不同觀測環(huán)境下的九仙山地區(qū)風(fēng)廓線雷達(dá)與梯度氣象站風(fēng)場對比分析*

林子倫，游宇琦，蔣 悅，楊慶波

（1.泉州市氣象局，福建 泉州 362000；2.惠安縣氣象局，福建 泉州 362100；3.九仙山氣象站，福建 泉州 362500）

0 引言

無線電探空資料雖然能對整個(gè)大氣層進(jìn)行溫、壓、濕、風(fēng)的觀測，但其時(shí)間分辨率低，無法獲取有效的湍流信息。風(fēng)廓線雷達(dá)的探測基礎(chǔ)建立在大氣湍流基礎(chǔ)之上，觀測資料中包含了大量的湍流信息，具有時(shí)空分辨率高、實(shí)用性好、連續(xù)性強(qiáng)的特征［1］，因而成為目前研究邊界層湍流最有力的工具。風(fēng)廓線雷達(dá)可以提供水平方向上的風(fēng)向風(fēng)速值、垂直速度、信噪比、折射率結(jié)構(gòu)系數(shù)Cn2等資料。這些參數(shù)對邊界層結(jié)構(gòu)特征的刻畫與對天氣系統(tǒng)的預(yù)測都是很好的分析工具［2-4］，然而由于天氣條件和雜波等因素干擾影響，導(dǎo)致風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有待提高［5］。因此，需對風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，勘定風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)在不同天氣條件下對風(fēng)速、風(fēng)向的探測誤差。

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)者在對比中探究了質(zhì)控閾值［6］。隨著高度增加，探空風(fēng)向與雷達(dá)風(fēng)向的相關(guān)度明顯降低，風(fēng)速的相關(guān)變化不大［7］。王欣等［8］和孫旭映等［9］通過對比分析風(fēng)廓線雷達(dá)資料和探空資料，發(fā)現(xiàn)在對應(yīng)高度上兩者所得的垂直風(fēng)場有較好一致性，200 m 高度以上風(fēng)廓線資料的可信度較高。萬蓉等［10］對黑山站風(fēng)廓線雷達(dá)資料與加密探空資料進(jìn)行對比，探究有效樣本比率，提出由于風(fēng)廓線雷達(dá)與探空在探測原理和方法上存在差異，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的對比，只能對誤差設(shè)置一個(gè)范圍，認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)資料在該誤差范圍之內(nèi)時(shí)是可靠的。

當(dāng)前我國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較成熟，但對風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的利用率較低，且邊界層內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究目前較少［11］。福建省德化縣九仙山地區(qū)同時(shí)布設(shè)有氣象梯度觀測站和風(fēng)廓線雷達(dá)等系列設(shè)備，有邊界層內(nèi)湍流研究的硬件基礎(chǔ)，因此可研究不同高度自動(dòng)站測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)之間的異同點(diǎn)，并做相關(guān)檢驗(yàn)和評(píng)估，對自動(dòng)站和風(fēng)廓線測風(fēng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方有較好指示意義。文章將以在邊界層高度上探究兩者在風(fēng)探測上的差別，重點(diǎn)研究不同高度和不同天氣條件下的差異，以期為有效利用風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)提升局地天氣預(yù)報(bào)水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)說明

采用的資料為2020年12月～2021年5月的九仙山國家氣象觀測站和三個(gè)氣象自動(dòng)化觀測梯度站（以下簡稱九仙山站、一、二和三號(hào)梯度站）的逐小時(shí)降水量、濕度以及平均風(fēng)力和風(fēng)向數(shù)據(jù)，和同時(shí)段的德化LC風(fēng)廓線雷達(dá)資料。其中，九仙山和三個(gè)梯度站的海拔高度自低向高分別為：1 092 m（一號(hào)梯度站）、1 336 m（二號(hào)梯度站）、1 522 m（三號(hào)梯度站）和1 654.6 m（九仙山）。

