風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)誤差分析評估

王大鵬，孫 強，劉 俊，繆明榕，周紅根

(1.江蘇省氣象探測中心，南京 210008；2.鹽城市氣象局，鹽城 224001；3.泰州市氣象局，泰州 225300；4.南通市氣象局，南通 226007)

0 引言

風(fēng)廓線雷達是一種以晴空大氣為主要探測對象的遙感設(shè)備，其作用原理是利用大氣湍流對電磁波的散射作用，提供以風(fēng)場為主的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。根據(jù)多普勒效應(yīng)可以獲取不同波束方向的徑向速度。在一定風(fēng)場條件下，利用處在同一高度面上幾個點的徑向速度計算水平風(fēng)。風(fēng)廓線雷達的探測方式為連續(xù)的無人值守的定點遙感方式，其觀測資料具有很高的時間和空間分辨率。時間分辨率一般為6 min，空間高度分辨率一般為幾十米到一百米左右，這是其他探測手段很難達到的高時空分辨率。這種探測優(yōu)勢和資料特點為日常監(jiān)測預(yù)警預(yù)報以及數(shù)值模式預(yù)報帶來了極大方便；因此，風(fēng)廓線雷達風(fēng)場數(shù)據(jù)的質(zhì)量是氣象部門十分關(guān)心的問題。隨著風(fēng)廓線雷達布網(wǎng)的不斷深入，如何使用風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)也成為急需解決的問題。

中國風(fēng)廓線雷達網(wǎng)的建設(shè)實現(xiàn)了高時空分辨率風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)的實時獲取。吳志根[1-3]、翟亮[4-6]等開展邊界層風(fēng)廓線雷達與二次雷達測風(fēng)數(shù)據(jù)的對比分析研究；鄧闖[7，8]呂博[9，10]等評估了風(fēng)廓線雷達的測風(fēng)準(zhǔn)確度。文章利用南京站風(fēng)廓線雷達與探空站同址，對每日4次的探空觀測數(shù)據(jù)與風(fēng)廓線雷達風(fēng)場數(shù)據(jù)進行直接對比檢驗，分別利用探空觀測數(shù)據(jù)和模式再分析的風(fēng)場數(shù)據(jù)與其進行對比分析，實現(xiàn)對南京風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)質(zhì)量的系統(tǒng)定量評估。

1 風(fēng)廓線與L波段探空觀測數(shù)據(jù)對比檢驗

南京站(58238)風(fēng)廓線雷達與探空站在地理位置上重合，因此可將探空觀測數(shù)據(jù)與風(fēng)場數(shù)據(jù)進行直接對比檢驗。探空觀測的原理是利用測風(fēng)雷達跟蹤自由上升氣球，根據(jù)一段時間內(nèi)氣球飄移的距離計算水平風(fēng)，每次觀測需要60～70 min，每組數(shù)據(jù)是取樣時間點前后幾分鐘的平均值。在用無線電探空儀測風(fēng)時，因為氣球的平飄，獲取的廓線并不是嚴(yán)格的局地垂直廓線。從嚴(yán)格意義上來說，由于風(fēng)廓線雷達風(fēng)場和探空風(fēng)場的觀測方式不同，兩者在比較時，是建立在時間和空間近似一致的假設(shè)之上的。

1.1 風(fēng)廓線雷達風(fēng)場誤差的統(tǒng)計檢驗

風(fēng)廓線雷達所提供的水平風(fēng)場產(chǎn)品，有6 min資料、0.5 h和1 h的平均資料。為了分析和檢驗這3種資料的準(zhǔn)確度，將南京站的L波段秒級探空資料分別與這3種形式的風(fēng)廓線雷達資料進行匹配和比較，選取時段為2014年，每天4個時次。

首先，取6 min資料進行對比檢驗。以南京站探空風(fēng)速作為參考值，從2014年的風(fēng)速誤差散點分布可以看出，25，422個樣本中，風(fēng)速平均偏差為-0.35 m/s，均方根誤差為1.60 m/s，相關(guān)系數(shù)0.91。若定義風(fēng)速誤差小于3 m/s時為有效數(shù)據(jù)，則風(fēng)廓線風(fēng)速資料的數(shù)據(jù)獲取率為86.08%(有效數(shù)據(jù)樣本占總體數(shù)據(jù)樣本的百分比)。從風(fēng)向誤差的散點分布可以看出，在25，422個樣本中可以看出，風(fēng)向的平均偏差為4.53°，均方根誤差為17.99°，相關(guān)系數(shù)0.96。若定義風(fēng)向誤差小于20°時為有效數(shù)據(jù)，則風(fēng)廓線風(fēng)向資料的數(shù)據(jù)獲取率為74.64%。從風(fēng)廓線6 min風(fēng)場資料和探空觀測數(shù)據(jù)的整體對比來看，風(fēng)速基本無偏差且誤差較小，但個別時次的樣本存在風(fēng)廓線風(fēng)速偏大的情況。此外，當(dāng)風(fēng)速較大時，風(fēng)廓線資料風(fēng)速值相比探空觀測數(shù)據(jù)偏??；對于風(fēng)向誤差，整體偏大，但誤差在合理范圍內(nèi)。通過風(fēng)廓線數(shù)據(jù)與探空資料的匹配數(shù)據(jù)對的風(fēng)速和風(fēng)向偏差的頻率分布，能夠看出風(fēng)速偏差滿足正態(tài)分布。

