科爾沁邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)性能評(píng)估

舒海龍，馬洪波，姚中道，蘇雄達(dá)，劉菲兒

（1.63968部隊(duì)，吉林 白城137001；2.吉林省氣象臺(tái)，吉林 長(zhǎng)春130062；3.63863部隊(duì)，吉林 白城137001；4.63853部隊(duì)，吉林 白城137001）

無(wú)人值守氣象探測(cè)站是大氣探測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展方向，風(fēng)廓線雷達(dá)以微波遙感的方式連續(xù)探測(cè)某一區(qū)域三維大氣風(fēng)場(chǎng)，是高空風(fēng)連續(xù)探測(cè)的有效手段?？茽柷卟菰挥诖笈d安嶺背風(fēng)坡，屬溫帶草原性氣候，風(fēng)廓線雷達(dá)的部署彌補(bǔ)了周邊定時(shí)高空探測(cè)站稀少的問(wèn)題，產(chǎn)品的有效利用將使該地區(qū)預(yù)報(bào)水平有新的提高。

從20世紀(jì)60—80年代國(guó)內(nèi)外就開始利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)高空風(fēng)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，此后關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的評(píng)估等研究工作相繼開展[1-2]。在對(duì)數(shù)據(jù)獲取率的評(píng)估當(dāng)中南方的測(cè)站數(shù)據(jù)獲取率較高。何婧等[3]對(duì)2012—2016年南京市江寧區(qū)邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)資料質(zhì)量的評(píng)估表明四季大部分資料獲取率達(dá)80%以上；董保舉等[4]對(duì)云南大理風(fēng)廓線資料總的數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)獲取率＞80%。由于風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)機(jī)理的原因?qū)е聰?shù)據(jù)獲取率隨著高度的升高而降低[5]。盧維忠等[6]依據(jù)雷達(dá)方程分析了影響風(fēng)廓線雷達(dá)最大探測(cè)高度的因素，其中大氣環(huán)境因素是導(dǎo)致最大探測(cè)高度變化的重要因素。萬(wàn)蓉等[7]分析得知風(fēng)廓線雷達(dá)資料的樣本數(shù)隨著高度增加而減少；董保舉等[8]發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在對(duì)流層低層以及邊界層的探測(cè)能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高層；呂博等[9]發(fā)現(xiàn)聊城風(fēng)廓線雷達(dá)夏季有效探測(cè)高度可達(dá)6 300 m、冬季僅為1 100 m左右，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)境的濕度條件和水平風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差的波動(dòng)是影響測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估的重要因素。同時(shí)，許多學(xué)者利用不同地點(diǎn)、不同時(shí)間段的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)氣球探空進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)與氣球探空資料有較好的一致性[10-19]。

以往利用風(fēng)廓線與氣球探空對(duì)比研究采用的多為定時(shí)觀測(cè)資料（如08、20時(shí)等），這種對(duì)比的代表性是有限的；也有研究采用短時(shí)的加密氣球探空數(shù)據(jù)，這也只能代表這段時(shí)間的特征。本文利用2 a科爾沁邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率及數(shù)據(jù)缺測(cè)影響因素進(jìn)行了研究，同時(shí)以隨機(jī)時(shí)刻的氣球探空數(shù)據(jù)為樣本對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)高空探測(cè)風(fēng)的相關(guān)性等進(jìn)行分析，希望更全面地了解風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)性能，為更好地利用科爾沁邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)提供有益的參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

風(fēng)廓線數(shù)據(jù)采用科爾沁草原2016—2017年CFL20G-UHF型固定式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)逐6 min觀測(cè)資料。數(shù)據(jù)的時(shí)間單位均為北京時(shí)間，測(cè)站海拔198 m。雷達(dá)設(shè)計(jì)探測(cè)高度3 000 m，實(shí)際探測(cè)高度可達(dá)4 000 m。數(shù)據(jù)輸出以100 m分層，從100～4 000 m共41層。