德化風(fēng)廓線雷達(dá)資料為逐小時(shí)數(shù)據(jù)，德化風(fēng)廓線起始高度150 m，4.1 Km以下垂直分辨率120 m，海拔高度645.6 m。九仙山站、三個(gè)梯度站以及德化風(fēng)廓線雷達(dá)地理位置分布如圖1所示。

圖1 氣象自動(dòng)觀測站和風(fēng)廓線雷達(dá)地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 天氣條件分型

依據(jù)逐小時(shí)的氣象觀測站資料，利用降水量、濕度兩個(gè)關(guān)鍵要素，將天氣條件分為晴空、霧、弱降水和強(qiáng)對流共四種條件。其中當(dāng)逐小時(shí)降水量為0 mm 且相對濕度＜80%時(shí)判定該時(shí)次為晴空；當(dāng)逐小時(shí)降水量為0 mm 但相對濕度≥80%判定該時(shí)次為霧；當(dāng)逐小時(shí)降水量＞0 mm但≤8 mm時(shí)判定為弱降水；當(dāng)逐小時(shí)降水量＞8 mm時(shí)判定為強(qiáng)對流。

1.2.2 垂直剖面風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對比方法

為了重點(diǎn)體現(xiàn)顯著的對比效果，并考慮到觀測站點(diǎn)的實(shí)際情況，這里實(shí)驗(yàn)組（德化風(fēng)廓線雷達(dá)）的取樣對比檢驗(yàn)風(fēng)場數(shù)據(jù)取樣為0～3 Km 高度范圍內(nèi)的風(fēng)場，均采用水平風(fēng)場數(shù)據(jù)，從而在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)與控制組自動(dòng)站水平風(fēng)場的顯著對比，且能夠加強(qiáng)對邊界層的風(fēng)場梯度對比觀測和認(rèn)識(shí)：

（1）晴空條件下的水平風(fēng)場之間的對比和分析；

（2）霧條件下的水平風(fēng)場之間的對比和分析；

（3）弱降水條件下的水平風(fēng)場之間的對比和分析；

（4）強(qiáng)對流降水條件下的水平風(fēng)場之間的對比和分析。

針對不同條件下的風(fēng)場對比，采用兩種指標(biāo)方法進(jìn)行檢驗(yàn)：

（1）平均絕對偏差方法（ADEV）：以自動(dòng)站資料為基準(zhǔn)（控制組），評(píng)估德化風(fēng)廓線雷達(dá)資料（實(shí)驗(yàn)組）樣本數(shù)據(jù)估值的總體誤差或精度水平。參考公式如下：

其中，n為樣本數(shù)，Tia為實(shí)驗(yàn)組，Tib為控制組。定義風(fēng)向偏差為風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向與氣象自動(dòng)站風(fēng)向相減的偏差值，范圍為-180°至180°，即當(dāng)偏差值為負(fù)時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向相對于氣象自動(dòng)站風(fēng)向左偏，反之當(dāng)偏差值為正時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向相對于氣象自動(dòng)站風(fēng)向右偏。同理定義風(fēng)速偏差，當(dāng)風(fēng)速偏差為正時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速相對于氣象自動(dòng)站風(fēng)速大，反之為負(fù)時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速相對于氣象自動(dòng)站風(fēng)速小。

（2）箱型圖法：箱形圖（Box-plot）是一種用作顯示一組數(shù)據(jù)分散情況資料的統(tǒng)計(jì)圖?？捎糜诜从吃紨?shù)據(jù)分布的特征，還可以進(jìn)行多組數(shù)據(jù)分布特征的比較。箱線圖的繪制方法是：先找出一組數(shù)據(jù)的上邊緣、下邊緣、中位數(shù)和兩個(gè)四分位數(shù)；然后，連接兩個(gè)四分位數(shù)畫出箱體；再將上邊緣和下邊緣與箱體相連接，中位數(shù)在箱體中間。

