風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)資料對比分析及問題探討*
——以翔安風(fēng)廓線雷達(dá)為例

汪學(xué)淵 曾瑾瑜 汪勝寶

(1.福建省大氣探測技術(shù)保障中心,福建 福州 350007; 2.福建省氣象臺,福建 福州 350001;3.福建省武夷山市氣象局，福建 南平 353200)

風(fēng)廓線雷達(dá)可以連續(xù)獲得大氣垂直分布的水平風(fēng)廓線，是增強(qiáng)災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力和提高短時數(shù)值預(yù)報模式質(zhì)量的重要手段。然而，由于受探測能力限制，易受雜波干擾，受晴、雨和溫度、壓力、濕度影響顯著等因素，也導(dǎo)致風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性有待提高，要解決風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用問題，必須對風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)存在的問題進(jìn)行研究。目前，國內(nèi)不少學(xué)者開展關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空資料的對比研究，孫旭映等指出地面至高空200m范圍內(nèi)，風(fēng)廓線儀探測的風(fēng)向、風(fēng)速與氣球探測值有一定偏差，而200m以上具有很好的相關(guān)性，但在風(fēng)廓線雷達(dá)的最大探測高度處偏差很大[1]。曲巧娜等利用兩種雷達(dá)的測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)、誤差及有效樣本比率分析，總結(jié)出兩種雷達(dá)水平風(fēng)速顯著正相關(guān)，當(dāng)水平風(fēng)相差≤20°時，有效樣本比率基本在70%以上[2]。吳蕾等對風(fēng)廓線雷達(dá)在不同高度、不同時次、不同風(fēng)速條件下的探測準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明二者測風(fēng)結(jié)果有較好的一致性，u，v分量的標(biāo)準(zhǔn)差在2.3 m/s左右[3]。王棟成研究了兩種雷達(dá)長時間序列在有降雨和無降雨時段兩者的風(fēng)向、風(fēng)速總體一致性較好，相關(guān)性較高，并具有較好可比性和互補(bǔ)性的結(jié)論[4]。汪學(xué)淵等對風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)能力進(jìn)行了評估，總結(jié)出了風(fēng)廓線雷達(dá)與探空雷達(dá)之間的測風(fēng)偏差，兩者具有較好的一致性[5]。前人已經(jīng)做了大量的風(fēng)廓線雷達(dá)和探空雷達(dá)對比分析，重點(diǎn)分析了兩種雷達(dá)探測風(fēng)場的差異程度，評估了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的準(zhǔn)確性和差異性，但是對兩種雷達(dá)資料處理各不相同，僅僅是簡單介紹。由于兩種雷達(dá)的探測原理不同，生成的風(fēng)場資料格式不同，存在嚴(yán)重的時空差異，對于兩種風(fēng)場資料的處理如何才能在時間和空間上很好的匹配，是對比過程中一個重要環(huán)節(jié)，不同處理方式往往會得到不同的對比結(jié)果，那么分析的結(jié)論會有所偏差。本文將重點(diǎn)分析風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空雷達(dá)風(fēng)場資料的優(yōu)化處理方法，并給出對比結(jié)果，通過對比分析總結(jié)風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)資料存在的問題，為風(fēng)廓線雷達(dá)資料的業(yè)務(wù)應(yīng)用以及質(zhì)量控制提供重要參考[6]。

1 資料來源和數(shù)據(jù)處理

一般來講，風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)和氣球探空測風(fēng)的取樣空間是不同的。風(fēng)廓線雷達(dá)獲得的是固定在雷達(dá)上方所有高度層上取樣空間的平均廓線，其獲取一組廓線的時間為6 min左右，取樣空間在低/高模式的分辨率為120/240 m，探測高度一般在6～8 km；而探空的測量是在不同時間和不同地點(diǎn)進(jìn)行的，探空氣球上升到10 km所需要的時間一般約為15min，同時也會飄離到氣球釋放點(diǎn)10km以外。因此，風(fēng)廓線雷達(dá)和氣球探空測到風(fēng)場有時間和空間上的差異。根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)和氣球探空的探測原理，如表1所示，期望在大氣較為均勻時，氣球探空和風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)能夠有較好的一致性。雖然風(fēng)廓線雷達(dá)和探空在測量原理上有很大的時空差異，但是由于探空是目前高空風(fēng)探測的標(biāo)準(zhǔn)，用探空與風(fēng)廓線雷達(dá)作對比可以獲得風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)的特性。