氣球探空數(shù)據(jù)為距風(fēng)廓線雷達(dá)站500 m左右的高空探測(cè)雷達(dá)獲取，共獲得氣球探空數(shù)據(jù)737組，其中633組3 000 m以下以100 m分層、3 000～4 000 m以200 m分層。根據(jù)探空氣球的升速，上升到10 km高度大約需要25 min，為了盡可能保證風(fēng)廓線雷達(dá)與探空測(cè)風(fēng)采樣的一致[20-21]，將風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行30 min平均，同時(shí)將常規(guī)高空探測(cè)數(shù)據(jù)處理成與風(fēng)廓線雷達(dá)采樣高度一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[22]。

文中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為當(dāng)年12月—次年2月。

1.2 數(shù)據(jù)處理

風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理包括：（1）剔除缺測(cè)數(shù)據(jù)和亂碼；（2）將風(fēng)速、風(fēng)向分解為u分量（緯向風(fēng)，向東為正）和v分量（經(jīng)向風(fēng)，向北為正）；（3）根據(jù)氣球探空數(shù)據(jù)查找對(duì)應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，將該時(shí)刻前2次后3次6 min平均的u、v分量做平均，生成30 min的平均風(fēng)場(chǎng)資料；（4）剔除一段時(shí)間內(nèi)無(wú)變化的數(shù)據(jù)。

氣球探空數(shù)據(jù)的處理包括：（1）剔除缺測(cè)數(shù)據(jù)和亂碼；（2）將風(fēng)速、風(fēng)向分解為u、v分量；（3）利用高空探測(cè)軟件將氣球探空風(fēng)數(shù)據(jù)處理成與風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)相同的高度。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)獲取率分析

2.1 數(shù)據(jù)總體缺測(cè)率

圖1為2016年1月—2017年12月科爾沁邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)每6 min一次探測(cè)的廓線缺測(cè)率日變化。圖中每一點(diǎn)為一次探測(cè)的缺測(cè)率（即：數(shù)據(jù)缺測(cè)層數(shù)/總層數(shù)），填色代表該時(shí)次探測(cè)廓線的整層上的數(shù)據(jù)缺測(cè)率；灰色代表該條廓線缺測(cè)率為0%，數(shù)據(jù)完整；紅色代表該條廓線缺測(cè)率為100%，數(shù)據(jù)不可用；白色代表設(shè)備沒(méi)有開機(jī)。由于在設(shè)備改造后測(cè)試階段（2016年1月—2017年3月）的反演算法問(wèn)題，導(dǎo)致該階段數(shù)據(jù)缺測(cè)率較高，特別是2016年1—5月數(shù)據(jù)缺測(cè)率大部分在80%以上，2016年10月—2017年2月數(shù)據(jù)缺測(cè)率降低到40%左右，2017年3月之后數(shù)據(jù)缺測(cè)率明顯降低、完整性較好。

圖1 風(fēng)廓線雷達(dá)每條數(shù)據(jù)缺測(cè)率日變化

2.2 數(shù)據(jù)缺測(cè)率的垂直分布和季節(jié)對(duì)比

由圖2中可知，風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率隨高度的增加先增大后減小。3 000 m以下獲取率隨高度先增大后減小，除春季外各季節(jié)數(shù)據(jù)獲取率都在60%以上。300～3 000 m平均數(shù)據(jù)獲取率＞75%，300～2 600 m平均數(shù)據(jù)獲取率在80%以上，到3 500 m以上數(shù)據(jù)獲取率開始迅速減小。300～700 m各層數(shù)據(jù)獲取率相近，冬季獲取率略大，秋季獲取率略小。700 m以上夏季獲取率最大，冬季數(shù)據(jù)獲取率最小，700～3 500 m夏季數(shù)據(jù)獲取率＞90%，700～3 000 m冬季數(shù)據(jù)獲取率＞60%。綜合2 a數(shù)據(jù)，設(shè)備在冬春兩季3 000 m以下數(shù)據(jù)完整性較強(qiáng)，夏秋兩季3 600 m以上數(shù)據(jù)完整性較強(qiáng)。