對于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的大樣本，只有0.7%的值是異常值，中位數(shù)位于上下四分位數(shù)的中央，箱形圖的方盒關(guān)于中位線對稱。選取不同自由度的t分布的大樣本，代表對稱重尾分布，當(dāng)t分布的自由度越小，尾部越重，就有越大的概率觀察到異常值。

2 不同天氣條件下的風(fēng)場對比分析

2.1 晴空條件

根據(jù)1.2.1的天氣條件分型方法，可得2020年12月1日至2021年5月31日共有2 183 個(gè)時(shí)次滿足晴空條件，即樣本數(shù)n 為2 183。以此樣本選取同時(shí)段德化風(fēng)廓線雷達(dá)逐1 h測風(fēng)數(shù)據(jù)，依據(jù)梯度站和九仙山站海拔高度匹配相應(yīng)的剖面高度（390 m、750 m、870 m和990 m），即疊加德化風(fēng)廓線雷達(dá)基準(zhǔn)海拔高度則分別為1 035.6 m、1 395.6 m、1 515.6 m和1 635.6 m，共取得4組匹配風(fēng)場數(shù)據(jù)。

計(jì)算每個(gè)氣象自動(dòng)站和匹配高度的風(fēng)廓線風(fēng)場差異可得：風(fēng)向的平均絕對偏差A(yù)DEV分別為1.85°（一號(hào)梯度站）、-16.57°（二號(hào)梯度站）、-8.35°（三號(hào)梯度站）和-20.50°（九仙山站），即除一號(hào)梯度站高度德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向右偏外，其余均為左偏；風(fēng)速的ADEV分別為0.68 m/s（一號(hào)梯度站）、2.49 m/s（二號(hào)梯度站）、2.11 m/s（三號(hào)梯度站）和-1.01 m/s（九仙山站），即梯度站高度風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速均偏大，在九仙山站高度偏小。

從晴空條件下的風(fēng)向差異分布（圖2a）可以看出，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m 附近）的風(fēng)向偏差相對范圍較小，處于-46.65°～59.20°，中位數(shù)接近于0°；而在其他三個(gè)氣象自動(dòng)站的風(fēng)速偏差趨向于負(fù)偏態(tài)，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向左偏，其中以九仙山站（1 654.6 m 附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。

從晴空條件下的風(fēng)速差異分布（圖2b）可以看出，除九仙山站之外，其余三個(gè)梯度站的風(fēng)速偏差均趨向正偏態(tài)，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速在這三個(gè)高度范圍內(nèi)相較于氣象自動(dòng)站偏大，下四分位數(shù)為-0.80～0.80，上四分位數(shù)為2.10～3.80，偏差振幅2.90～3.50 m/s。在九仙山站高度則相反，風(fēng)速偏小。

圖2 晴空條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與氣象自動(dòng)站的風(fēng)向

綜上所述，在晴空條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)場相對于氣象自動(dòng)站，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m 附近）偏差較??；在二、三號(hào)梯度站高度（1 336 m和1 522 m附近）風(fēng)向向左偏，風(fēng)速偏大；在九仙山站高度（1 654.6 m附近）風(fēng)向向左偏，風(fēng)速偏小。

2.2 霧條件

同理根據(jù)天氣條件分型方法，可知2020年12月1日至2021年5月31日共有1 644個(gè)時(shí)次滿足霧條件，即樣本數(shù)n為1 644。以此樣本選取同時(shí)段德化風(fēng)廓線雷達(dá)逐1 h測風(fēng)數(shù)據(jù)，依據(jù)梯度站和九仙山站海拔高度匹配相應(yīng)的剖面高度共取得4組匹配風(fēng)場數(shù)據(jù)。

計(jì)算每個(gè)氣象自動(dòng)站和匹配高度的風(fēng)廓線風(fēng)場差異可得：風(fēng)向的平均絕對偏差A(yù)DEV分別為-15.13°（一號(hào)梯度站）、-29.38°（二號(hào)梯度站）、-3.59°（三號(hào)梯度站）和-10.67°（九仙山站），即所有氣象自動(dòng)站站高度德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向左偏；風(fēng)速的ADEV 分別為2.06 m/s（一號(hào)梯度站）、3.52 m/s（二號(hào)梯度站）、3.26 m/s（三號(hào)梯度站）和-1.29 m/s（九仙山站），即梯度站高度風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速均偏大，在九仙山站高度偏小。