表1 風(fēng)廓線雷達(dá)與L波段探空雷達(dá)測風(fēng)技術(shù)參數(shù)對比

福建省目前已建設(shè)18部風(fēng)廓線雷達(dá)，其中2部CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，16部CFL-06低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)，但是離風(fēng)廓線雷達(dá)最近理想距離的探空站點(diǎn)為廈門探空站，與之相對應(yīng)的是翔安風(fēng)廓線雷達(dá)站，翔安站點(diǎn)在廈門探空站的東北方位，他們之間的直線距離為25km，廈門常年吹西風(fēng)，氣球放出后，往往是朝著翔安站點(diǎn)方向漂移，因此兩部雷達(dá)在空間上是有對比條件的。探空數(shù)據(jù)采用2016年5月到2017年4月的數(shù)據(jù)，探空站一天僅探測兩次(07∶15、19∶15)，全年總共730組數(shù)據(jù)，剔除一些質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)，晴天得到607組，降雨得到93組。探空數(shù)據(jù)的提取利用L波段高空氣象探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件，提取等間隔高度(30m)上的要素值，換言之，數(shù)據(jù)處理軟件會自動計算出每隔30m的風(fēng)場數(shù)據(jù)，之所以選擇30 m，首先是高度分辨率高，再者與風(fēng)廓線雷達(dá)高度分辨率120/240m相匹配，4個30m剛好與120m的空間匹配，8個30m剛好與240m的空間匹配，這樣減少了兩者之間的垂直空間誤差。在時間上的匹配，兩者不可能做到完全時間上的匹配，這是兩者探測方式不同所決定的，只能折中處理，風(fēng)廓線雷達(dá)的時間分辨率6min一組，最大探測高度為9000 m，探空雷達(dá)一次連續(xù)探測高度一萬米的時間大概是25min，CFL-06型風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場探測高度主要集中在6 km左右，有天氣過程時會到1萬m高度，氣球升到6 km的時間大概在15min左右，因此選取放球后10min左右所對應(yīng)的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)前后共三組廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行平均的風(fēng)場數(shù)據(jù)(假定在這20min的時間范圍內(nèi)水平風(fēng)場均勻一致)。

對比數(shù)據(jù)的選擇完全采用人工來挑選和剔除，對存在嚴(yán)重數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷或者可用數(shù)據(jù)低的，予以舍棄，最后生成總數(shù)據(jù)有33671對，其中晴天數(shù)據(jù)有28996對，降雨數(shù)據(jù)有4675對。對比的方式主要有：在降雨和無降雨天氣情況各高度層風(fēng)場絕對差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；按誤差范圍統(tǒng)計風(fēng)場的絕對差值分布；按風(fēng)速分類的風(fēng)場絕對差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以直觀的方式統(tǒng)計風(fēng)廓線雷達(dá)與L波段探空雷達(dá)風(fēng)場的差異。

2 所有測風(fēng)數(shù)據(jù)的對比分析

2.1 降雨和無降雨天氣情況分類對比

之所以分為降雨和無降雨天氣進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速的對比，是由風(fēng)廓線雷達(dá)自身的探測機(jī)理所決定的。在晴空天氣下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測的對象是大氣湍流，雷達(dá)接收到的回波是大氣湍流造成的折射率分布不均勻而產(chǎn)生的后向散射能量；在降雨的情況下，對于L波段風(fēng)廓線雷達(dá)探測對象發(fā)生了變化，由于L波段電磁波對降水粒子更加敏感，因此探測的對象主要是降水粒子，而雷達(dá)接收到的回波是降水粒子的后向散射能量，所觀測到的是降水粒子隨風(fēng)移動的風(fēng)場。吳蕾[3]和鄧闖[7]研究表明，風(fēng)廓線雷達(dá)在有無降水天氣下，其探測精度有明顯的差異，因此有必要分為降雨和無降雨天氣進(jìn)行對比，以考察在不同天氣條件下雷達(dá)的探測精度。圖1(a)和圖1(c)為晴天風(fēng)向、風(fēng)速絕對差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的分布，以藍(lán)色曲線表示，從圖中可以看出，根據(jù)誤差的分布情況，風(fēng)向、風(fēng)速在低空(500 m以下)和高空(8000 m以上)都存在誤差加大的情況，低空誤差大是因為風(fēng)廓線雷達(dá)低空數(shù)據(jù)容易受到雜波的干擾，高空誤差大是因為雷達(dá)接收的回波信號十分微弱，存在信號識別錯誤的情況，以致誤差加大。晴空風(fēng)向的誤差均值穩(wěn)定在10°～20°之間，風(fēng)速的誤差均值穩(wěn)定在1～2m/s之間，誤差變化比較平緩。