其次，取0.5 h平均資料進行對比檢驗。通過分析2014年的風(fēng)速誤差散點分布可以得出25，729個樣本中，風(fēng)速平均偏差為0.31 m/s，均方根誤差為1.59 m/s，相關(guān)系數(shù)0.91，風(fēng)速的數(shù)據(jù)獲取率為86.02%。從風(fēng)向誤差的散點分布可以得出，風(fēng)向的平均偏差為6.02°，均方根誤差為18.30°，相關(guān)系數(shù)0.96，風(fēng)向的數(shù)據(jù)獲取率為74.20%。從風(fēng)廓線0.5 h的平均風(fēng)場資料和探空觀測數(shù)據(jù)的對比分析來看，風(fēng)速基本無偏差且誤差較??；風(fēng)向偏差較大，但誤差在合理的范圍之內(nèi)。

最后，取1 h平均資料進行對比檢驗。圖1(a)給出了2014年的風(fēng)速對比散點分布。25，972個樣本中，風(fēng)速平均偏差為0.39 m/s，均方根誤差為1.52 m/s，相關(guān)系數(shù)為0.92，風(fēng)速的數(shù)據(jù)獲取率為87.25%。圖1(b)給出了風(fēng)向誤差的散點分布，風(fēng)向的平均偏差為5.41°，均方根誤差為16.93°，相關(guān)系數(shù)0.96，風(fēng)向的數(shù)據(jù)獲取率為76.47%。從風(fēng)廓線1 h平均的風(fēng)場資料和探空觀測數(shù)據(jù)的對比分析來看，其大致的誤差特征與瞬時資料和0.5 h平均資料類似，不過值得注意的是，在風(fēng)速誤差方面，1 h平均資料中并無風(fēng)速值異常偏大的樣本(圖1a)；在風(fēng)向誤差方面，其統(tǒng)計特征與瞬時資料較為相似(圖1c，d)。

圖1 2014年1 h平均風(fēng)廓線資料與探空觀測的匹配數(shù)據(jù)對的散點分布和要素偏差的頻率分布：(a)風(fēng)速誤差散點分布；(b)風(fēng)向誤差散點分布；(c)風(fēng)速偏差頻率分布；(d)風(fēng)向偏差頻率分布

1.2 風(fēng)廓線風(fēng)場資料誤差的分布特征

為了深入分析風(fēng)廓線風(fēng)場資料的誤差分布特征，以1 h平均的風(fēng)廓線資料為例，給出了其2014年的風(fēng)場誤差隨高度變化的統(tǒng)計特征。在低層，風(fēng)速均方根誤差接近2 m/s，風(fēng)向均方根誤差超過20°；隨著高度增加，風(fēng)速和風(fēng)向的均方根誤差減小，風(fēng)速誤差穩(wěn)定在1.5 m/s左右，風(fēng)向誤差大約為17°，當(dāng)超過3000～4000 m高度時，風(fēng)速均方根誤差略有增大，風(fēng)向均方根誤差略有減小，整體而言，風(fēng)速和風(fēng)向的均方根誤差隨高度變化不大。對于偏差特征，在低層，風(fēng)廓線風(fēng)速偏大，當(dāng)隨高度增加時，整體上風(fēng)速偏小；而風(fēng)向一直存在微小的正偏差[11]。

圖2給出風(fēng)廓線資料風(fēng)速及風(fēng)向的均方根誤差隨風(fēng)速觀測值自身大小的變化。從圖中可以看出，與探空觀測相比，風(fēng)速測量的均方根誤差隨風(fēng)速測量值增長；同時，風(fēng)向的均方根誤差隨風(fēng)速值顯著下降。由于高空風(fēng)速較大，相比低層，其風(fēng)速均方根誤差較大，風(fēng)向均方根誤差較小。

圖2 風(fēng)速及風(fēng)向的均方根誤差隨風(fēng)速的變化

為進一步揭示風(fēng)廓線風(fēng)場資料隨時間的變化特征，文章分別計算每個月的風(fēng)場偏差和均方根誤差，并統(tǒng)計其變化。得出結(jié)論，從單一的南京站風(fēng)廓線雷達分析來看，無論風(fēng)速還是風(fēng)向，其誤差隨時間的變化均不明顯，即不存在明顯的季節(jié)變化特征。

