風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品與ERA5 再分析資料的對(duì)比分析

黃 晴，梁維亮，黃 榮

（廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)，南寧 530022）

引言

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型的地基測(cè)風(fēng)雷達(dá)，利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用對(duì)大氣進(jìn)行探測(cè)，以獲取風(fēng)廓線等產(chǎn)品。風(fēng)廓線雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)提供大氣的三維風(fēng)場(chǎng)、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度的分布，具有時(shí)空分辨率高、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性好的特征［1］。對(duì)其產(chǎn)品的應(yīng)用是對(duì)常規(guī)探空觀測(cè)的有力補(bǔ)充，有助于提高當(dāng)?shù)貜?qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警的能力，對(duì)中小尺度天氣、對(duì)流演變具有預(yù)報(bào)意義。目前風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)降水［2-3］、冰雹［4-5］、臺(tái)風(fēng)［6］等過(guò) 程中都得到了應(yīng)用分析。為了更好地使用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品，首先要了解產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

目前，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證主要以常規(guī)探空資料為主，并且有學(xué)者在對(duì)比中探究了質(zhì)控閾值。萬(wàn)蓉等［7］對(duì)黑山站風(fēng)廓線雷達(dá)資料與加密探空資料進(jìn)行對(duì)比，探究有效樣本比率。吳蕾等［8］進(jìn)行了北京南郊大氣探測(cè)試驗(yàn)基地的L 波段雷達(dá)探空與風(fēng)廓線雷達(dá)資料的相關(guān)性分析。費(fèi)松等［9］設(shè)置了5 個(gè)置信度門(mén)限，將風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)分成6 個(gè)數(shù)據(jù)集，再分別與探空資料進(jìn)行對(duì)比。王棟成等［10-11］對(duì)濟(jì)南邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料和L 波段雷達(dá)探空測(cè)風(fēng)進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)地分析了兩者大風(fēng)數(shù)據(jù)的各種統(tǒng)計(jì)特征，并探究了長(zhǎng)期時(shí)空變化規(guī)律。一般而言，數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作主要受資料時(shí)空分辨率的制約。氣球探空資料一天兩個(gè)時(shí)次，時(shí)間分辨率低。氣球上升速度約為380m·min-1［12］，完成一次探空具有時(shí)間差，受風(fēng)和降水的影響氣球還會(huì)出現(xiàn)水平漂移，所以探空數(shù)據(jù)和風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)存在不可避免的偏差。再加上探空站點(diǎn)稀疏，可用于對(duì)比的資料很有限。有學(xué)者利用再分析資料進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證工作［13-14］，再分析資料的高時(shí)空分辨率特點(diǎn)能有效保證用于對(duì)比的樣本量。

選用ECMWF 第五代再分析資料ERA5 與2019 年至2020 年（非連續(xù)時(shí)段）廣西三部風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)時(shí)風(fēng)產(chǎn)品作對(duì)比分析，探究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。再分析資料ERA5 前身為ERA-Interim，具有高時(shí)空分辨率，采用由10 名成員組成的集合4D-Var 資料同化系統(tǒng)來(lái)評(píng)估大氣的不確定性，并且利用更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，特別是衛(wèi)星資料進(jìn)行先進(jìn)的數(shù)據(jù)同化，能更準(zhǔn)確的估計(jì)大氣狀況［15］，作為參照物用來(lái)分析氣象要素的垂直場(chǎng)具有很大的優(yōu)越性。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

選用的三部風(fēng)廓線雷達(dá)分別位于北海、南寧和柳州。北海站風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度為100～11380m，垂直分辨率自下而上為60m、120m、240m，2020 年起對(duì)低層的探測(cè)精度加大，探測(cè)高度由55 層增加至68 層。南寧站探測(cè)高度為150～18390m，共79 層。柳州站探測(cè)高度為150～14550m，共63 層。后兩個(gè)站的垂直分辨率自下而上均為120m 和240m。

