組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)反演資料，開展有無同化該反演資料的對比試驗，進(jìn)行觀測影響預(yù)報的評估[22]，分別應(yīng)用福建省業(yè)務(wù)區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)（FJ-WRF）和快速更新同化預(yù)報系統(tǒng)（FJ-RUC），設(shè)計有無同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)觀測的兩組分析預(yù)報對比試驗方案，并將試驗方案用于2014 年7 月4 日干對流為主和13～14 日混合性強(qiáng)對流兩個強(qiáng)對流過程的個例研究，通過對比試驗分析場和預(yù)報場的差異、相對全球模式分析場和探空及風(fēng)廓線雷達(dá)觀測的誤差檢驗，以及與全球模式分析場和地面區(qū)域自動站觀測的對比，評估同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料對模式分析及預(yù)報的影響。研究表明，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)觀測后，主要影響了各層水平風(fēng)的分析，F(xiàn)J-RUC 暖啟動低層的溫度和比濕分析在小范圍內(nèi)也受到較明顯的影響；分析場變化能明顯影響模式各層風(fēng)場預(yù)報、低層及邊界層的溫度和比濕預(yù)報（圖6）；就模式預(yù)報層平均絕對偏差和均方根誤差兩種誤差檢驗而言，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)對FJ-RUC 模式預(yù)報以正面影響為主，對FJ-WRF 模式預(yù)報以負(fù)面影響為主。

圖6 第1 組對比試驗2014 年7 月14 日06 時700hPa（上排）和850hPa（下排）12 小時預(yù)報之差

a1,a2——溫度；b1,b2——比濕；c1,c2——水平風(fēng)U 分量；d1,d2——水平風(fēng)V 分量

個例研究顯示，快速更新循環(huán)（RUC）是福建省業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)應(yīng)用組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可行方案，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾年的努力，目前福建省氣象臺在“福建快速更新同化預(yù)報系統(tǒng)”（FJ-RUC）中已經(jīng)實現(xiàn)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化，并業(yè)務(wù)化運(yùn)行。在運(yùn)行的同時，潘寧設(shè)計了有無同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料的控制試驗和對比試驗，于2016年4～5月開展批量試驗（圖7），對同化效果進(jìn)行評估。結(jié)果表明（圖8），對于中低層風(fēng)場（水平風(fēng)u，v分量）、溫度和比濕預(yù)報，在各個預(yù)報時效內(nèi)，同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料的平均絕對誤差和均方根誤差均小于未同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料，可見增加風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化對這幾類要素預(yù)報具有較明顯的正作用。

圖7 同化的探測資料分布

圖8 觀測影響預(yù)報評估

（預(yù)報時效為24小時的平均絕對預(yù)報誤差對比）

2 存在問題和未來展望

隨著科技的進(jìn)步，新型高空風(fēng)場探測設(shè)備風(fēng)廓線雷達(dá)資料的初步應(yīng)用，大大豐富了氣象資料，提升了福建省的預(yù)報水平。但在各方面的研究應(yīng)用尚處于起步階段，在復(fù)雜的天氣形勢下仍需要不斷的探索。

風(fēng)場資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的好壞直接影響數(shù)據(jù)的應(yīng)用，但是目前還沒有建立完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，在雜波干擾、誤差大的數(shù)據(jù)剔除以及在降雨干擾風(fēng)場數(shù)據(jù)的可靠性等方面還有很大的改進(jìn)空間，尤其對于在非均勻性降水對風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)質(zhì)量的影響需要加大研究。

風(fēng)廓線雷達(dá)低模式降雨反射率的反演為風(fēng)廓線雷達(dá)在探測降雨垂直結(jié)構(gòu)中奠定了基礎(chǔ)，為了拓展其應(yīng)用范圍，需要對風(fēng)廓線雷達(dá)高模式降雨反射率反演及驗證和降雨反射率高低模式的拼接技術(shù)進(jìn)行研究，完善垂直探測高空降雨反射率結(jié)構(gòu)。

風(fēng)廓線資料在天氣預(yù)報方面的應(yīng)用，主要有以下問題：

（1）結(jié)合其它觀測資料的綜合分析不夠，試圖僅用風(fēng)廓線資料來解釋所有問題；風(fēng)廓線雷達(dá)提供風(fēng)廓線數(shù)據(jù)拓寬了對高空風(fēng)場的了解，各觀測設(shè)備的風(fēng)場數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步探索和研究，同時為數(shù)據(jù)之間的相互驗證提供合理的方法是今后應(yīng)該進(jìn)一步開展的工作。

