上海移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)性能評(píng)估與分析

顧問(wèn)，岳彩軍，陳浩君，薛昊，張燕燕，孫娟

(1.上海市生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，上海 200030；2.上海市氣象信息與技術(shù)支持中心，上海 200030；3.上海市寶山區(qū)氣象局，寶山 201900)

引 言

風(fēng)廓線雷達(dá)(wind profiler radar,WPR)是通過(guò)向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進(jìn)行高空風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的遙感設(shè)備。WPR利用多普勒效應(yīng)能夠探測(cè)其上空風(fēng)向、風(fēng)速隨高度的變化，具有時(shí)空分辨率高、自動(dòng)化程度高、業(yè)務(wù)運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)、歐盟和日本相繼建成了WPR組網(wǎng)，主要應(yīng)用于高影響天氣監(jiān)測(cè)和數(shù)值模式資料同化(Strauch et al.，1984；Umemo?to et al.，2004；Said et al.，2016)。我國(guó)WPR技術(shù)日趨成熟，取得多方面的進(jìn)展。如在探測(cè)性能評(píng)估方面，吳志根等(2013)、陳浩君等(2015)分別從測(cè)風(fēng)精度和獲取率上研究了上海TWP3型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)性能。吳蕾等(2014)利用GLC-24型風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，分析了晴空和降水條件下風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性。王敏仲等(2015)利用CFL-03型風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)干燥的沙漠焚風(fēng)作了適用性分析。王令(2014)分析了有降水時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度的可靠性。吳志根和沈立峰(2010)通過(guò)典型個(gè)例，對(duì)邊界層風(fēng)廓線儀受地物雜波干擾和降水污染影響的問(wèn)題進(jìn)行了探討。李霞等(2016)利用烏魯木齊市連續(xù)2 a的CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)探測(cè)數(shù)據(jù)與同期探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比表明，風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)風(fēng)速的探測(cè)能力優(yōu)于風(fēng)向，二者與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)分別為0.9和0.7。何婧等(2018)評(píng)估南京市江寧區(qū)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)水平測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)顯示，其夏季的探測(cè)精度和獲取率均高于冬季。盧維忠等(2009)分析了溫度和濕度對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度的影響。另外，在高影響天氣監(jiān)測(cè)方面，利用WPR的風(fēng)場(chǎng)、折射率、譜寬等數(shù)據(jù)，在強(qiáng)對(duì)流(楊引明和陶祖鈺，2003；黃治勇等，2015)、大風(fēng)(汪學(xué)淵等，2013；王棟成等，2019；唐錢奎和張濤，2019)、暴雨(汪小康等，2012；楊成芳等，2012；葉朗明等，2019)、暴雪(李鸞等，2014；王文波等，2020)、沙塵天氣和重污染事件(王開燕等，2011；李峰和施紅蓉，2014；花叢等，2017；劉超等，2018)中也取得了很好的應(yīng)用效果。

近年來(lái)，中國(guó)氣象局大氣探測(cè)中心已將固定式WPR組網(wǎng)納入業(yè)務(wù)考核，研發(fā)了基于功率譜數(shù)據(jù)剔除地物雜波或降水干擾、基于歐式距離標(biāo)記不滿足空間連續(xù)性的疑誤數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法。WPR組網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制旨在將我國(guó)WPR資料應(yīng)用到業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)同化系統(tǒng)，以改善數(shù)值預(yù)報(bào)模式初始場(chǎng)，如張旭斌等(2015)和王丹等(2019)開展的WPR數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)中尺度模式中的同化試驗(yàn)。由于我國(guó)WPR種類、型號(hào)多，受儀器布設(shè)地理位置和客觀環(huán)境條件的制約，缺乏系統(tǒng)性的WPR探測(cè)性能和適用性評(píng)估，其質(zhì)量水平尚不能滿足業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式資料同化的要求。為了外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的需要，上海市氣象局于2015年引進(jìn)了TWP3-M型移動(dòng)式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)(mobile wind pro?filer radar,MWPR)，在非外場(chǎng)觀測(cè)時(shí)段安置于上海市寶山區(qū)氣象局。作為準(zhǔn)業(yè)務(wù)化探測(cè)設(shè)備，本文將從MW?PR的獲取率、水平風(fēng)與L波段探空測(cè)風(fēng)偏差、上海典型天氣條件下的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可信度三個(gè)方面對(duì)其探測(cè)性能進(jìn)行系統(tǒng)性評(píng)估和誤差成因分析，以便為掌握其在不同場(chǎng)景下的可用性和業(yè)務(wù)化潛力提供參考依據(jù)。