從霧條件下的風(fēng)向差異分布（圖3a）可以看出，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m附近）和九仙山高度（1 654.6 m附近）的風(fēng)向偏差相對變化范圍較小，分布在-54.20°～14.40°和-40.90°～18.30°；所有氣象自動(dòng)站的風(fēng)向偏差趨向于負(fù)，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向左偏，其中以二號(hào)梯度站（1 336 m附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。

圖3 霧條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與氣象自動(dòng)站的風(fēng)向

從霧條件下的風(fēng)速差異分布（圖3b）可以看出，除九仙山站之外，其余三個(gè)梯度站的風(fēng)速偏差均向正，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速在這三個(gè)高度范圍內(nèi)相較于氣象自動(dòng)站偏大，下四分位數(shù)為0.50～1.80，上四分位數(shù)為3.30～4.90，偏差振幅2.80～3.10 m/s。在九仙山站高度則相反，風(fēng)速偏小。

綜上所述，在霧條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)場相對于氣象自動(dòng)站，測風(fēng)風(fēng)向左偏，其中以二號(hào)梯度站（1 336 m附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。測風(fēng)風(fēng)速在1 092～1 522 m范圍偏大，在九仙山站高度（1 654.6 m附近）偏小。

2.3 弱降水條件

同理根據(jù)天氣條件分型方法，可知2020年12月1日至2021年5月31日共有390個(gè)時(shí)次滿足霧條件，即樣本數(shù)n 為390。以此樣本選取同時(shí)段德化風(fēng)廓線雷達(dá)逐1 h測風(fēng)數(shù)據(jù)，依據(jù)梯度站和九仙山站海拔高度匹配相應(yīng)的剖面高度共取得4組匹配風(fēng)場數(shù)據(jù)。

計(jì)算每個(gè)氣象自動(dòng)站和匹配高度的風(fēng)廓線風(fēng)場差異可得：風(fēng)向的平均絕對偏差A(yù)DEV 分別為-6.37°（一號(hào)梯度站）、-48.05°（二號(hào)梯度站）、-1.21°（三號(hào)梯度站）和-9.99°（九仙山站），即所有氣象自動(dòng)站站高度德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向左偏；風(fēng)速的ADEV 分別為2.35 m/s（一號(hào)梯度站）、3.96 m/s（二號(hào)梯度站）、3.53 m/s（三號(hào)梯度站）和-1.19 m/s（九仙山站），即梯度站高度風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速均偏大，在九仙山站高度偏小。

從弱降水條件下的風(fēng)向差異分布（圖4a）可以看出，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m附近）和九仙山高度（1 654.6 m附近）的風(fēng)向偏差相對變化范圍較小，分布在-37.52°～20.97°和-34.30°～16.77°；所有氣象自動(dòng)站的風(fēng)向偏差趨向于負(fù)，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向左偏，其中以二號(hào)梯度站（1 336 m 附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。

從弱降水條件下的風(fēng)速差異分布（圖4b）可以看出，除九仙山站之外，其余三個(gè)梯度站的風(fēng)速偏差均向正，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速在這三個(gè)高度范圍內(nèi)相較于氣象自動(dòng)站偏大，下四分位數(shù)為0.90～2.10，上四分位數(shù)為3.50～5.20，偏差振幅2.70～3.20 m/s。在九仙山站高度則相反，風(fēng)速偏小。

圖4 弱降水條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與氣象自動(dòng)站的風(fēng)向

綜上所述，在弱降水條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)場相對于氣象自動(dòng)站，測風(fēng)風(fēng)向左偏，其中以二號(hào)梯度站（1 336 m 附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。測風(fēng)風(fēng)速在1 092～1 522 m范圍偏大，在九仙山站高度（1 654.6 m附近）偏小。