（2）針對不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制的應(yīng)用還不夠。

在強(qiáng)對流天氣的應(yīng)用方面，風(fēng)廓線雷達(dá)站出現(xiàn)強(qiáng)降水或雷雨大風(fēng)等強(qiáng)天氣時段內(nèi)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)大面積缺測，奇異點多；有降水的時候（即使是弱降水），垂直速度受到雨滴影響；產(chǎn)品過于單調(diào)，還需進(jìn)一步開發(fā)能用于監(jiān)測預(yù)報中小尺度天氣系統(tǒng)的產(chǎn)品；測站出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的個例明顯偏少，受其制約，僅針對強(qiáng)對流風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行特征分析，總結(jié)的指標(biāo)具有一定的局限性，檢驗效果如何需待今后的實踐檢驗并進(jìn)一步完善。

在臺風(fēng)天氣的應(yīng)用方面，觀測臺風(fēng)風(fēng)場結(jié)構(gòu)將對其發(fā)展演變研究、路徑、強(qiáng)度、風(fēng)雨影響等業(yè)務(wù)預(yù)報提供強(qiáng)大支撐，在福建省，建議建立間隔在50～100km左右的沿海對流層風(fēng)廓線觀測網(wǎng)，以探測近海熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特征，可保證在熱帶氣旋登陸時至少有3～5部風(fēng)廓線儀同時觀測。另外，福建沿海地區(qū)地形導(dǎo)致的對流和強(qiáng)降水的密集帶，也需要更多的觀測來支撐，同時，該地區(qū)還將對我國東海海域、臺灣海峽的海洋氣象觀測提供支撐，氣象業(yè)務(wù)需要和國家戰(zhàn)略意義重大。

在數(shù)值模式資料同化應(yīng)用方面，目前省臺的預(yù)報影響評估還不夠全面，“是否同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料”“采用何種方案實現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在業(yè)務(wù)數(shù)值模式的同化”等問題的解決，需要基于大量的模式預(yù)報影響評估工作，國際上通用的做法是進(jìn)行批量觀測系統(tǒng)試驗（OSEs）。而采用的同化方案尚有許多可以改進(jìn)之處，比如風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量控制、垂直稀疏化、觀測誤差，以及同化窗、同化瞬時還是平均資料、更新循環(huán)方案、混合同化方法，都需要進(jìn)一步研究。在有限個例的研究中，同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料未能改善降水等地面要素預(yù)報，說明模式的其他方面如物理過程也需要高度重視。

3 結(jié)論

福建省是我國受臺風(fēng)和強(qiáng)對流天氣災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，臺風(fēng)和強(qiáng)對流預(yù)報一直是福建省防災(zāi)減災(zāi)工作重點。新型設(shè)備風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省災(zāi)害性天氣以及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了福建省臺風(fēng)和強(qiáng)對流天氣預(yù)報預(yù)警水平。

本文簡要總結(jié)了近年來風(fēng)廓線雷達(dá)在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)的研究提升了風(fēng)場數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，拓展了風(fēng)場數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，但仍有改進(jìn)的空間。

風(fēng)廓線雷達(dá)為實時監(jiān)測、分析天氣系統(tǒng)尤其是中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展物理空間特征提供了可能，有利于加強(qiáng)預(yù)報員對中小尺度天氣系統(tǒng)物理機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識和理解，提高短時臨近預(yù)報水平；為日常的臺風(fēng)和強(qiáng)對流預(yù)報預(yù)警準(zhǔn)確率提高提供了技術(shù)支撐，同時也為福建省新型風(fēng)場資料在預(yù)報上的應(yīng)用起到引領(lǐng)和示范作用。在今后的研究中應(yīng)結(jié)合其他觀測資料進(jìn)行綜合分析，開展不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制應(yīng)用。

目前的各種分析大部分基于單部風(fēng)廓線雷達(dá)資料，隨著風(fēng)廓線站網(wǎng)布局的不斷完善，通過組網(wǎng)資料（3部及以上）能夠揭示大氣風(fēng)場的多層垂直結(jié)構(gòu)，了解天氣影響系統(tǒng)所在的高度和強(qiáng)度，計算該區(qū)域內(nèi)的各種物理量，對于認(rèn)識強(qiáng)天氣發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制有重要意義。風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料用于數(shù)值模式資料同化中，亦能有效改進(jìn)模式效果，目前在福建省已開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，在今后的批量觀測系統(tǒng)試驗中將不斷完善。

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公益性行業(yè)（氣象）科研專項 “風(fēng)云三號晨昏軌道衛(wèi)星資料處理和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究” （GYHY201506022）資助。