風(fēng)廓線雷達(dá)有三種水平風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品：實(shí)時(shí)采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)（ROBS）、0.5h 平均采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)（HOBS），1h 平均采樣高度上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)（OOBS）。其中ROBS 產(chǎn)品是每6min 完成一次體掃獲取一組數(shù)據(jù)，具有很高的時(shí)間分辨率，有利于實(shí)時(shí)氣象分析預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)上的應(yīng)用。為方便對(duì)比，對(duì)ROBS 和HOBS 產(chǎn)品均選取整點(diǎn)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

ERA5 再分析資料是選用1979 年至今等壓面小時(shí)數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1h，垂直高度從1000hPa 到1hPa 共37 個(gè)等壓層。

1.2 對(duì)比方法

首先將ERA5 再分析資料位勢(shì)高度換算成海拔高度，然后將兩種資料進(jìn)行相應(yīng)時(shí)次的高度對(duì)比。采用鄰近法將高度最鄰近，并且高度差小于風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)所在高度的垂直分辨率作為一組樣本數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)誤差指標(biāo)主要有：

N 為樣本數(shù)，O 為風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品，E 為再分析資料，S 為標(biāo)準(zhǔn)差，風(fēng)向差定義為-180°～180°。MAE反映了誤差的平均狀態(tài)，消除了正負(fù)偏差相互抵消的情況，值越小，說(shuō)明兩者誤差越小。RMSE 反映了誤差的離散程度，值越小，說(shuō)明誤差分布越集中，對(duì)極端誤差反應(yīng)敏感。BIAS 反映了偏離程度，大于1則說(shuō)明風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)值總體大于再分析資料，小于1 說(shuō)明風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)值偏小，越接近1 說(shuō)明誤差越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)比

表1 為北海站三種風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品與ERA5 再分析資料的對(duì)比分析。兩者的風(fēng)向相關(guān)系數(shù)均大于0.6，風(fēng)速相關(guān)系數(shù)均大于0.7。平均比偏差都略小于1，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)總體小于ERA5 數(shù)據(jù)。ROBS、HOBS、OOBS 之間數(shù)值差距非常小，整層平均風(fēng)向風(fēng)速R 和BIAS 的差值都小于0.02。風(fēng)向MAE 最大差值為0.88°，RMSE 最大差值為1.25°。風(fēng)速M(fèi)AE最大差值為0.06m·s-1，RMSE 最大差值為0.07m·s-1.其中風(fēng)向在1km 以下、9km 以上，風(fēng)速在0.5km 以下、9km 以上指標(biāo)差值顯著增大。MAE 差值在0.5km以下最大，風(fēng)向差為2.03°，風(fēng)速差為0.10m·s-1。風(fēng)向的RMSE 最大差值在0.5～1km，達(dá)2.23°，風(fēng)速的RMSE 最大差值在9km 以上高度，達(dá)0.43m·s-1。說(shuō)明整體上風(fēng)廓線雷達(dá)在一小時(shí)內(nèi)單次體掃探測(cè)的水平風(fēng)數(shù)據(jù)與小時(shí)平均數(shù)據(jù)差異小，特別是在1～9km高度探測(cè)的水平風(fēng)波動(dòng)很小，風(fēng)速比風(fēng)向的波動(dòng)更小，在近地層和高層波動(dòng)增大。柳州站也有相似特點(diǎn)（表略），但該站更易受近地層摩擦影響，水平風(fēng)波動(dòng)小的高度主要在2～9km。OOBS 產(chǎn)品無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速，平均絕對(duì)誤差和均方誤差都最小，稍顯優(yōu)勢(shì)。但鑒于ROBS 產(chǎn)品的時(shí)間分辨率更大，在氣象業(yè)務(wù)上有更大的優(yōu)越性，將著重分析該產(chǎn)品。

