邊界層風廓線雷達對登陸臺風觀測適用性評估

嚴嘉明 趙兵科 張 帥 林立旻 湯 杰*

1)(中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030) 2)(福建省災害天氣重點實驗室，福州 350001)

引 言

風廓線雷達具備全天候無人值守，可24 h連續(xù)提供測站上空高時空分辨率、連續(xù)且實時性好的大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結構常數(shù)等氣象要素隨高度分布的能力[1-3]。20世紀80年代，美國通過對風廓線雷達理論20年的研究逐步趨于成熟，并采用404 MHz風廓線雷達[4]建立數(shù)十部對流層風廓線雷達組成的試驗網(wǎng)，隨著風廓線雷達技術日趨成熟，已成為商業(yè)化產品，數(shù)據(jù)在多個領域得到運用，包括民用氣象、機場天氣監(jiān)測、數(shù)值預報[5]，還廣泛應用于軍事領域。日本自行研制了天線波束指向靈活的風廓線雷達，并從2000年開始在全國范圍內進行風廓線雷達的組網(wǎng)探測。我國對于風廓線雷達技術的研制工作開始于20世紀80年代。

臺風作為自然界中最常見的自然災害，每年都給世界各地的沿海地區(qū)造成大量的財產損失以及人員傷亡，因此臺風近地面風場結構的精確觀測格外重要，目前近地面觀測手段較缺乏，主要依靠探空氣球、風速計、測風塔等被動式觀測工具，且各有局限性，如探空氣球依靠人力無法進行連續(xù)觀測，風速計為單點近地面觀測，風塔雖然能夠提供剖面數(shù)據(jù)，但受高度限制等因素制約也僅能提供較少層數(shù)據(jù)，且機動性差、維護成本高。因此目前亟需能提供連續(xù)觀測且機動性高的風場觀測設備，風廓線雷達可很好地滿足這些需求。關于風廓線雷達數(shù)據(jù)質量的相關研究已有學者進行探討。Weber等[6]利用美國科羅拉多州機場的探空與同站的超高頻風廓線雷達進行采樣，通過每日兩次歷時兩年的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，兩者測得的水平風速標準差為2.5 m·s-1，造成誤差的主要原因是不同天氣系統(tǒng)中風的變化；萬蓉等[7]對貴州省威寧市黑山觀測站風廓線雷達數(shù)據(jù)與加密探空進行對比分析，定義兩者風向偏差在20°以內或風速偏差在3 m·s-1范圍內的樣本為有效樣本，通過不同條件下獲得的樣本比率分析風廓線雷達數(shù)據(jù)質量；孫康遠等[8]利用風廓線雷達反演大氣比濕廓線與探空進行對比，結果發(fā)現(xiàn)反演的結果與探空比濕廓線呈現(xiàn)相同的變化趨勢。王欣等[9]對風廓線儀探測數(shù)據(jù)與同步探空儀數(shù)據(jù)進行對比，驗證風廓線儀數(shù)據(jù)的可信度,并應用風廓線數(shù)據(jù)分析梅雨鋒期間中尺度降水的對流特征和相關問題，發(fā)現(xiàn)大氣風廓線儀對水平風的垂直結構有較強的探測能力,能夠實時監(jiān)測中尺度降水期間風的垂直切變和對流特征,有助于提高臨近天氣預報的精度,準確預報降水；鄧闖等[10]對風廓線雷達的測風精度進行評估發(fā)現(xiàn)影響低層數(shù)據(jù)質量精度的主要原因是地面風速較小、雜波干擾較多，大氣返回信號較弱、信噪比較小是高空測風精度的主要影響因子，研究還發(fā)現(xiàn)對流性降水云過境時，波束空間內降水粒子及環(huán)境大氣運動分布有明顯的非均勻性；Shapiro等[11]利用美國科羅拉多的風廓線雷達網(wǎng)對鋒面和噴流進行觀測，通過觀測數(shù)據(jù)判斷噴流維持的時間以及噴流在空間上的厚度、噴流核通過的時間以及風切變層的厚度變化；何平等[12]利用風廓線雷達提供的功率譜密度、信噪比、水平速度、垂直速度等多種數(shù)據(jù)從多角度對降水個例進行研究發(fā)現(xiàn)，風廓線雷達可以同時探測垂直氣流速度、粒子落速及其高度分布，進而可以估計降水粒子尺度譜及其高度分布，便于開展更深層次的降水物理過程研究。Wuertz等[13]對降水效應對超高頻風廓線雷達測風的影響進行分析，結果發(fā)現(xiàn)測風精度降低很大程度由不同天線波束上水平降水不均勻引起。