圖2 風(fēng)廓線雷達(dá)各季節(jié)數(shù)據(jù)獲取率

2.3 數(shù)據(jù)缺測(cè)率日變化

從風(fēng)廓線雷達(dá)各層數(shù)據(jù)獲取率日變化圖（圖3）中可以看出，數(shù)據(jù)獲取率隨高度的增加先增大后減小。3 500 m以下數(shù)據(jù)獲取率都在50%以上，數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加逐漸減小；3 600 m以上數(shù)據(jù)缺測(cè)率迅速減小。各層中600～3 500 m獲取率日變化較為明顯，呈現(xiàn)出一種日出后獲取率低、午后高的趨勢(shì)。獲取率最小值一般出現(xiàn)在06—08時(shí)、最大值出現(xiàn)在16時(shí)左右。主要是由于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)主要依靠大氣中的湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的折射率在時(shí)間上和空間上不均勻分布。大氣折射率起伏越大，湍流運(yùn)動(dòng)越劇烈則回波信號(hào)越強(qiáng)，雷達(dá)作用距離就越大。由大氣折射率方程可知，大氣折射指數(shù)隨著氣溫的增加、氣壓和水汽壓的減小而減小，隨著氣溫的減小、氣壓和水汽壓的增加而增加。隨著太陽(yáng)輻射的增加，地表溫度上升，地面向上輻射增大，邊界層氣溫的升高，大氣中的湍流活動(dòng)加強(qiáng)，使得雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率增加[6]。

圖3 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率日變化

2.4 數(shù)據(jù)獲取率相關(guān)因素分析

為了探討風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)缺測(cè)的相關(guān)因素，利用風(fēng)廓線雷達(dá)和氣球探空數(shù)據(jù)進(jìn)行了風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率與常規(guī)探測(cè)氣象要素之間的相關(guān)性分析（圖4）。通過(guò)計(jì)算相對(duì)濕度、風(fēng)速與數(shù)據(jù)獲取率之間的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)要素與數(shù)據(jù)獲取率沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

利用相對(duì)濕度求取比濕，分析比濕與數(shù)據(jù)獲取率之間的相關(guān)性，計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)均已通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。從圖4可知，2 800 m以下比濕與數(shù)據(jù)獲取率的相關(guān)系數(shù)都在0.35以上，2 500～2 900 m二者相關(guān)系數(shù)＞0.4，3 000 m以上二者相關(guān)系數(shù)逐漸減小。同時(shí)，3 000 m以下數(shù)據(jù)獲取率與氣溫的相關(guān)系數(shù)維持在0.45左右，3 000 m以上二者相關(guān)系數(shù)逐漸減?。▓D3，圖4）。

圖4 風(fēng)廓線雷達(dá)各層數(shù)據(jù)獲取率與比濕和氣溫的相關(guān)性

從以上分析看出，數(shù)據(jù)獲取率的大小與比濕和氣溫具有一定的相關(guān)性。同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)獲取率的大小與相對(duì)濕度和風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行了分析，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)性。

將風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)按季節(jié)分組，然后將氣球探空數(shù)據(jù)中的氣溫按照對(duì)應(yīng)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取和缺測(cè)進(jìn)行分組，利用箱線圖（圖5）分析各季節(jié)數(shù)據(jù)獲取與否同氣溫的關(guān)系。在箱線圖中，箱子中間的條線代表了數(shù)據(jù)的中位數(shù)，箱子的上下底分別是數(shù)據(jù)的上四分位數(shù)和下四分位數(shù)，這意味著箱體包含了50%的數(shù)據(jù)。因此，箱子的高度在一定程度上反映了數(shù)據(jù)的波動(dòng)程度。上下邊緣則代表了該組數(shù)據(jù)的最大值和最小值，箱子外部的一些點(diǎn)可以理解為數(shù)據(jù)中的“異常值”。