表1 北海站三種風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品與ERA5 資料水平風(fēng)的對(duì)比

2.2 不同高度分組對(duì)比

如表2 所示，北海站無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速都呈現(xiàn)中層相關(guān)性最好，高層優(yōu)于低層，近地層最差的單波峰特點(diǎn)。相比風(fēng)向，風(fēng)速在整層都表現(xiàn)出更高的相關(guān)性。風(fēng)向在4～6km 相關(guān)性最好，R 達(dá)到0.76，并且誤差也最小、最集中。風(fēng)速在4～9km 相關(guān)性最好，R 達(dá)到0.87，2～4km 相關(guān)性也超過(guò)了0.8，并且在這個(gè)高度誤差最小、最集中。無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速都在小于0.5km 的近地層表現(xiàn)出最差的相關(guān)性，R 均小于0.4，誤差也最大、最離散。從BIAS 來(lái)看，北海站風(fēng)廓線雷達(dá)整層風(fēng)向數(shù)據(jù)都略小于ERA5。風(fēng)速在1km以下要明顯小于ERA5，在2～9km 稍大于ERA5?？偟膩?lái)說(shuō)，北海站風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在2～6km 數(shù)據(jù)質(zhì)量最好，在0.5km 以下質(zhì)量最差。

表2 北海站ROBS 產(chǎn)品與ERA5 資料不同高度水平風(fēng)的對(duì)比

從表3 可看出，南寧站整體數(shù)據(jù)誤差要大于北海站。其風(fēng)向相關(guān)性呈雙波峰特點(diǎn)，在2～4km 和6～9km 最好，R 超過(guò)0.6，并且在0.5～4km 相關(guān)性要好于風(fēng)速。風(fēng)速相關(guān)性呈單波峰特點(diǎn)，在4～9km 最好，達(dá)到0.74，在0.5km 以下和4～9km 優(yōu)于風(fēng)向。風(fēng)向在1～2km 誤差最集中，2～4km 誤差最小。風(fēng)速在4～6km 數(shù)據(jù)質(zhì)量最好。無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速都在0.5km以下呈現(xiàn)非常差的相關(guān)性，R 均小于0.2。但誤差最大、最離散的是在9km 以上高度。從誤差偏離程度來(lái)看，南寧站風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)大部分要小于ERA5，特別是近地層的風(fēng)速，BIAS 值小于0.5，只有0.5km以下和9km 以上的風(fēng)向數(shù)據(jù)大于ERA5?？偟膩?lái)說(shuō)，南寧站風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品的水平風(fēng)向在1～4km 質(zhì)量最好，風(fēng)速在4～6km 最好，9km 以上無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速質(zhì)量都最差。

表3 南寧站ROBS 產(chǎn)品與ERA5 資料不同高度水平風(fēng)的對(duì)比

柳州站無(wú)論風(fēng)向還是風(fēng)速的相關(guān)性都呈雙波峰特點(diǎn)，特別是4～9km 表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，風(fēng)向R 大于0.6，風(fēng)速R 甚至超過(guò)了0.8（表4）。同樣也是在0.5km以下相關(guān)性最差，風(fēng)速R 為0.2，風(fēng)向R 僅為0.03。在0.5～2km 和9km 以上風(fēng)向相關(guān)性比風(fēng)速更大，其它高度上風(fēng)速相關(guān)性更大。柳州站的誤差整體也是大于北海站。誤差最小的是在4～6km，風(fēng)向和風(fēng)速的誤差都最集中。風(fēng)向誤差最大的是在0.5km 以下的近地層，風(fēng)速誤差最大是在9km 以上的高空。柳州站風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)也是大部分要小于ERA5，風(fēng)速的偏離程度大于風(fēng)向，只有0.5km 以下的風(fēng)向BIAS值大于1?？偟膩?lái)說(shuō)，柳州站風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品在4～6km 質(zhì)量最好，風(fēng)向在小于0.5km，風(fēng)速在大于9km的質(zhì)量最差。