目前關于風廓線雷達在臺風環(huán)境下適用性的相關研究較少，Liao等[14]利用風廓線雷達對臺風天兔(1319)的邊界層演變特征進行研究，利用兩組不同時間段的風廓線雷達和探空數(shù)據(jù)進行對比，并通過位溫的變化估算混合層的厚度，指出不同方法定義的邊界層高度不同，最后發(fā)現(xiàn)登陸前邊界層高度可達2100 m以上，隨著臺風登陸邊界層高度迅速下降；汪學淵等[15]對臺風蘇拉(1209)登陸過程中獲得的風廓線雷達數(shù)據(jù)進行初步分析，結果證明風廓線雷達數(shù)據(jù)的特征與實際天氣特征一致；李利孝等[16]利用2座風觀測塔和1部臺風廓線雷達對強臺風黑格比(0814)的實測結果，研究其近地層和邊界層風剖面特征；May[17]將安裝在塞班島的50 MHz風廓線雷達小時平均數(shù)據(jù)與120組探空數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)，10 km高度以下風速均方根誤差為2.3 m·s-1，且風速偏差與風速大小和降水無關；May等[18]利用風廓線雷達對熱帶風暴Flo在通過塞班島附近115 km內時進行分析，細致解釋了該熱帶風暴的環(huán)流以及降水結構。Yan等[19]分析風廓線雷達在臺風環(huán)流中的數(shù)據(jù)質量，但結果并不完整，特別是對于不同降水條件下風廓線雷達觀測質量未進行仔細評估。

本文在前期初步工作的基礎上，重點關注風廓線雷達對于登陸臺風邊界層診斷的適用性，包括可能導致風速風向誤差的原因分析等。與董德保等[20]從雷達工作原理及風的計算公式出發(fā)不同，本文從外界客觀因素出發(fā)，以期為風廓線雷達在臺風等強對流天氣中的應用提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及對比方法

本文使用的數(shù)據(jù)為中國氣象局上海臺風研究所在外場觀測試驗中采集到的鳳凰(1416)、燦鴻(1509)、尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)、鲇魚(1617)以及利奇馬(1909)6個臺風合計34組同點風廓線雷達、GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))氣球探空以及雨滴譜儀數(shù)據(jù)，臺風路徑及對應觀測點見圖1，數(shù)據(jù)采集時間詳見表1，時間均為世界時，下同。

表1 風廓線雷達以及探空數(shù)據(jù)采集時間

圖1 臺風鳳凰(1416)、臺風燦鴻(1509)、臺風尼伯特(1601)、臺風莫蘭蒂(1614)、臺風鲇魚(1617)及臺風利奇馬(1909)路徑圖(五邊形為對臺風鳳凰及臺風燦鴻進行觀測時所在的位置，叉號為對臺風利奇馬進行觀測時所在位置，菱形為對臺風莫蘭蒂進行觀測時所在位置，五角星為對臺風尼伯特以及臺風鲇魚進行觀測時所在的位置)