1 資料說(shuō)明與研究方法

本文中使用的資料來(lái)自上海市寶山區(qū)氣象局的MWPR，時(shí)間為2018年7月1日—2019年6月30日連續(xù)1 a，該雷達(dá)提供包含水平風(fēng)向風(fēng)速、垂直速度、信噪比、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)(Cn2)等信息。本文基于水平風(fēng)和垂直速度數(shù)據(jù)評(píng)估其獲取率、水平風(fēng)向風(fēng)速與探空偏差、水平風(fēng)和垂直速度在不同氣象條件下的可用性。MWPR主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 上海移動(dòng)式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的主要技術(shù)指際Table 1 Main technical specifications of the mobile boundary layer wind profiler in Shanghai.

全國(guó)綜合氣象信息數(shù)據(jù)共享平臺(tái)業(yè)務(wù)上傳的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)為30 min平均，故本研究中也以該數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，考查MWPR的探測(cè)性能。在研究時(shí)段內(nèi)應(yīng)得廓線17 520條，但因硬件故障、停機(jī)維護(hù)、定標(biāo)校準(zhǔn)和軟件故障等原因，實(shí)際獲得廓線15 490條，數(shù)據(jù)缺失率為11.59%。

以寶山探空站每日釋放GFE(L)-1型探空氣球的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)作為評(píng)估分析的真值，寶山探測(cè)頻次為一天3次，分別為01∶15(北京時(shí)，下同)、07∶15和19∶15，在臺(tái)風(fēng)影響或開展重大保障服務(wù)時(shí)會(huì)加密一次(13∶15)，時(shí)間上與風(fēng)廓線雷達(dá)01∶30、07∶30、13∶30、19∶30相對(duì)應(yīng)。本文所用L波段探空數(shù)據(jù)為秒數(shù)據(jù)，用L波段(1型)數(shù)據(jù)處理軟件將其處理成高度分辨率10 m的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，然后與MWPR的高度層一一對(duì)應(yīng)。在研究時(shí)段內(nèi)共有969條廓線配對(duì)成功。MWPR與寶山探空測(cè)風(fēng)的風(fēng)速(x)均方根誤差計(jì)算式為

其中，下標(biāo)FKX代表風(fēng)廓線，下標(biāo)TK代表探空。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)獲取率評(píng)估分析

數(shù)據(jù)獲取率是反映WPR探測(cè)性能的重要指標(biāo)之一，它是指一段時(shí)間內(nèi)探測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)質(zhì)量控制的次數(shù)與總探測(cè)次數(shù)的百分比。從MWPR全年獲取率的高度-時(shí)序圖(圖1a)上看到，總體上:(1)獲取率低層高，并隨高度遞減，這一特征與李霞等(2016)和何婧等(2018)的相關(guān)研究結(jié)果一致。這是因?yàn)楦叨仍礁撸諝庠较”?，湍流越弱，信噪比越低，?dǎo)致獲取率高層低于低層。(2)在邊界層內(nèi)獲取率呈現(xiàn)深夜和清晨低、午后高的日變化特征。MWPR的獲取率與大氣溫度、濕度的湍流脈動(dòng)所引起的大氣折射指數(shù)變化相關(guān)。這是由于邊界層內(nèi)大氣湍流受近地面氣溫影響，氣溫低時(shí)邊界層內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)弱，氣溫高時(shí)湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，因此獲取率與近地面氣溫有相似位相的日變化。(3)獲取率在1 000 m高度上有不連續(xù)線。由于高模態(tài)(990—5 430 m)探測(cè)距離遠(yuǎn)、探測(cè)的大氣湍流強(qiáng)度較低層大氣弱，需利用脈沖壓縮來(lái)增加信噪比和主瓣展寬、抑制旁瓣。低模態(tài)(100—990 m)與高模態(tài)采用的壓縮網(wǎng)絡(luò)頻率不同導(dǎo)致信噪比突變，表現(xiàn)為獲取率在1 000 m左右高度有不連續(xù)線。(4)在最低的幾個(gè)高度層，獲取率特別低。MWPR在100 m、160 m和220 m處的獲取率分別為6.87%、52.08%和60.57%。這是由于受上海MWPR安裝環(huán)境所限，雷達(dá)附近靜止目標(biāo)的散射信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)天線旁瓣造成的。地物雜波產(chǎn)生的多普勒頻率多在零頻附近，當(dāng)?shù)匚镫s波和低層湍流信號(hào)交疊時(shí)，就會(huì)淹沒(méi)湍流信號(hào)，這是城市氣象站中WPR普遍會(huì)遇到的情況。(5)在自由大氣中，獲取率呈現(xiàn)夜間高、白天低的特點(diǎn)，該現(xiàn)象與不同季節(jié)的獲取率差異有關(guān)。