表4 柳州站ROBS 產(chǎn)品與ERA5 資料不同高度水平風(fēng)的對(duì)比

3 極端誤差閾值選取

由于觀測(cè)原理和數(shù)據(jù)處理方式不同，兩種資料存在誤差在所難免。當(dāng)誤差大于一定數(shù)值后，會(huì)被認(rèn)定為可疑數(shù)據(jù)。怎樣定義極端誤差閾值以供數(shù)據(jù)篩選，為后續(xù)預(yù)報(bào)和研究工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是要探究的問(wèn)題。萬(wàn)蓉等［7］定義風(fēng)向差在20°以內(nèi)、風(fēng)速差在3m·s-1以內(nèi)為有效樣本。吳蕾等［8］定義大于“三倍標(biāo)準(zhǔn)差”為較大偏差，進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除。郭啟云等［16］在對(duì)測(cè)風(fēng)質(zhì)量控制研究中，基于平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)置了可疑值閾值和錯(cuò)誤值閾值。大多數(shù)關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)和探空觀測(cè)系統(tǒng)資料的對(duì)比研究都表現(xiàn)出20～25°，2～3m·s-1的標(biāo)準(zhǔn)偏差［17-18］，并由此設(shè)置誤差閾值得到70%以上的有效樣本率［19］。

設(shè)置0.5m·s-1的風(fēng)速間隔和5°的風(fēng)向間隔，分別循環(huán)剔除大于閾值的極端誤差，并計(jì)算剔除后的樣本的均方誤差（RMSE）、數(shù)據(jù)有效率和平均絕對(duì)誤差（MAE），同時(shí)分析隨著閾值的減小三個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)的增長(zhǎng)幅度，計(jì)算公式如下：

由圖1 可看出，北海站風(fēng)速差閾值設(shè)置在7～12m·s-1時(shí)，隨著閾值的減小，RMSE、有效率和MAE的增幅都緩慢增加或是持平。閾值由7m·s-1減小至6.5m·s-1時(shí)，RMSE 的增幅減小，MAE 和有效率的增幅幾乎不變。當(dāng)閾值減小至6.5m·s-1以下時(shí)，三個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)的增幅都大幅度增加，斜率顯著增大。說(shuō)明北海站風(fēng)速差主要集中在6.5m·s-1以下，當(dāng)誤差閾值設(shè)置在該區(qū)間，會(huì)有大量數(shù)據(jù)被剔除，導(dǎo)致可用數(shù)據(jù)顯著減少。由此本文設(shè)定北海站風(fēng)速差閾值為6.5m·s-1，此時(shí)得到的MAE 為2.03m·s-1，數(shù)據(jù)有效率為91.54%。較北海站而言，南寧站的增幅曲線斜率較為一致，沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說(shuō)明風(fēng)速差分布比較平均。鑒于許多研究都得到小于3m·s-1的標(biāo)準(zhǔn)偏差，本文將設(shè)置7m·s-1為南寧站的風(fēng)速差閾值，該閾值下MAE 減小為2.88m·s-1，恰好小于3m·s-1，數(shù)據(jù)有效率為79.77%。柳州站風(fēng)速差閾值在大于8m·s-1時(shí)，隨著閾值減小，檢驗(yàn)指標(biāo)的增幅整體緩慢增大，其中閾值由10.5m·s-1減小至10m·s-1和由8.5m·s-1減小至8m·s-1時(shí)，出現(xiàn)了增幅減小的現(xiàn)象。當(dāng)閾值減小至8m·s-1以下后，增幅呈穩(wěn)定增大的趨勢(shì)。因此本文設(shè)定柳州站風(fēng)速差閾值為8m·s-1，此時(shí)得到的MAE 為2.44m·s-1，數(shù)據(jù)有效率為89.10%。