由圖5可知，各種情況中氣溫分布較為均勻，各季節(jié)中數(shù)據(jù)已獲取的比缺測(cè)的氣溫中位數(shù)都高；春季和秋季氣溫變化較大，數(shù)據(jù)已獲取比缺測(cè)的整體氣溫明顯偏高，且數(shù)據(jù)離散程度較大；冬季和夏季氣溫變化較小，數(shù)據(jù)獲取比缺測(cè)的整體氣溫偏高不明顯，但數(shù)據(jù)離散程度相對(duì)數(shù)據(jù)缺測(cè)的情況較小。

圖5 風(fēng)廓線雷達(dá)各季節(jié)數(shù)據(jù)獲取率與氣溫的關(guān)系

3 風(fēng)廓線雷達(dá)與氣球探空數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 高空風(fēng)場(chǎng)總體對(duì)比

圖6是氣球探空數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)u、v分量對(duì)比的散點(diǎn)分布，對(duì)比的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為15 669對(duì)。其中，u分量的相關(guān)系數(shù)為0.37、v分量的相關(guān)系數(shù)為0.69。圖中u分量風(fēng)正值比例占優(yōu)，反映了本地邊界層緯向風(fēng)以偏西風(fēng)為主的特點(diǎn)。分別對(duì)u、v分量進(jìn)行一階擬合（圖中灰色直線），擬合線斜率分別為0.52、0.83，且與y=x的交點(diǎn)接近原點(diǎn)。擬合分析表明風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)u、v分量的反演特征與常規(guī)高空探測(cè)并不是一致的，在負(fù)值區(qū)（即東風(fēng)和南風(fēng)分量）比常規(guī)高空探測(cè)大，在正值區(qū)（即西風(fēng)和北風(fēng)分量）比常規(guī)高空探測(cè)小。

圖6 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與氣球探空數(shù)據(jù)散點(diǎn)

風(fēng)廓線與高空探測(cè)水平風(fēng)的各層相關(guān)性隨高度的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)（圖7）。200 m以下二者相關(guān)系數(shù)＜0.2。隨著高度的增加，到1 000 m左右相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，u分量相關(guān)系數(shù)最大值為0.83（900 m），v分量相關(guān)系數(shù)最大值為0.92（1 100 m）。u分量相關(guān)系數(shù)在400～1 900 m＞0.4，500～1 300 m＞0.6；其中3 000、3 900和4 000 m高度上相關(guān)系數(shù)未通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)。v分量相關(guān)系數(shù)在400～3 800 m＞0.4，500～3 400 m＞0.6，700～2 300 m＞0.8。

圖7 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與氣球探空數(shù)據(jù)相關(guān)性

3.2 按風(fēng)速分組對(duì)比分析

為了對(duì)比不同水平風(fēng)速條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)高空探測(cè)之間的差異，按照常規(guī)高空探測(cè)的水平風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速分段分析。將氣球探空數(shù)據(jù)按水平風(fēng)速分為＜5 m/s、5～10 m/s、10～15 m/s和15 m/s以上4個(gè)風(fēng)速段，4個(gè)風(fēng)速段的樣本數(shù)隨著風(fēng)速的增大而減少。在各風(fēng)速段中u分量的相關(guān)系數(shù)都在0.3以下，15 m/s以上的u分量未通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)；而各風(fēng)速段中v分量的相關(guān)系數(shù)都在0.3以上，v分量15 m/s以上的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.79。u分量隨著風(fēng)速增大整體相關(guān)系數(shù)呈下降趨勢(shì)，v分量隨著風(fēng)速增大整體相關(guān)系數(shù)呈增大趨勢(shì)（圖8）。

圖8 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與氣球探空數(shù)據(jù)相關(guān)性按風(fēng)速分組對(duì)比