圖1 2018—2019年上海移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)獲取率的時(shí)間-高度剖面(a)以及全年和四季平均獲取率隨高度的變化(b)(單位：%)Fig.1(a)Height-time cross section of acquisition rate(unit：%)from the mobile wind profiler in Shanghai,and(b)the variation of its average value for whole year(black line),spring(green line),summer(red line),autumn(yellow line)and winter(blue line)with height from 2018 to 2019.

圖1b顯示，MWPR全年的平均獲取率為66.14%，春、夏、秋、冬四季的獲取率分別為67.32%、67.55%、63.48%和65.57%。各季節(jié)獲取率的高度分布也呈現(xiàn)與全年類似的低空高、中高空低的特點(diǎn)，但各季之間獲取率特征略有不同(圖2)，表現(xiàn)為季節(jié)性溫濕條件和湍流強(qiáng)度差異對(duì)獲取率的復(fù)雜影響。在邊界層內(nèi)，不僅夏季(6—8月)和秋季(9—11月)的獲取率高于春季(3—5月)和冬季(12—2月)，夏秋季獲取率的日變化特征也比冬春季明顯，這是因?yàn)橄那锛具吔鐚觾?nèi)湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于冬春季、夏秋季溫濕度條件好于冬春季且其溫濕度日變化特征更明顯造成的。在自由大氣中，冬春季獲取率大于夏秋季，且冬、春和秋季自由大氣夜間的獲取率大于白天的獲取率。這是因?yàn)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)最常發(fā)生的3個(gè)區(qū)域是大氣邊界層內(nèi)、對(duì)流云體內(nèi)部和大氣對(duì)流層上部西風(fēng)急流區(qū)內(nèi)。上海夏季自由大氣受西北太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)控制，風(fēng)速小、湍流運(yùn)動(dòng)受抑制；冬、春和秋季上海上空出現(xiàn)西風(fēng)急流，其風(fēng)速大、湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，且西風(fēng)急流表現(xiàn)為夜間強(qiáng)、白天弱的日變化特點(diǎn)，這可能引起全年獲取率在自由大氣內(nèi)呈現(xiàn)夜間大、白天小的特征。

圖2 2018—2019年上海移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)獲取率日變化(單位：%)Fig.2 Height-time cross section of acquisition rate(unit:%)from the mobile wind profiler in Shanghai in(a)spring,(b)summer,(c)autumn,and(d)winter from 2018 to 2019.

若以獲取率80%為業(yè)務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)(胡明寶等，2008)，上海MWPR邊界層內(nèi)的獲取率達(dá)標(biāo)。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)誤差評(píng)估分析

寶山自動(dòng)氣象站同時(shí)也是氣象探空觀測(cè)站，MW?PR的位置與探空氣球釋放點(diǎn)一致，可認(rèn)為兩者探測(cè)的是同一地點(diǎn)的風(fēng)。由MWPR平均風(fēng)速、L波段探空平均風(fēng)速和兩者間均方根誤差隨高度分布(圖3a)可知，MW?PR水平風(fēng)速總是小于L波段探空。900 m以下，MWPR風(fēng)速偏小1.4～4.8 m·s-1，均方根誤差達(dá)4.4～5.3 m·s-1。900 m以上，MWPR風(fēng)速偏小0.1～1.5 m·s-1，均方根誤差為2.9～4.3 m·s-1。900 m高度附近風(fēng)速誤差出現(xiàn)了跳變，這一現(xiàn)象是因高模態(tài)和低模態(tài)的探測(cè)差異所致。

