邊界層風廓線雷達測風精度分析

呂 博，紀凡華，孫青然，李 楠，劉奇奇

（聊城市氣象局，山東 聊城252000）

風廓線雷達（Wind Profiler Radar）作為一種新型的測風雷達，能夠提供高時空分辨率的大氣水平風速、風向和垂直速度等風場信息，與常規(guī)的氣球測風相比，風廓線雷達在探測精度、垂直空間分辨率和探測時間分辨率等方面有著巨大的優(yōu)勢。目前風廓線雷達已在全球范圍內(nèi)廣泛進入業(yè)務化應用階段，我國也在進行風廓線雷達觀測網(wǎng)的建設(shè)。魯西北地區(qū)首部邊界層風廓線雷達（CLC-11-D）于2015年11月順利通過驗收，目前已進入業(yè)務試運行階段。為了解該型雷達觀測資料的質(zhì)量狀況，更好地應用于邊界層風場觀測和預報預測等業(yè)務，對其探測數(shù)據(jù)的準確性進行深入分析是十分必要的。

國外從20世紀90年代開始相關(guān)研究，美國科學家Strauch等[1]利用風廓線雷達觀測資料分析了晴空大氣條件下風廓線雷達探測的準確性，得到晴空條件下的測風精度約為1.3 m·s-1，垂直速度較大時必須考慮垂直運動的影響；Wuertz等[2]利用UHF風廓線雷達觀測的典型降水數(shù)據(jù)分析了風廓線雷達在降水條件下觀測的準確性；McDonald等[3]對降水數(shù)據(jù)的垂直信號功率、垂直信號譜寬和信噪比進行了分析。國內(nèi)學者在這方面也進行了大量地研究，阮征等[4]利用風廓線雷達對降水云體的結(jié)構(gòu)進行了深入的研究；劉夢娟等[5]利用2014年6月美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）的全球模式分析資料，對上海及周邊地區(qū)組網(wǎng)的7部邊界層風廓線雷達的水平測風數(shù)據(jù)進行了初步分析和比較，發(fā)現(xiàn)上海組網(wǎng)風廓線雷達測風資料質(zhì)量與探空觀測水平接近，有較高的可用性；孔照林等[6]利用浙江7部風廓線雷達探測資料，進行了不同相態(tài)降水粒子下落末速度的數(shù)據(jù)分析，得到了不同降水相態(tài)的下落速度閾值。賀文煌等[7-9]利用對流層風廓線雷達和GPS移動探空資料，以GPS探空觀測值為參考，對對流層風廓線雷達的觀測質(zhì)量進行對比分析。

本文首先對該型風廓線雷達分別在晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水條件下觀測到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，看其是否符合風向誤差≤10°，風速誤差≤1.5 m/s的探測規(guī)范要求，其次對該型雷達春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）各高度層的晴空觀測數(shù)據(jù)進行了測風質(zhì)量評估。

1 CLC-11-D型風廓線雷達簡介及資料來源

1.1 CLC-11-D型風廓線雷達性能參數(shù)

本文數(shù)據(jù)來自布設(shè)在聊城市氣象局的CLC-11-D型邊界層風廓線雷達，該型雷達使用5波束進行觀測，即垂直指向天頂波束以及東、西、南、北各偏離天頂角15°的4個斜波束，該雷達的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 CLC-11-D型邊界層風廓線雷達主要技術(shù)參數(shù)和觀測參數(shù)

聊城邊界層風廓線雷達探測模式分為低探測模式（以下簡稱低模式，該模式下風廓線雷達探測高度范圍100～3100 m，垂直高度分辨率60 m）、中探測模式（以下簡稱中模式，該模式下探測高度范圍100～6100 m，垂直高度分辨率達到120 m）和高探測模式（以下簡稱高模式，該模式下探測高度范圍100～12 100 m，垂直間隔為240 m），風廓線雷達每6 min獲得一份5波束探測到的由低模式、中模式以及高模式組成的數(shù)據(jù)文件。