圖1 剔除不同風(fēng)速差閾值后RMSE、數(shù)據(jù)有效率、MAE 的增幅

圖2 是以5°風(fēng)向差為間隔的檢驗(yàn)指標(biāo)增幅情況。北海站風(fēng)向差閾值在大于105°時(shí)，RMSE 和MAE 的增幅呈波動(dòng)狀，時(shí)而增大時(shí)而減小。當(dāng)閾值減小至105°以下時(shí)，增幅才較穩(wěn)定地呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此設(shè)定北海站風(fēng)向差閾值為105°，此時(shí)得到的MAE 為23.47°，數(shù)據(jù)有效率為92.49%。南寧站增幅也是在大閾值區(qū)間呈波動(dòng)狀，直至100°才開(kāi)始穩(wěn)定增大，此時(shí)MAE 為23.97°，有效率為90.04%。柳州站的波動(dòng)性更強(qiáng)，呈現(xiàn)“U 型”變化，說(shuō)明柳州站的風(fēng)向誤差比另兩個(gè)站更離散。在閾值減小至85°以下后，增幅才呈穩(wěn)定增大的趨勢(shì)。設(shè)置柳州站風(fēng)向差閾值為85°后得到的MAE 為18.78°，數(shù)據(jù)有效率為84.21%。

圖2 剔除不同風(fēng)向差閾值后RMSE、數(shù)據(jù)有效率、MAE 的增幅

結(jié)合以上分析，最終選取三個(gè)站的極端誤差閾值分別為北海站105°、6.5m·s-1，南寧站100°、7m·s-1，柳州站85°、8m·s-1。并得到同時(shí)剔除風(fēng)向風(fēng)速極端誤差后的檢驗(yàn)指標(biāo)，北海站MAE 22.73°、2.00m·s-1，有效率85.60%；南寧站MAE 23.44°、2.85m·s-1，有效率71.63%；柳州站MAE 18.17°、2.33m·s-1，有效率79.48%。三個(gè)站的MAE 都小于25°和3m·s-1，與前人的研究結(jié)論相對(duì)應(yīng)，并且有效率都能達(dá)到70%以上，保證了業(yè)務(wù)利用率。

4 結(jié)論

利用2019 年至2020 年（非連續(xù)時(shí)段）廣西三部風(fēng)廓線雷達(dá)（北海、南寧、柳州）的實(shí)時(shí)風(fēng)產(chǎn)品和ECMWF 第五代再分析資料ERA5 作對(duì)比分析，探究風(fēng)廓線雷達(dá)資料的誤差大小、離散度和偏離度，以及不同風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品間的差異，并選取得到每個(gè)站點(diǎn)的極端誤差閾值，有關(guān)分析結(jié)論如下：

（1）風(fēng)廓線雷達(dá)1h 內(nèi)探測(cè)的水平風(fēng)波動(dòng)不大，ROBS、HOBS、OOBS 三種產(chǎn)品數(shù)值差距小，特別是在2～9km 高度，并且風(fēng)速比風(fēng)向的波動(dòng)更小。OOBS產(chǎn)品稍顯優(yōu)勢(shì)。

（2）風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)整體小于ERA5 再分析資料。三個(gè)站中，北海站的誤差最小。北海站水平風(fēng)誤差最小的是在2～6km，0.5km 以下誤差最大。南寧站的風(fēng)向誤差最小是在1～4km，風(fēng)速是在4～6km，9km 以上誤差最大。柳州站在4～6km 誤差最小，風(fēng)向在小于0.5km，風(fēng)速在大于9km 誤差最大。

（3）分別選取北海站105°、6.5m·s-1，南寧站100°、7m·s-1，柳州站85°、8m·s-1作為三個(gè)站的極端誤差閾值。剔除極端誤差后三個(gè)站的MAE 都小于25°和3m·s-1，并且有效率都能達(dá)到70%以上，兼顧了數(shù)據(jù)的可靠性和有效率。