2 風(fēng)廓線與FNL再分析數(shù)據(jù)的對比檢驗

借助NCEP全球模式的FNL再分析數(shù)據(jù)對南京風(fēng)廓線雷達的風(fēng)場資料進行對比檢驗。為了使風(fēng)廓線雷達與1°×1°再分析資料的匹配數(shù)據(jù)對在空間上具有一致性，在經(jīng)度、緯度和海拔高度3 個方向上分別對FNL再分析資料做插值處理，將其投影到風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置，從而進行直接對比。

利用2014年全年的FNL數(shù)據(jù)和風(fēng)廓線數(shù)據(jù)建立匹配數(shù)據(jù)對，以FNL再分析資料作為參考值，統(tǒng)計風(fēng)廓線資料的風(fēng)場誤差。表1和表2給出了南京雷達2014年全年的統(tǒng)計誤差。為了更細致地分析風(fēng)廓線數(shù)據(jù)質(zhì)量，統(tǒng)計分析包括了6 min、0.5 h平均和1 h平均3種資料。3種資料的風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計誤差都十分接近，這與探空觀測數(shù)據(jù)的對比分析結(jié)果相似。從風(fēng)速誤差(表1)來看，風(fēng)速均方根誤差大約為1.98 m/s，誤差較小，且相關(guān)系數(shù)較高，表明南京站風(fēng)廓線的風(fēng)速資料可信。對于風(fēng)向誤差(表2)，南京站均方根誤差大約在23°左右，其偏差約為6°。

表1 2014年南京風(fēng)廓線雷達的風(fēng)速誤差統(tǒng)計

表2 2014年南京風(fēng)廓線雷達的風(fēng)向誤差統(tǒng)計

文章分析了南京站風(fēng)廓線的風(fēng)場誤差隨高度的變化特征。采用FNL再分析數(shù)據(jù)作為真值與采用探空觀測數(shù)據(jù)作為真值的對比結(jié)果類似，風(fēng)速呈現(xiàn)出低層正偏差、高層負偏差的特征，均方根誤差低層較小，高層較大；風(fēng)向隨高度變化呈現(xiàn)出一致的正偏差，但偏差不明顯；同時，也分析了南京站風(fēng)廓線風(fēng)速和風(fēng)向誤差的逐月變化。與采用探空觀測數(shù)據(jù)作為真值的對比結(jié)果類似，無論風(fēng)速還是風(fēng)向，其誤差隨時間的變化不明顯，不存在明顯的季節(jié)變化特征。

以FNL再分析資料的風(fēng)場數(shù)據(jù)作為真值對2014年南京風(fēng)廓線雷達的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行檢驗評估，風(fēng)速誤差約1.9 m/s，風(fēng)向誤差23°。從誤差分布特征來看，與探空觀測數(shù)據(jù)進行對比所得到的結(jié)論一致。

3 結(jié)束語

文章詳細分析了2014年的南京站風(fēng)廓線資料與探空觀測數(shù)據(jù)的對比誤差特征，分別利用探空觀測數(shù)據(jù)和模式再分析的風(fēng)場數(shù)據(jù)與其進行對比分析，實現(xiàn)了對南京風(fēng)廓線雷達的數(shù)據(jù)質(zhì)量的系統(tǒng)定量評估。

利用探空觀測數(shù)據(jù)進行對比，對于6 min資料、0.5 h平均資料和1 h平均資料3種風(fēng)廓線風(fēng)場產(chǎn)品，其風(fēng)速和風(fēng)向的誤差統(tǒng)計結(jié)果較為相似。風(fēng)速偏差約-0.3 m/s，均方根誤差約1.5 m/s；風(fēng)向偏差約5°，均方根誤差約17°。相比之下，6 min資料存在個別樣本風(fēng)速偏大的情況，而經(jīng)過時間平均后，1 h平均資料不存在風(fēng)速奇異值的問題。從風(fēng)場誤差的垂直分布看，在低層，由于風(fēng)速較小，所以風(fēng)速誤差較小，但風(fēng)向誤差較大；而在高層，由于風(fēng)速較大，風(fēng)速誤差整體較大，風(fēng)向誤差較小。從風(fēng)場誤差的時間變化來看，不存在明顯的季節(jié)特征，風(fēng)廓線資料誤差的逐月變化較小。

以FNL再分析資料的風(fēng)場數(shù)據(jù)作為真值對2014年南京站風(fēng)廓線雷達的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行檢驗評估，南京站風(fēng)廓線風(fēng)速誤差約1.9 m/s，風(fēng)向誤差23°。從誤差分布特征來看，與探空觀測數(shù)據(jù)進行對比所得到的結(jié)論一致。