對比風場數(shù)據(jù)分別通過北京愛爾達電子設備有限公司生產的Airda 3000型機動式邊界層風廓線雷達以及Vaisala MW41探空系統(tǒng)觀測得到。Airda 3000采用5波束探測模式，時間分辨率為5 min，最高可觀測到4700 m高度的風場，垂直分辨率為50 m，可以連續(xù)獲得水平風速、垂直速度、信噪比、徑向速度等多種氣象參數(shù)。此型風廓線雷達大多以固定方式應用于各地監(jiān)測邊界層結構研究[21]。探空系統(tǒng)由探空儀和地面設備組成，采樣頻率為2 s，可連續(xù)獲得溫度、壓力、濕度、風速、風向等大氣參數(shù)，探測高度由氣球爆炸高度決定，探空可幫助了解邊界層內的情況[22-23]。但需要指出的是，利用風廓線雷達和探空測風進行對比會遇到兩者測風采樣空間不同的問題，風廓線雷達是對雷達上方高度層的風進行采樣，5 min獲得一組風廓線數(shù)據(jù)；而氣球探空則會隨風飄移，是在不同時間、不同地點測風，且為瞬時數(shù)據(jù)，相同的高度，探空氣球可能已飄到距離施放點幾千米甚至是幾十千米的地點。因此，風廓線雷達和探空觀測的是不同時間以及不同地點的風，兩者存在差異。但根據(jù)風廓線雷達和氣球探空的探測原理，當大氣較為均勻時,即在半小時內和幾十千米范圍內風沒有很大變化時，探空和風廓線雷達測風有較好一致性，雖然臺風的大風環(huán)境會進一步加大探空在水平方向上的飄移，加大兩者間的觀測偏差，但本文主要針對邊界層內(小于3000 m)，且臺風作為中尺度系統(tǒng)，水平覆蓋面為300～1500 km，即使內部存在各種不連續(xù)流體，但是在同一流體且一定距離范圍內風不會有明顯變化，為此對探空升至3000 m時距離施放點的水平距離進行估算，探空氣球上升的平均速度大約為5～10 m·s-1，上升至3000 m高度大約需要300～600 s；另外考慮臺風環(huán)境下的風速，且各臺風風速不同，本文所觀測臺風的平均風速約為20 m·s-1，即探空氣球(不考慮風向變化的情況下)在到達3000 m高度時距離施放點大約為6～12 km。從圖2可以看到，3000 m高度時，探空氣球基本位于距離施放點15 km內的范圍，與理論估算的結果相當。風廓線雷達的時間分辨率為5 min，在這5 min內風廓線雷達上方的大氣以20 m·s-1的速度流動，時間(300 s)與平均風速(20 m·s-1)乘積為6 km，具體根據(jù)實際風速而改變，如臺風利奇馬(1909)的風速更大。因此對于在臺風邊界層高度的風速觀測，探空氣球在移動路徑上采集的瞬時風速和風廓線雷達在固定端探測的平均風速可以進行對比；探空作為目前高空風探測的參考標準，尤其是對臺風這種強綜合觀測環(huán)境下的天氣尺度系統(tǒng)進行探測，很難有更準確的直接探測手段能與風廓線雷達進行準確地比對和校驗，盡管風廓線雷達和探空的測量原理差別很大，但是利用探空與風廓線雷達對比可以獲得二者測風的系統(tǒng)偏差。

圖2 3000 m高度探空氣球與觀測點(極點)相對位置

另外，在WMO第8屆陽江國際探空比對評估報告中對探空測風以及風廓線雷達測風能力的差異進行評估，該評估主要參考探空數(shù)據(jù)分析風廓線雷達測風的性能和能力，利用多種探空儀與參與測試的風廓線雷達進行對比，結果顯示當探測高度在3000 m以下時，風廓線雷達與L波段雷達測風和風廓線與探空測風的平均誤差、標準差分別為1.3 m·s-1，2.0 m·s-1和1.4 m·s-1,1.9 m·s-1，水平相當，探測性能總體較好，但在近地層和3000 m以上偏差較大，近地層偏差較大可能是受地物影響，在3000 m以上偏差較大是由于獲取的信號較弱，難以獲得準確的風數(shù)據(jù)。報告還指出風廓線雷達能夠在臺風接近期間提供連續(xù)的表面風場數(shù)據(jù)，以及在大部分無降水的情況下提供風廓線信息，該評估報告表明風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)的正確性以及可靠性，為后續(xù)研究提供了強有力的研究基礎[24]。