圖3 2018—2019年上海移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)、L波段探空的年平均風(fēng)速(單位：m·s-1)及其均方根誤差(a)以及風(fēng)速誤差頻率(單位：%)隨高度的變化(b)Fig.3(a)Annual mean wind speeds(unit:m·s-1)from the mobile wind profiler radar(red line)and L-band sounding(black line)and their root mean square errors(blue line),and(b)the variation of wind speed error frequency(unit:%)from the mobile wind profiler radar in Shanghai with height from 2018 to 2019.

以MWPR水平風(fēng)速與探空水平風(fēng)速為風(fēng)速偏差，計(jì)算在±(n,n+1]m·s-1區(qū)間內(nèi)(n為0—11的整數(shù))的風(fēng)速偏差占所有風(fēng)速偏差的比例，并將其定義為風(fēng)速誤差頻率。從風(fēng)速誤差頻率隨高度分布圖(圖3b)上看到，MWPR的風(fēng)速誤差為偏態(tài)分布，大部分?jǐn)?shù)據(jù)落在風(fēng)速偏小一側(cè)。在低模態(tài)(100—880 m)，MWPR有34.4%的數(shù)據(jù)位于偏小2.0～6.0 m·s-1的區(qū)間內(nèi)，上海低層平均風(fēng)速通常在4.0～7.9 m·s-1之間，這樣的誤差和誤差分布尚難滿足WPR直接應(yīng)用于業(yè)務(wù)。在高模態(tài)(990—5 340 m)，MWPR的風(fēng)速誤差仍為偏態(tài)分布，近60%的數(shù)據(jù)落在風(fēng)速偏小一側(cè)，有58.1%的風(fēng)速誤差在-2.0～2.0 m·s-1區(qū)間內(nèi)，上海中高空平均風(fēng)速在7.9～23.8 m·s-1之間，這一風(fēng)速誤差在定性識(shí)別低空急流、冷空氣大風(fēng)時(shí)可以滿足日常監(jiān)測(cè)服務(wù)的需求。但定量上，上海MWPR低模態(tài)和高模態(tài)的風(fēng)速精度與風(fēng)速偏差≤1 m·s-1的業(yè)務(wù)準(zhǔn)入要求尚有一定差距。

以WPR水平風(fēng)向與探空水平風(fēng)向?yàn)轱L(fēng)向偏差，計(jì)算在±(15n,15(n+1)]°區(qū)間內(nèi)(n為0—11的整數(shù))的風(fēng)向偏差占所有風(fēng)向偏差的比例，并將其定義為風(fēng)向誤差頻率。從寶山MWPR風(fēng)向誤差頻率隨高度變化圖(圖4)上看到，其風(fēng)向誤差近似于正態(tài)分布，除100 m和160 m最低兩層外，有51.1%的風(fēng)向誤差落在-15°～15°區(qū)間內(nèi)，72.5%的風(fēng)向誤差落在-30°～30°區(qū)間內(nèi)。盡管上海MWPR的風(fēng)向誤差分布結(jié)果與李霞等(2016)的相關(guān)研究結(jié)論接近，但風(fēng)向偏差超過(guò)±30°的數(shù)據(jù)比例明顯偏多。總體上看，上海MWPR的風(fēng)向精度與風(fēng)向偏差≤10°的業(yè)務(wù)準(zhǔn)入要求也存在一定差距。

圖4 2018—2019年上海移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向誤差頻率(單位:%)隨高度的變化Fig.4 Variation of wind direction error frequency(unit:%)from the mobile wind profiler radar in Shanghai with height from 2018 to 2019.