圖1(b)和圖1(d)為降雨風(fēng)向、風(fēng)速絕對差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的分布，以紅色曲線表示，從圖中可以看出，根據(jù)誤差的分布情況，風(fēng)向、風(fēng)速相對晴天誤差明顯加大，風(fēng)向的誤差均值穩(wěn)定在10°～30°之間，風(fēng)速的誤差均值穩(wěn)定在2～3m/s，誤差變化波動比較大。誤差大主要集中在低空2000m以下，其主要原因在于降雨時五波束探測空間一致性差，即降雨粒子的不均勻分布所引起的，特別是對流性降雨過程，雷達(dá)生成的風(fēng)場出現(xiàn)大量錯誤的風(fēng)場觀測值，同時也能看出高空的誤差明顯比低空的誤差小，是由于在降雨天氣下高空4000m以上存在大量分布均勻的冰晶顆粒隨風(fēng)移動，雷達(dá)五波束探測空間一致性好，生成的風(fēng)場更加接近實際值。圖1(e)和圖1(f)分別為風(fēng)向、風(fēng)速差值的均值在不同天氣下的變化情況，主要為了反映降雨和晴天風(fēng)向、風(fēng)速誤差的對比，從圖中可以看出，降雨帶來的誤差總體明顯大于晴空。

(a)晴天風(fēng)向差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度分布

2.2 按誤差范圍統(tǒng)計風(fēng)場的絕對差值分布

對風(fēng)速、風(fēng)向差值按誤差范圍分布進(jìn)行統(tǒng)計，主要是觀察風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場誤差在不同誤差范圍的比例情況，把風(fēng)速誤差分為(0～1.0m/s、1.0～2.0m/s、2.0～3.0m/s、3.0～4.0m/s、4.0m/s以上)5個檔次，把風(fēng)向誤差分為(0～10°、10°～20°、20°～30°、30°～40°、40°以上)5個檔次。如圖2和圖3所示，風(fēng)速誤差在0～2m/s所占樣本比例晴天為74.9%，降雨占55.5%；風(fēng)向誤差范圍在0°～20°所占樣本比例晴天為82.6%，降雨占75.4%；可以看出，降雨降低了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的準(zhǔn)確性和可用性。從以往的總結(jié)來看，主要原因是強(qiáng)對流天氣和雨滴的空間分布不均勻性引起的，風(fēng)廓線雷達(dá)五波束中東西向或南北向波束水平距離從低空到高空可達(dá)100米到幾千米，降雨在空間上的不均勻分布違背了風(fēng)廓線雷達(dá)要求的局地均勻各向同性的原則，因此預(yù)報員在使用風(fēng)場資料時，應(yīng)該慎重考慮在強(qiáng)降雨過程所生成風(fēng)場資料的可靠性。

圖2 風(fēng)速差值不同范圍按比例分布

圖3 風(fēng)向差值不同范圍按比例分布

為了說明時空匹配的重要性，在這里進(jìn)行了未時空匹配的風(fēng)速和風(fēng)向差值按誤差范圍統(tǒng)計，未時空匹配是指風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空雷達(dá)在指定高度上風(fēng)場的直接對比，如圖4和圖5所示，同樣把風(fēng)速誤差分為如上所述5個檔次，把風(fēng)向誤差分為如上所述5個檔次。未時空匹配的風(fēng)速誤差在0～1m/s所占樣本比例晴天為39.58%，降雨占27.74%，分別比時空匹配的風(fēng)速誤差晴天低了7.75%，降雨低了3.83%；未時空匹配的風(fēng)向誤差范圍在0～10°所占樣本比例晴天為55.87%，降雨占51.85%，分別比時空匹配的風(fēng)向誤差晴天低了5.47%，降雨低了0.78%；說明未進(jìn)行時空匹配對在誤差范圍為0～1.0m/s和0～10°的數(shù)據(jù)影響很大，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的對比分析，降低了風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料評估的準(zhǔn)確性，因此進(jìn)行時空匹配是兩種雷達(dá)探測數(shù)據(jù)對比評估一項重要的措施。