2.4 強(qiáng)對流條件

同理根據(jù)天氣條件分型方法，可知2020年12月1日至2021年5月31日共有31個(gè)時(shí)次滿足霧條件，即樣本數(shù)n為31。以此樣本選取同時(shí)段德化風(fēng)廓線雷達(dá)逐1 h測風(fēng)數(shù)據(jù)，依據(jù)梯度站和九仙山站海拔高度匹配相應(yīng)的剖面高度共取得4組匹配風(fēng)場數(shù)據(jù)。

計(jì)算每個(gè)氣象自動(dòng)站和匹配高度的風(fēng)廓線風(fēng)場差異可得：風(fēng)向的平均絕對偏差A(yù)DEV 分別為29.32°（一號(hào)梯度站）、-1.54°（二號(hào)梯度站）、34.30°（三號(hào)梯度站）和-43.95°（九仙山站），即一、三號(hào)梯度站高度德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向右偏，二號(hào)梯度站和九仙山站高度向左偏；風(fēng)速的ADEV 分別為1.83 m/s（一號(hào)梯度站）、4.23 m/s（二號(hào)梯度站）、4.29 m/s（三號(hào)梯度站）和-0.22 m/s（九仙山站），即梯度站高度風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速均偏大。

從強(qiáng)對流條件下的風(fēng)向差異分布（圖5a）可以看出，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m附近）和三號(hào)梯度站高度（1 522 m附近）的風(fēng)向偏差趨向于正，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向右偏，其中以三號(hào)梯度站右偏現(xiàn)象最為明顯。在九仙山站高度（1 654.6 m附近）則趨向負(fù)偏態(tài)，及德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向左偏。

圖5 強(qiáng)對流條件下風(fēng)廓線雷達(dá)與氣象自動(dòng)站的風(fēng)向

從強(qiáng)對流條件下的風(fēng)速差異分布（圖5b）可以看出，除九仙山站之外，其余三個(gè)梯度站的風(fēng)速偏差均向正偏態(tài)，即德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速在這三個(gè)高度范圍內(nèi)相較于氣象自動(dòng)站偏大，下四分位數(shù)為0.40～2.08，上四分位數(shù)為3.23～6.68，偏差振幅2.80～4.70 m/s。在九仙山站高度中位數(shù)趨向于0，偏差較小。

綜上所述，在強(qiáng)對流條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向右偏，其中以三號(hào)梯度站右偏現(xiàn)象最為明顯。測風(fēng)風(fēng)速在1 092～1 522m 范圍偏大，在九仙山站高度（1 654.6 m附近）偏差較小。

3 總結(jié)

文章研究不同高度自動(dòng)站測風(fēng)和風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)之間的異同點(diǎn)，并做相關(guān)檢驗(yàn)和評(píng)估，對自動(dòng)站和風(fēng)廓線測風(fēng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方有較好指導(dǎo)意義。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：

（1）在晴空條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)場相對于氣象自動(dòng)站，在一號(hào)梯度站高度（1 092 m附近）偏差較小；在二、三號(hào)梯度站高度（1 336 m和1 522 m附近）風(fēng)向向左偏，風(fēng)速偏大；在九仙山站高度（1 654.6 m 附近）風(fēng)向向左偏，風(fēng)速偏小。

（2）在霧和弱降水條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)場相對于氣象自動(dòng)站，測風(fēng)風(fēng)向左偏，其中以二號(hào)梯度站（1 336 m 附近）左偏現(xiàn)象最為明顯。測風(fēng)風(fēng)速在1 092～1 522 m 范圍偏大，在九仙山站高度（1 654.6 m附近）偏小。

（3）在強(qiáng)對流條件下，德化風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)向相較于氣象自動(dòng)站向右偏，其中以三號(hào)梯度站右偏現(xiàn)象最為明顯。測風(fēng)風(fēng)速在1 092～1 522 m范圍偏大，在九仙山站高度（1 654.6 m附近）偏差較小。