1.2 資料來源

對2016年3月1日—2017年2月28日期間的觀測資料進行統(tǒng)計，將數(shù)據(jù)分為3大類：晴空數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性降水數(shù)據(jù)和對流性降水數(shù)據(jù)，降水數(shù)據(jù)樣本延伸至降水前后1 h，挑選出8次穩(wěn)定性降水過程和5次對流性降水過程，文中對共計7300個時次的晴空、1220個時次的穩(wěn)定性降水過程和910個時次的對流性降水過程的資料分別進行了分析。

2 分析方法

CLC-11-D型風廓線雷達以5波束（東、南、西和北指向的斜波束以及一個垂直指向天頂?shù)拇怪辈ㄊ┻M行觀測。對斜波束所測得的徑向速度而言，在垂直速度水平均勻假設(shè)條件下，利用垂直波束所得的徑向速度將垂直風和降水所帶來的垂直分量的貢獻去除，即可得到水平風分量[10]。計算如下：

其中，u和v分別代表東西風分量和南北風分量，VRE、VRW、VRS、VRN、VRZ分別為東、西、南、北、天頂 5 個方向波束獲得的徑向風，θ為斜波束天頂角（15°）。按照風廓線雷達觀測規(guī)范，朝向雷達的徑向風為正，東西水平風分量中取西風為正，南北水平風分量中取南風為正，垂直風向取向下的方向為正。由公式（1）可以得到：

進而可以推導出4組水平風速vh和風向φh：

根據(jù)公式（3）得到4組水平風速和水平風向值，分別計算其標準差δv和δφ，理想情況下4組水平風速和水平風向值應分別相等，此時δv和δφ為0，但由于徑向速度測量誤差的影響，會導致uW和uE，vS和vN之間的差異，通過對δv和δφ進行統(tǒng)計分析就可以評估風廓線雷達的測風精度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同類型氣象條件下測風精度分析

圖1為低模式、中模式和高模式下不同類型天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水）水平風速和水平風向的標準差分布頻數(shù)圖，其中x軸表示水平風速、風向標準差值的劃分范圍（刻度值“＜2.5”表示 2 m/s＜水平風速標準差 δv≤2.5 m/s，刻度值“＜30”表示25°＜水平風向標準差 δφ≤30°，其它依次類推）；y軸表示不同類型降水條件下相應標準差范圍占總樣本的百分比?？梢钥闯觯诘湍Ｊ较?類天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水）δv≤1.5 m/s所占百分比分別為 52%，21%，14%；δv≤1.0 m/s所占百分比分別為41%，7%，6%；在中模式下，δv≤1.5 m/s所占百分比分別為44%，10%，5%；而在高模式下δv≤1.5 m/s所占百分比分別為39%，12%，8%。表明在各類觀測模式下邊界層風廓線雷達對晴空的風速測量精度都要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣；同時對晴空探測數(shù)據(jù)來說，低模式下的風速測量精度較高，優(yōu)于中模式和高模式。

由圖1可以看出，低模式下3類天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水）δφ≤15°所占百分比分別為 63%，36%，25%；δφ≤10 °所占百分比分別為49%，20%，14%。中模式下3類天氣數(shù)據(jù)δφ≤15°所占百分比分別為 43%，27%，20%；δφ≤10 °所占百分比分別為38%，18%，15%。高模式下3類天氣數(shù)據(jù)δφ≤15 °所占百分比分別為 46%，27%，21%；δφ≤10 °所占百分比分別為36%，14%，12%。不難發(fā)現(xiàn)，3種觀測模式下風廓線雷達對晴空探測的風向測量精度都是最高，而對穩(wěn)定性降水與對流性降水過程的風向測量精度較差，其中穩(wěn)定性降水稍優(yōu)于對流性降水過程；對晴空探測數(shù)據(jù)而言，低模式下的風向測量精度要高于中模式和高模式。

圖1 不同探測模式下水平風速、水平風向標準差分布頻數(shù)

降水出現(xiàn)前后環(huán)境大氣擾動較大是導致穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣下風廓線雷達風速和風向測量精度較差的主要原因。

3.2 各高度層測風質(zhì)量評估

根據(jù)我國風廓線雷達功能需求設(shè)計規(guī)范[11]，要求邊界層風廓線雷達風速測量精度≤1.5 m/s，風向測量精度≤10°，同時由三種探測模式下不同類型天氣數(shù)據(jù)測風精度分析的結(jié)果可知，該型邊界層風廓線雷達對晴空數(shù)據(jù)的風向和風速的測量精度最高，本文利用4組水平風速和水平風向計算出的標準差對該型邊界層風廓線雷達觀測的晴空數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量評估。為使各高度層的測風評估更量化直觀，特制定邊界層風廓線雷達數(shù)據(jù)測風質(zhì)量等級評估閾值（表 2）。