4 不同天氣條件下的測(cè)風(fēng)可靠性分析

為考查不同天氣條件下風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性，先選取上海6類典型天氣(其中，3類為無(wú)降水，3類為有降水)，再對(duì)這6類天氣分別挑選一次過(guò)程(1 d)作為個(gè)例進(jìn)行具體分析。這6例天氣及其主要特征詳見(jiàn)表2。

表2 上海6例典型天氣及其主要特征Table 2 Six typical weathers patterns in Shanghai and their main characteristics.

4.1 晴天風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2018年8月5日副高控制下上海晴熱天氣為例，分析WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可用性。寶山當(dāng)日最高氣溫35.9°C。由當(dāng)日上海MWPR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可知(圖5a)，在混合層內(nèi)獲取率的日變化特征明顯，表現(xiàn)為午后到傍晚獲取率高、凌晨到清晨較低。100—600 m以弱上升運(yùn)動(dòng)為主，表明邊界層低層受太陽(yáng)輻射的加熱作用影響，有淺薄熱力泡活動(dòng)。

為考察臨近最熱時(shí)刻、感熱交換強(qiáng)烈時(shí)的WPR測(cè)風(fēng)資料的可靠性，選取寶山8月5日13時(shí)16分加密探空與13時(shí)30分MWPR的風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2 400 m以上風(fēng)廓線的獲取率幾乎為零，這與副高近中心自由大氣湍流運(yùn)動(dòng)較弱、空氣較干燥(圖5d)有關(guān)。在低模態(tài)，MWPR探測(cè)的水平風(fēng)向與探空相差為90°～180°(圖5b)；盡管其探測(cè)的水平風(fēng)速變化趨勢(shì)與探空較為一致，但在量級(jí)上雷達(dá)探測(cè)的水平風(fēng)速比探空偏小4 m·s-1左右(圖5c)，這表明WPR在低風(fēng)速且干燥的條件下，低模態(tài)探測(cè)到的水平測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性較差。在高模態(tài)時(shí)，雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向與探空風(fēng)向一致性高，雷達(dá)風(fēng)速與探空風(fēng)速接近。

圖5 2018年8月5日上海移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)(風(fēng)向桿)和垂直速度(填色區(qū)，單位:m·s-1)日變化(a)，以及當(dāng)日13:16探空(TK)和13:30風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)的風(fēng)向廓線(b)、風(fēng)速廓線(c)與探空溫度(T)和露點(diǎn)溫度(Td)廓線(d)Fig.5(a)Hourly horizontal wind(wind barbs)and vertical velocity(color-filled areas,unit:m·s-1)from the mobile wind profiler radar in Shanghai on 5 August 2018,and(b)wind direction and(c)wind speed from radar(FKX)at 13:30 BT and sounding(TK)at 13:16 BT on the same day,and(d)temperature(T)and dew point temperature(Td)from sounding at 13:16 BT.

4.2 陰天風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2019年1月1日上海為大陸冷高壓穩(wěn)定控制、高空為東亞大槽槽后下的陰天為例，分析WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性。當(dāng)日寶山氣溫日較差僅3.7°C，全天10成云，10 m風(fēng)力3～4級(jí)，空氣干燥。由當(dāng)日上海MW?PR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)(圖6a)可知，不同于盛夏的日照條件好，冬季陰天時(shí)段3 000 m以下獲取率無(wú)明顯日變化，由于00—23時(shí)3 000 m以上高空相對(duì)濕度在7%以下(圖6d)，該時(shí)段內(nèi)3 000 m以上的獲取率低；到23時(shí)高空濕度條件改善后(圖略)，MWPR才獲取到3 000 m以上的高空測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。從圖6a中還能看到，邊界層存在弱的上升運(yùn)動(dòng)，自由大氣以弱的下沉運(yùn)動(dòng)為主。

圖6 同圖5，但日期為2019年1月1日，探空(TK)時(shí)間為19∶15，風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)時(shí)間為19∶30Fig.6 Same as Fig.5,but for sounding(TK)at 19∶15 BT and wind profiler radar(FKX)at 19∶30 BT on 1 January 2019.