本文使用的雨滴譜儀是PARSIVEL 激光雨滴譜儀，將其原始輸出數(shù)據(jù)處理生成降水強度數(shù)據(jù)[25]以對不同降水環(huán)境下風廓線雷達測風數(shù)據(jù)質量進行評估。

2 結果分析

2.1 水平風速評估

由于目前缺乏臺風天氣條件下風廓線雷達觀測風速風向誤差評估的相關研究，因此本文旨在對臺風試驗期間風廓線雷達所采集的風場數(shù)據(jù)進行適用性評估，定量化確定在臺風強風強降水系統(tǒng)內，邊界層風廓線的可用性和適用性。

對6次臺風外場觀測試驗中采集到的34組數(shù)據(jù)進行誤差分析，定義當每組數(shù)據(jù)獲取率高于80% 且標準差小于等于4 m·s-1時，該時次風廓線雷達的觀測數(shù)據(jù)質量為好，并以相關系數(shù)及均方根誤差作為檢驗方式。34組數(shù)據(jù)中有4組數(shù)據(jù)缺測，其余30組數(shù)據(jù)的水平風速的平均標準差為3.64 m·s-1，平均誤差為4.67 m·s-1，其中24組數(shù)據(jù)達到0.01的顯著性水平，2組達到0.1的顯著性水平，4組呈負相關且未達到0.1的顯著性水平。圖3為30組數(shù)據(jù)的對比結果分布，有19組數(shù)據(jù)的對比結果較好，均集中在圖3右下角標準差小于4且相關系數(shù)大于0.5的區(qū)域。

圖3 風廓線雷達與探空在不同高度上的水平風速對比

這19組較好數(shù)據(jù)的特征為250 m高度以下兩廓線重合度低。分別從19組評估結果較好的數(shù)據(jù)中挑選不同臺風的4組數(shù)據(jù)(圖4)，這4組數(shù)據(jù)都在250 m高度以下有兩廓線不重合，且探空的風速小于風廓線雷達探測的風速。究其原因一方面是因為在臺風環(huán)流相對強風的環(huán)境下，探空氣球由施放那一刻的靜止狀態(tài)到能有效偵測環(huán)境風的狀態(tài)需要經(jīng)過加速度的過程；另一方面，臺風環(huán)境下受大風影響探空氣球的飄移比常規(guī)情況偏大，也會加大兩者的觀測偏差。另外，這4組數(shù)據(jù)的比濕廓線隨高度無劇烈變化，均在零線附近振蕩。圖4中r為相關系數(shù)，dst為標準差，rmse為均方根誤差。

圖4 風廓線雷達與探空水平風速對比

為了證明250 m左右的高度較為合理，根據(jù)19組對比結果較好的數(shù)據(jù)特征，發(fā)現(xiàn)兩廓線在第1次相交前重合度較低，第1次相交后則兩廓線重合度變高，因此將第1次交點的高度作為區(qū)分數(shù)據(jù)質量好壞的分界高度，并對19組數(shù)據(jù)的第1次相交高度進行統(tǒng)計(圖5)。圖5可以發(fā)現(xiàn)兩廓線第1次相交的平均高度在290 m，與估計的250 m接近。

圖5 兩廓線第1次相交的高度(虛線為平均相交高度)

從風速看，臺風鳳凰(1416)影響期間的7組數(shù)據(jù)兩廓線高度重合，相關系數(shù)幾乎均高于0.5，均方根誤差和標準差結果相近且均小于4 m·s-1。值得注意的是2014年9月22日08：00(圖6),相關系數(shù)雖僅為0.163，但兩廓線重合度非常高且標準差及均方根誤差分別僅為2.612 m·s-1和2.578 m·s-1，因此相關系數(shù)可以用于確認數(shù)據(jù)質量，但無法作為第一評判標準，標準差或者均方根誤差更合理，這也是本文將均方根誤差設定為風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)質量閾值的原因。另外，7組數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)250 m高度以下兩廓線重合度低的共同特征。從藍色比濕廓線的變化特征看，去趨勢后的比濕廓線在零值線附近振蕩且振幅較小，如圖6中2014年9月22日08：00。