3.3 按季節(jié)分組數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為了對(duì)比不同季節(jié)風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)高空探測(cè)之間的相關(guān)程度，按季節(jié)對(duì)二者相關(guān)性進(jìn)行了分析，4個(gè)季節(jié)中春季樣本數(shù)最多，冬季樣本數(shù)最少。u、v分量的相關(guān)系數(shù)從春季到冬季呈下降趨勢(shì)。春季u、v分量相關(guān)系數(shù)分別為0.72和0.81，冬季u、v分量相關(guān)系數(shù)分別為0.1和0.3，所有相關(guān)性都通過(guò)了0.01顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)，v分量的相關(guān)系數(shù)在各個(gè)季節(jié)都高于u分量（圖9）。

圖9 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與氣球探空數(shù)據(jù)相關(guān)性按季節(jié)分組對(duì)比

為了對(duì)比不同季節(jié)風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)高空探測(cè)之間的差異，對(duì)各個(gè)季節(jié)風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)高空探測(cè)平均風(fēng)速的平均偏差、偏差標(biāo)準(zhǔn)差及平均垂直廓線進(jìn)行了分析。由圖10可知，春季風(fēng)廓線雷達(dá)平均風(fēng)速隨高度的變化與氣球探空風(fēng)速的一致性較好，在1 000～3700 m，兩者的平均偏差接近于0，兩者偏差的標(biāo)準(zhǔn)差在900～1 800 m高度上都＜3 m/s；夏季風(fēng)廓線雷達(dá)平均風(fēng)速整體比氣球探空偏大，兩者平均偏差在400～2 400 m為2 m/s左右，偏差的標(biāo)準(zhǔn)差在500～3 000 m高度上基本都＜4 m/s；秋季風(fēng)廓線雷達(dá)平均風(fēng)速與氣球探空平均風(fēng)速在400～1 100 m高度上一致性較好，1 100 m以上風(fēng)廓線測(cè)風(fēng)比氣球探空風(fēng)速隨高度變大；冬季風(fēng)廓線雷達(dá)平均風(fēng)速與氣球探空平均風(fēng)速差別較大，200 m以下及1 000 m以上平均風(fēng)速風(fēng)廓線雷達(dá)都比氣球探空大。除春季外，各季節(jié)風(fēng)廓線平均風(fēng)速都比氣球探空大，春季二者一致性最好；夏秋季300 m以下二者相差較大，風(fēng)廓線平均風(fēng)速都比氣球探空整體偏大；冬季二者一致性較差。

圖10 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與氣球探空數(shù)據(jù)各季節(jié)平均偏差與偏差標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

4 結(jié)論

利用2 a科爾沁邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料和700余組氣球探空數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取率及高空風(fēng)探測(cè)性能進(jìn)行了評(píng)估對(duì)比。

（1）發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)全年平均數(shù)據(jù)獲取率隨高度的增加先增大后減小，3 000 m以下全年平均數(shù)據(jù)獲取率都在60%以上，其中夏季獲取率最大，冬季最小。數(shù)據(jù)獲取率存在日出后數(shù)據(jù)缺測(cè)率高，午后缺測(cè)率低的變化趨勢(shì)。各層數(shù)據(jù)獲取率與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.45左右、與比濕的相關(guān)系數(shù)為0.35左右。數(shù)據(jù)已獲取的比缺測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的氣球探空氣溫普遍偏高。

（2）對(duì)比風(fēng)廓線與常規(guī)高空探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者v分量的相關(guān)系數(shù)大于u分量。400～1 900 m，u分量相關(guān)系數(shù)為0.4以上，500～3 400 m，v分量相關(guān)系數(shù)為0.6以上。風(fēng)廓線雷達(dá)與氣球探空數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)中，u分量相關(guān)系數(shù)隨風(fēng)速的增大而減小，u分量相關(guān)系數(shù)＜0.3；v分量隨風(fēng)速的增大而增大，v分量相關(guān)系數(shù)＞0.35。從春季到冬季u、v分量相關(guān)系數(shù)都呈減小趨勢(shì)，春季u、v分量相關(guān)系數(shù)＞0.7，冬季u分量相關(guān)系數(shù)＜0.2，v分量相關(guān)系數(shù)＞0.3。各個(gè)季節(jié)中春季風(fēng)速平均偏差最小、冬季最大。