為考察冷高壓穩(wěn)定控制下WPR測(cè)風(fēng)資料的可靠性，選取寶山1月1日19時(shí)15分探空與19時(shí)30分WPR的風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在低模態(tài)，雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向偏于探空風(fēng)向順時(shí)針約90°(圖6b)，風(fēng)速比探空偏小4～6 m·s-1(圖6c)，這表明WPR在低模態(tài)時(shí)探測(cè)到的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性下降。WPR高模態(tài)探測(cè)風(fēng)向準(zhǔn)確率高，其風(fēng)速比探空風(fēng)速偏小0～4 m·s-1。

4.3 多云與冷空氣影響天氣風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2019年5月6日上海一次中等強(qiáng)度冷空氣影響下的多云天氣為例，分析WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可用性。當(dāng)日寶山10 m風(fēng)力4～5級(jí)，全天8成云。由當(dāng)日上海MWPR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可知(圖7a)，06—20時(shí)鋒面過(guò)境時(shí)段，風(fēng)速較大，獲取率較高。20時(shí)以后，上海為大陸高壓控制，空氣干燥，獲取率逐漸降低。冷鋒過(guò)境時(shí)，邊界層內(nèi)有弱的上升運(yùn)動(dòng)，自由大氣以下沉運(yùn)動(dòng)為主，動(dòng)量下傳明顯。

為考察鋒面過(guò)境時(shí)WPR測(cè)風(fēng)資料的可靠性，選取寶山5月6日07時(shí)15分探空與07時(shí)30分WPR的風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2 800 m以下雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向偏于探空風(fēng)向的順時(shí)針?lè)较颍罴s45°(圖7b)，整層雷達(dá)探測(cè)風(fēng)速均小于探空風(fēng)速，偏小幅度在5～8 m·s-1之間(圖7c)。

圖7 同圖5，但日期為2019年5月6日，探空(TK)時(shí)間為07∶15，風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)時(shí)間為07∶30Fig.7 Same as Fig.5,but for sounding(TK)at 07∶15 BT and wind profiler radar(FKX)at 07∶30 BT on 6 May 2019.

4.4 臺(tái)風(fēng)天氣風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2018年8月12日上海受1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”北側(cè)螺旋云帶影響為例，分析WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可用性。當(dāng)日風(fēng)力4～5級(jí)，陣風(fēng)6～7級(jí)，07—21時(shí)雨強(qiáng)較大，平均3.6 mm·h-1，21時(shí)后轉(zhuǎn)陰并有間歇小雨。由當(dāng)日上海MWPR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可知(圖8a)，雨強(qiáng)較大時(shí)，幾乎整層均為下沉運(yùn)動(dòng)且垂直速度＞4 m·s-1。由于降水粒子對(duì)電磁波的散射遠(yuǎn)大于大氣對(duì)電磁波的散射，降水時(shí)WPR探測(cè)的垂直速度受降水粒子下落的影響，通常認(rèn)為向下的垂直速度越大雨強(qiáng)越大(章國(guó)材等，2007)。

圖8 同圖5，但日期為2018年8月12日，探空(TK)時(shí)間為13∶16，風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)時(shí)間為13∶30Fig.8 Same as Fig.5,but for sounding(TK)at 13∶16 BT and wind profiler radar(FKX)at 13∶30 BT on 12 August 2018.

為考察臺(tái)風(fēng)暴雨天氣WPR測(cè)風(fēng)資料的可靠性，選取寶山8月12日13時(shí)16分(此時(shí)雨強(qiáng)為9.8 mm·h-1)探空與13時(shí)30分WPR的風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，5 000 m以下雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向與探空風(fēng)向一致(圖8b)，其風(fēng)速略小于探空風(fēng)速(圖8c)，雷達(dá)探測(cè)風(fēng)速隨高度變化趨勢(shì)與探空接近(圖8c)。這說(shuō)明即使在雨強(qiáng)很大時(shí)，如果探測(cè)對(duì)象滿足WPR探測(cè)的均一性條件，其水平風(fēng)速和風(fēng)向仍可用。就獲取率而言，由于臺(tái)風(fēng)期間整層水汽條件很好(圖8d)，此時(shí)期獲取率始終較高(圖8a)。

4.5 局地對(duì)流天氣風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2018年8月31日上海寶山短時(shí)陣性降水天氣為例，分析局地對(duì)流天氣WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可用性。當(dāng)日19—20時(shí)寶山區(qū)發(fā)生短時(shí)陣性降水，由上海MWPR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可知(圖9a)，盡管雨強(qiáng)僅0.4 mm·h-1，降水時(shí)段內(nèi)垂直速度仍＞4 m·s-1。