臺風燦鴻(1509)影響期間僅有兩個時次的風速對比結果較好，兩廓線重合度高，且相關系數(shù)都高于0.9，標準差及均方根誤差均小于4，但也存在250 m高度以下重合度低的特征，其余3個時次的對比結果均不理想，標準差及均方根誤差都很大，且對比結果較好時比濕廓線在零值線附近小幅振蕩，而當對比結果較差時，比濕廓線振幅增加。從兩廓線重合度看，2015年7月11日06：00(圖6)的對比結果最差，比濕廓線的振蕩幅度最大，因此推測風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)質量的好壞可能與臺風內部濕度的變化有關。

圖6 風廓線雷達與探空的水平風速對比

2016年在尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)和鲇魚(1617)3個臺風影響下測得的10組數(shù)據(jù)中有4組風廓線雷達數(shù)據(jù)缺失嚴重，經(jīng)確認是風廓線雷達在觀測期間出現(xiàn)故障所致，由于缺測數(shù)據(jù)的時間并未與數(shù)據(jù)正常采集的時間交替發(fā)生，因此認為故障發(fā)生前的觀測數(shù)據(jù)并未受到影響，可以使用。剩余6組中有4組風速對比結果較好，比濕廓線也均在零線附近振蕩。圖6中2016年7月9日00:50和2016年9月27日20:05為結果較差的2組，其中00：50的比濕廓線振幅較大，與先前分析的共同特征相似，而20：05的比濕廓線無類似的大振幅特征，這可能是由于在1500 m高度以上存在風速不連續(xù)區(qū)，即大氣不均勻區(qū)域，根據(jù)探空氣球漂移的特性，該時次兩者觀測的可能并非同一均勻流體。另外，結果較好的4組數(shù)據(jù)中有2組(圖6中2016年7月9日02:55和2016年9月27日17:10)出現(xiàn)標準差與均方根誤差相差過大，分別為2.722 m·s-1與6.363 m·s-1以及1.79 m·s-1與5.583 m·s-1，兩組數(shù)據(jù)的標準差與均方根誤差大約相差4，該特征也反應在兩廓線的重合度上，可以看到這兩個時間點的兩廓線雖趨勢相近，但風速相差約5 m·s-1；其余結果較好的數(shù)據(jù)的標準差與均方根誤差相近且兩廓線重合度高，因此均方根誤差可以幫助進一步在結果較好的數(shù)據(jù)中篩選出相對較差的數(shù)據(jù)。

臺風利奇馬(1909)影響下共觀測得到12組數(shù)據(jù)，其中有7組結果較好，其余5組結果較差，在較差的5組中有4個時次相連。根據(jù)中國氣象局提供的相關資訊，利奇馬登陸時間為2019年8月9日17:45前后，對比結果較差且連續(xù)的4個時次均發(fā)生在臺風即將登陸前以及登陸時刻左右。由于浙江、福建一帶多以丘陵山地地形為主，因此風廓線雷達觀測結果變差是否和臺風接近陸地時低層環(huán)流結構受到地形破壞有關值得進一步研究。