圖4 未匹配風(fēng)速差值不同范圍按比例分布

圖5 未匹配風(fēng)向差值不同范圍按比例分布

2.3 按風(fēng)速分組測風(fēng)數(shù)據(jù)對比

為了獲得不同大氣風(fēng)速條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與L波段探空雷達(dá)風(fēng)向和風(fēng)速對比差異分布情況，將所有晴空數(shù)據(jù)按照L波段探空雷達(dá)測得的水平風(fēng)速進(jìn)行分組，分為0～5m/s、5～10m/s、10～15m/s、15～20m/s、20m/s，統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，風(fēng)向的誤差均值分別為27.64°、10.06°、6.59°、5.82°、5.44°，說明風(fēng)速越小的情況下，風(fēng)向的誤差越大，0～5m/s范圍的風(fēng)向誤差嚴(yán)重偏高；而圖7中風(fēng)速的誤差均值分別為1.29m/s、1.45m/s、1.54m/s、1.56m/s、1.75m/s，雖然風(fēng)速的誤差是隨著風(fēng)速的增大而緩慢增加，但是從相對風(fēng)速(即誤差均值和風(fēng)速的比值)的角度來看，風(fēng)速的誤差是風(fēng)速越小，相對誤差越大；因此在風(fēng)速比較小(5m/s以下)的情況下，根據(jù)風(fēng)場的計算原理，較小的風(fēng)速必定對應(yīng)較小徑向速度，那么在風(fēng)廓線雷達(dá)功率譜上徑向速度就更加靠近零頻位置，而零頻位置往往容易受到地物雜波的干擾，造成信號和地物雜波混疊在一起或者由于地物雜波信號太強(qiáng)以致于湍流信號被淹沒完全無法識別，使得徑向速度識別錯誤或者識別精度降低，所以必須利用信號處理算法提高零頻附近大氣回波信號識別和雷達(dá)地物雜波抑制水平。因此，在應(yīng)用風(fēng)速比較小的數(shù)據(jù)時應(yīng)該特別注意，特別是應(yīng)用在數(shù)值模式中，應(yīng)用前有必要進(jìn)行質(zhì)量控制，質(zhì)量控制的方法多種多樣，主要有三個方面：利用風(fēng)廓線雷達(dá)自身精度特性，利用模式背景與風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場誤差的統(tǒng)計特性，利用算法對風(fēng)廓線雷達(dá)生成風(fēng)場的各個階段分步質(zhì)量控制，本文不再詳細(xì)敘述。

圖6 按風(fēng)速分類的風(fēng)向差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖7 按風(fēng)速分類的風(fēng)速差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

3 結(jié)論

本文利用風(fēng)廓線雷達(dá)與L波段探空雷達(dá)一年的風(fēng)場資料，對二者探測結(jié)果進(jìn)行對比，考慮到風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空雷達(dá)之間測風(fēng)原理和數(shù)據(jù)格式的不同，對二者數(shù)據(jù)進(jìn)行時間和空間上的匹配，通過降雨和無降雨天氣分類、誤差范圍分布和風(fēng)速分組方式的風(fēng)場對比，揭示風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)數(shù)據(jù)存在的問題，結(jié)論如下：

采用時空匹配方法進(jìn)行兩種雷達(dá)風(fēng)場誤差的對比分析，風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)資料的影響主要有以下兩個方面：一方面，風(fēng)廓線雷達(dá)自身探測能力的影響，晴空下風(fēng)廓線雷達(dá)在低空和高空風(fēng)場的誤差較大，其主要原因是低空地物雜波干擾和高空湍流回波信號較弱，特別是低空風(fēng)速比較小的情況下，其誤差特性尤其明顯；另一方面，風(fēng)廓線雷達(dá)自身探測機(jī)制的影響，雷達(dá)探測空間風(fēng)場違背局地均勻各向同性的原則都會產(chǎn)生較大的風(fēng)場誤差，尤其在強(qiáng)降雨或者對流性降雨過程，其誤差特性尤其明顯。因此，在應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料時應(yīng)根據(jù)以上存在的問題上進(jìn)行質(zhì)量控制，以反映真實的大氣風(fēng)場。