另外，對(duì)比當(dāng)日陣性降水發(fā)生時(shí)19時(shí)15分探空與19時(shí)30分WPR的風(fēng)廓線發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向與探空風(fēng)向差異較大(圖9b)。近地層以西南風(fēng)為主，400 m以上為偏南風(fēng)，雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向誤差呈隨機(jī)分布，風(fēng)向偏差在-60°～60°之間。低模態(tài)時(shí)WPR風(fēng)速與探空風(fēng)速較為一致，高模態(tài)時(shí)雷達(dá)風(fēng)速比探空偏大，最大偏大幅度為11.8 m·s-1(圖9c)。就獲取率而言，由于降水前后1—2 h之內(nèi)空氣濕度大(圖9d)，獲取率較高，非降水時(shí)段獲取率只有降水時(shí)的一半左右。盡管受陣性降水的影響，WPR的獲取率較高。獲取率高并不意味著測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，由于陣性降水發(fā)生時(shí)降水和風(fēng)場(chǎng)的局地性很強(qiáng)，1 500 m以上的大氣狀況不滿足均一性條件，反而會(huì)導(dǎo)致中高層WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低。

圖9 同圖5，但日期為2018年8月31日，探空(TK)時(shí)間為19∶15，風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)時(shí)間為19∶30Fig.9 Same as Fig.5,but for sounding(TK)at 19∶15 BT and wind profiler radar(FKX)at 19∶30 BT on 31 August 2018.

4.6 雪天風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)

以2018年12月8日上海全天大雪為例，分析WPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可用性。由上海MWPR探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可知(圖10a)，整層以下沉運(yùn)動(dòng)為主，2 500 m以下層垂直速度在1.0～2.0 m·s-1之間。這說(shuō)明與液態(tài)降水類似，固態(tài)降水發(fā)生時(shí)雷達(dá)探測(cè)到的垂直速度以雪粒下落速度為主，而非大氣湍流形成的垂直運(yùn)動(dòng)。大雪時(shí)雪粒下沉速度與弱降水時(shí)雨滴下落速度接近。由于降雪時(shí)大氣均一性強(qiáng)且濕度條件好(圖10d)，數(shù)據(jù)獲取率很高(圖10a)。

圖10 2018年12月8日19:17上海探空(TK)和19:30風(fēng)廓線雷達(dá)(FKX)探測(cè)的風(fēng)向廓線(a)、風(fēng)速廓線(b)與探空溫度(T)和露點(diǎn)溫度(Td)廓線(c)Fig.10(a)Wind direction and(b)wind speed from the wind profiler radar(TK)at 19:30 BT and sounding in Shanghai(FKX)at 19:17 BT on 8 December 2018,and(c)temperature(T)and dew point temperature(Td)from sounding at 19:17 BT.

同樣，為考察固態(tài)降水發(fā)生時(shí)WPR測(cè)風(fēng)資料的可靠性，選取寶山12月8日19時(shí)17分探空與19時(shí)30分WPR的風(fēng)廓線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高模態(tài)時(shí)WPR探測(cè)到的風(fēng)向、風(fēng)速與探空較為一致(圖10b、c)；但低模態(tài)下雷達(dá)探測(cè)風(fēng)向與探空相差近180°，其探測(cè)風(fēng)速比探空偏小7～10 m·s-1，降雪時(shí)WPR在低模態(tài)時(shí)探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性下降。