為了進一步確認250 m高度以下數(shù)據(jù)是否影響整體數(shù)據(jù)質量，由于風廓線雷達的垂直分辨率為50 m，將風速對比結果較好的19組數(shù)據(jù)中250 m高度以下的觀測數(shù)據(jù)剔除后發(fā)現(xiàn)大部分風廓線雷達與探空數(shù)據(jù)之間的相關性變得更高，標準差變得更小，其平均標準差由原來的2.2 m·s-1下降到1.9 m·s-1(圖7)，比Weber等[6]利用美國科羅拉多州機場的探空與同站址的超高頻風廓線雷達2年測風數(shù)據(jù)對比分析后提出的兩者所測水平風速標準差為2.5 m·s-1更好。雖然本文結果是通過只選取結果較好的數(shù)據(jù)得到的，但一定程度上表明風廓線雷達可以在臺風環(huán)境下使用。標準差的減小也證實250 m高度以下的數(shù)據(jù)確實影響數(shù)據(jù)整體質量，因此在后續(xù)研究中應將該高度層以下的數(shù)據(jù)剔除后或利用更為有效的觀測手段(如激光測風雷達)將低層數(shù)據(jù)進行替換補充后使用。

圖7 風廓線雷達與探空在剔除250 m高度以下數(shù)據(jù)前后水平風速的對比

綜上所述，造成風速數(shù)據(jù)較差的原因可能與臺風中大氣濕度的分布、臺風內局部擾動導致在雷達探測波束內風不均勻、臺風受地形影響低層環(huán)流結構被破壞有關，250 m高度以下的數(shù)據(jù)確實影響數(shù)據(jù)整體質量。

2.2 水平風向評估

為了研究臺風對風廓線雷達風向數(shù)據(jù)質量的影響，類似風速對比，將34組數(shù)據(jù)的風向與探空風向進行對比，其中以臺風利奇馬(1909)影響下測得的數(shù)據(jù)對比結果最好。

臺風鳳凰(1416)的風向對比結果較風速對比結果差，7組數(shù)據(jù)風向均有明顯偏差，但兩廓線具有相同趨勢，推測造成該誤差的原因是風廓線雷達初始標定的問題，可通過后期數(shù)據(jù)處理解決。

臺風燦鴻(1509)的風向對比結果與風速對比一致，風速對比結果較好則風向對比結果也為好，風速對比結果較差則風向對比結果也較差。臺風尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)以及鲇魚(1617)的風向對比結果整體和風速對比一致。值得注意的是圖8中兩個時次風向變化，某高度區(qū)間風向的不連續(xù)也會反映在同時間點風速的變化上。

圖8 臺風鲇魚(1617)的風向與風速的變化

臺風利奇馬(1909)的風向對比顯示兩廓線重合度非常高，經(jīng)過比較，風廓線雷達觀測風向和探空觀測風向在所有高度層的平均風向誤差約為10°，幾乎一致，即風向優(yōu)于風速，同時也存在風向不連續(xù)反映在風速變化上。12組數(shù)據(jù)中18:20 的對比結果最差，該時次風速的對比結果也最差。

2.3 觀測點相對臺風中心位置與風廓線數(shù)據(jù)質量關系

圖9為觀測點與臺風中心的相對位置，可以發(fā)現(xiàn)對比結果較差的時次幾乎都發(fā)生在臺風中心距離觀測點200 km以外的范圍，但對比結果較好的時次在空間分布上無明顯規(guī)律，不同距離位置均有分布，但當臺風中心距離觀測點200 km以內時，風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)質量較好的比率較高，如圖僅有一個時次的對比結果較差，其余結果均滿足風廓線雷達風速觀測數(shù)據(jù)質量為好的條件。

圖9 觀測點與臺風中心相對位置(a)及其離散程度隨距離的分布(b)

2.4 降水與數(shù)據(jù)質量關系

研究發(fā)現(xiàn)風廓線雷達在降水條件下的數(shù)據(jù)質量會受到影響，尤其是邊界層風廓線雷達[26-27]，且在降水期間水平不均勻和垂直不均勻程度高于晴空條件下，影響測風質量[28]。但針對臺風影響下的強降水環(huán)境中風廓線雷達數(shù)據(jù)質量與降水之間的關系鮮見報道，因此本文利用通過雨滴譜儀原始數(shù)據(jù)計算得到的降水強度進行分析。根據(jù)中國氣象局的降水等級劃分，換算為降水強度(單位：mm·h-1)后可分為小雨((0,0.42))、中雨([0.42,1.042))、大雨([1.042,2.08))、暴雨([2.08,4.2))、大暴雨([4.2,10.42))以及特大暴雨(不小于10.42)。