對共計7300時次的晴空數(shù)據(jù)按照四季進行了劃分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），分別對其測風質(zhì)量進行評估，評估結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，150 m以下的水平風數(shù)據(jù)評分多在2分以下，這是由于雷達布設(shè)地點周圍地物對信號造成了污染，使數(shù)據(jù)可信度下降，難以通過質(zhì)量控制，造成低空探測缺測較嚴重[12]。

表2 邊界層風廓線雷達測風評估等級

從有效探測高度來看，春季平均有效探測高度約2000 m，夏季平均有效探測高度可達6300 m，秋季平均有效探測高度為2500 m左右，而冬季平均有效探測高度則降至1100 m左右。這與雷達所在地的氣候背景有關(guān)，聊城地處魯西平原，屬半干旱大陸性氣候，春季干旱多風、夏季濕熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥，而由風廓線雷達的探測原理可知，大氣中的水汽含量能夠直接影響雷達的探測性能，通常濕度愈大對雷達探測愈有利，因為潮濕空氣的反射系數(shù)變化更大，有利于風廓線雷達的信號接收[13]。

從質(zhì)量評估達標區(qū)域（評分值＞6分）來看，春季達標區(qū)域為900 m左右，900 m以上高度評分多在4分以下，這與春季氣候干燥多風影響風廓線雷達的信號獲取，且水平風速與風向標準差波動較大有關(guān)；夏季由于大氣環(huán)境濕度較大，風廓線雷達有效探測高度增加的同時，質(zhì)量達標高度也達到了4000 m左右，4000 m以上的高度數(shù)據(jù)缺測較多且水平風速、風向標準差的變化較為復雜，導致評分較低；秋季有效探測高度雖與春季較為接近，但評估達標區(qū)域要高于春季，可達2200 m左右；冬季寒冷干燥，有效探測高度為四季中最低，但由于冬季聊城多靜穩(wěn)天氣，水平風速和風向標準差波動非常小，故在150 m以上的有效探測高度內(nèi)評分大多高于8分，甚至500～700 m之間的評分達到了10分。

4 結(jié)論

（1）利用CLC-11-D型邊界層風廓線雷達的5波束觀測數(shù)據(jù)構(gòu)造出4組水平風速和水平風向，進而得出可描述垂直波束空間內(nèi)大氣運動不均勻性的水平風速和水平風向標準差。當風速測量精度≤1.5 m/s，風向測量精度≤10°時，水平風探測數(shù)據(jù)結(jié)果可信。

（2）對比分析了晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水等不同類型氣象條件下邊界層風廓線雷達的測風精度，發(fā)現(xiàn)在晴空條件下大氣均勻穩(wěn)定，水平風速和風向測量精度要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣。降水出現(xiàn)前后環(huán)境大氣擾動較大是導致穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣下測風精度較差的原因。

（3）對聊城邊界層風廓線雷達2016年3月1日—2017年2月28日共計7300時次的晴空觀測資料進行了測風質(zhì)量評估，結(jié)果表明：150 m以下近地層高度的測風質(zhì)量較差，與地雜波干擾較強有關(guān)；夏季有效探測高度最高可達6300 m，春秋季有效探測高度比較接近，分別約為2000 m和2500 m，冬季有效探測高度最低，僅為1100 m左右；四季測風質(zhì)量評估達標高度分別為900、4000、2200 m和1100 m。大氣環(huán)境的濕度條件和水平風速、風向標準差的波動是影響測風質(zhì)量評估的重要因素。

本文主要從邊界層風廓線雷達探測對象的角度即大氣的不均勻性方面進行了分析，給出了邊界層風廓線雷達測風精度的評估結(jié)果，目前還只是依據(jù)雷達自身探測數(shù)據(jù)進行的評估，還缺乏來自其它觀測資料的佐證。另外，為了使結(jié)論更加客觀準確，還應分析更長時間的觀測數(shù)據(jù)。