4.7 各例典型天氣MWPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性綜合分析結(jié)果

對(duì)上述上海6例典型天氣條件下MWPR測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性的綜合分析結(jié)果進(jìn)行小結(jié)如下:(1)除探測(cè)對(duì)象的均一性外，濕度也是影響獲取率的重要因素，降水時(shí)段獲取率高于無(wú)降水時(shí)段，降水前后空氣潮濕時(shí)段獲取率也高于空氣干燥時(shí)段。其次是湍流強(qiáng)度，大風(fēng)速時(shí)段獲取率高，如冷空氣動(dòng)量下傳時(shí)獲取率顯著高于副高或冷高壓穩(wěn)定控制時(shí)段。(2)關(guān)于水平測(cè)風(fēng)的可靠性，風(fēng)廓線雷達(dá)在低模態(tài)時(shí)的水平測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性下降，主要原因是城市氣象站探測(cè)環(huán)境不佳。晴天、陰天以及陣性降水和小風(fēng)速時(shí)段，高模態(tài)的水平風(fēng)速偏小，但可接受，高模態(tài)的水平風(fēng)向誤差較大。在臺(tái)風(fēng)天氣和雪天，高模態(tài)的水平測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)可靠性高，但這要以探測(cè)對(duì)象滿足風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的均一性為前提。(3)關(guān)于垂直速度的可靠性，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度可反映邊界層內(nèi)由感熱加熱引起的弱上升運(yùn)動(dòng)、鋒面附近的弱上升運(yùn)動(dòng)和副高中心附近的強(qiáng)下沉運(yùn)動(dòng)。

定性分析結(jié)果表明，WPR探測(cè)的垂直速度的指向性是合理的。但需要指出的是，雨強(qiáng)較大時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的垂直速度是降水粒子的下落速度與大氣湍流速度之和。由于垂直速度無(wú)法直接探測(cè)，WPR探測(cè)的垂直速度的準(zhǔn)確性還待于進(jìn)行定量驗(yàn)證。

5 結(jié)論與討論

利用2018年7月—2019年6月上海寶山移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)資料，從獲取率、水平風(fēng)誤差和上海6類典型天氣條件下測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可信度三方面，對(duì)其探測(cè)性能進(jìn)行了評(píng)估與分析。主要結(jié)論如下：

(1)獲取率具有明顯的日變化和季節(jié)變化特征，其變化受大氣湍流強(qiáng)度影響最大，受大氣溫度和濕度影響次之。降水時(shí)或降水前后的獲取率比非降水時(shí)段高；大風(fēng)速時(shí)段獲取率比小風(fēng)速時(shí)段高；夏秋季邊界層內(nèi)獲取率高于冬春季，自由大氣中冬春季獲取率高于夏秋季。若以水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率80%為業(yè)務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，邊界層內(nèi)上海寶山站移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)的獲取率達(dá)標(biāo)。

(2)相比L波段探空的水平風(fēng)，風(fēng)廓線雷達(dá)的水平風(fēng)速偏小，低模態(tài)時(shí)有34.4%的數(shù)據(jù)位于偏小2.0～6.0 m·s-1區(qū)間內(nèi)。高模態(tài)時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)的近60%的數(shù)據(jù)位于風(fēng)速偏小一側(cè)。風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)超過(guò)±15°的風(fēng)向偏差數(shù)據(jù)占比為48.9%。以水平風(fēng)速偏差≤1 m·s-1和風(fēng)向偏差≤10°為標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)的水平測(cè)風(fēng)精度與業(yè)務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)尚有一定差距。

(3)定性分析結(jié)果表明，WPR的垂直速度的指向性是合理的。需要注意的是，雨強(qiáng)較大時(shí)，WPR探測(cè)的垂直風(fēng)速是降水粒子的下落速度與大氣湍流速度之和。WPR的水平測(cè)風(fēng)在大氣均一性強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)天、雪天可靠性高；在晴天、陰天及陣性降水和小風(fēng)速時(shí)段，其可靠性較低。

(4)上海MWPR低模態(tài)時(shí)測(cè)風(fēng)精度偏低的主要原因是城市氣象站探測(cè)環(huán)境易受電磁波干擾和建筑物阻擋?？紤]到WPR與探空的測(cè)風(fēng)原理不同、數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率差異和探空氣球升至高空時(shí)發(fā)生漂移等因素，MWPR的探測(cè)性能基本可以滿足日常監(jiān)測(cè)服務(wù)的需要，但在測(cè)風(fēng)精度上與業(yè)務(wù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)尚有一定差距。鑒于低層風(fēng)場(chǎng)對(duì)于局地強(qiáng)對(duì)流初生、重污染天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警非常重要，可考慮引入激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)或其它設(shè)備的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)來(lái)替代MWPR在低模態(tài)時(shí)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。