圖10為不同臺風影響期間的降水序列，虛線分別代表與探空氣球施放時間相應的風廓線雷達數(shù)據(jù)。根據(jù)之前風速的對比結果可知臺風鳳凰(1416)的7組風廓線雷達數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)對比結果相當優(yōu)異，從降水強度看，這7組風廓線雷達數(shù)據(jù)分別采集于無雨、小雨、中雨、暴雨、大暴雨以及特大暴雨期間，涵蓋所有降水情況，有趣的是對比結果最為優(yōu)異的兩組數(shù)據(jù)分別發(fā)生在大暴雨以及特大暴雨的情況下，可見風廓線雷達且是邊界層風廓線雷達在強降水環(huán)境下采集的水平風數(shù)據(jù)質量并未像前人研究中所提到的會受降水影響。臺風燦鴻(1509)影響下的降水數(shù)據(jù)只涵蓋2015年7月10日 23:00的1個時次,該時間點的降水強度為6 mm·h-1，即大暴雨，對照前面的分析可以發(fā)現(xiàn)該時次的風速風向對比結果也非常優(yōu)異。

圖10 不同臺風影響下觀測點降水強度變化的時間序列

臺風尼伯特(1601)影響期間雨滴譜儀因故障未能獲取降水數(shù)據(jù)，因此本節(jié)不對其影響下的結果進行分析。在臺風莫蘭蒂(1614)影響下兩組數(shù)據(jù)分別采集自暴雨以及無雨的情況，從風速對比結果看，同樣是發(fā)生于暴雨下的結果優(yōu)異，而在無雨情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。臺風鲇魚(1617)影響下兩組較好的風廓線雷達數(shù)據(jù)分別觀測于無雨以及大暴雨的情況下。臺風利奇馬(1909)影響期間的11組數(shù)據(jù)中2019年8月9日09:10的風速對比結果最好，甚至是34組數(shù)據(jù)中結果最好的，相關系數(shù)高達0.97，標準差為34組數(shù)據(jù)中最小，僅為0.723 m·s-1，均方根誤差同樣也最小，為0.724 m·s-1，但是該時次數(shù)據(jù)獲取時降水強度為6.8 mm·h-1，屬于大暴雨的情況。數(shù)據(jù)質量較差的情況較為頻繁地發(fā)生在無雨或者小雨的情況下，在無雨的情況下風速對比結果也有較好時次，因此無明顯規(guī)律。實際上登陸臺風云系不均勻，降水往往不連續(xù)，因此可以推斷位于臺風邊界層內不同區(qū)域時，環(huán)境也會存在差異,大雨條件下，觀測點往往位于臺風內核區(qū)域或者臺風較對稱完整或者處于較大尺度的雨帶內，空氣濕度往往處于飽和狀態(tài)，大氣比較均勻，有利于風廓線雷達探測精度的提高，相關研究指出當風廓線雷達在均勻降水的環(huán)境下，測風準確度較好。小到中雨的條件下，觀測點往往位于臺風外圍或者臺風中較為零散云系系統(tǒng)下，此時的降水可能是非均勻降水，因此可能導致大氣在風廓線雷達探測的水平范圍內不均勻，這不符合風廓線雷達計算水平風的假設條件[29]。

圖11為數(shù)據(jù)可用性與降水強度之間的關系。從圖11a可以發(fā)現(xiàn)可用性高的數(shù)據(jù)分布在不同的降水強度下，且半成發(fā)生在大雨及以上條件下；可用性較差的數(shù)據(jù)多集中在大雨條件以下，圖11b也很好地驗證了該結果。由于風廓線雷達是通過大氣湍流對電磁波折射產生的多普勒效應從而實現(xiàn)測風，降水時雨滴產生的散射貢獻顯著，因此風廓線雷達得到的是湍流功率譜和降水功率譜的總和，本文僅對產品數(shù)據(jù)進行評估，并未深入譜數(shù)據(jù)進行分析，所以認為該邊界層風廓線雷達的產品數(shù)據(jù)質量較為可靠，可在臺風的強對流強降水環(huán)境中實現(xiàn)測風。

圖11 風廓線雷達數(shù)據(jù)可用性與降水強度之關系

綜上所述，通過對臺風降水與風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)質量之間關系的研究發(fā)現(xiàn),兩者之間無明顯關系，而在強降水過程中采集到的數(shù)據(jù)質量表現(xiàn)更好，可用性更高，在弱降水甚至無降水的情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)可用性較差數(shù)據(jù)的頻率較高，其原因可能與降水的均勻性有關，后續(xù)研究應深入譜數(shù)據(jù)對該結果進行論證。

3 結論與討論

長期以來，包括臺風在內的強對流天氣系統(tǒng)的邊界層結構及演變特征是氣象觀測和研究的難點和熱點問題，一直備受關注[30-33]。由于臺風內部狂風暴雨對觀測的干擾，風廓線雷達在臺風內部觀測的適用性存在較大不確定性，基于中國氣象局上海臺風研究所2014—2019年開展的野外臺風試驗，重點比較34組同時同點的探空和邊界層風廓線觀測數(shù)據(jù)，得到以下初步結論：

1)將風廓線雷達與探空數(shù)據(jù)對比并進行水平風速誤差分析，30組有效數(shù)據(jù)平均誤差為4.67 m·s-1，平均標準差為3.64 m·s-1，其中19組數(shù)據(jù)對比結果較好，均有250 m高度以下兩廓線重合度低、250 m高度以上重合度高的特征。將250 m高度以下數(shù)據(jù)剔除后發(fā)現(xiàn)標準差由2.2 m·s-1減小至1.9 m·s-1，證實250 m高度以下數(shù)據(jù)會對整體數(shù)據(jù)的精度產生影響，有必要在使用前剔除。

2)造成水平風速對比結果較差的原因可能是臺風中大氣濕度的分布、臺風內局部擾動導致在雷達探測波束內風不均勻，由于風廓線雷達的觀測基于均勻大氣，因此可在一定程度上描述臺風內部結構的不均勻性；另外由于浙江福建沿海多屬丘陵地形，臺風受地形影響低層環(huán)流結構被破壞也可能造成水平風速對比結果較差。

3)當臺風中心位置距離觀測點200 km以內時，風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)質量較好的比例更大。同時并未發(fā)現(xiàn)風廓線雷達數(shù)據(jù)質量與降水之間存在明顯相關，質量較好的數(shù)據(jù)存在于不同強度的降水條件下。

本文著重對臺風影響下的風廓線雷達數(shù)據(jù)質量進行分析，給出測風精度的評估結果，并對可能影響數(shù)據(jù)質量的原因進行基本描述與推論，初步可以認為Airda 3000機動式邊界層風廓線雷達的產品數(shù)據(jù)質量較為可靠，可在臺風的強對流強降水環(huán)境中實現(xiàn)測風，但其誤差特性以及觀測極限仍然有待與更多的觀測數(shù)據(jù)進行對比。另外，本文指出的風廓線雷達250 m高度以下數(shù)據(jù)質量不佳的解決辦法，后續(xù)可嘗試使用低空數(shù)據(jù)(250 m高度以下)質量較好的激光測風雷達和本文發(fā)現(xiàn)的風廓線雷達數(shù)據(jù)(250 m高度以上)進行合成，合成后觀測廓線可能使基于現(xiàn)有多源手段診斷臺風邊界層風場結構的能力得到進一步提升。

需要指出的是本文是建立在有限的幾個臺風觀測個例基礎上進行的初步研究，得到的結論還存在較大不確定性，今后需采集更多數(shù)據(jù)進行更深入分析。