威寧邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)與探空系統(tǒng)的風(fēng)向風(fēng)速一致性初探

楊 哲，李 源，張玉逵，陳銀東

(1.貴州省大氣探測(cè)技術(shù)與保障中心，貴州 貴陽 550081；2.貴州省人工影響天氣辦公室，貴州 貴陽 550081；3.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002；4.貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局，貴州 威寧 553100)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)自20世紀(jì)70年代末誕生以來，在很多國(guó)家的氣象服務(wù)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)建成風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)。我國(guó)于1989年研制出自己的風(fēng)廓線探測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過多年發(fā)展，已成功研制了平流層、對(duì)流層和邊界層等多種探測(cè)高度的風(fēng)廓線雷達(dá)。2019年貴州省氣象部門在畢節(jié)威寧和安順普定分別布設(shè)了2部邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)。該雷達(dá)對(duì)晴空湍流、輻合輻散、急流區(qū)、切變線等天氣系統(tǒng)有較快較好的辨別力，可為降水過程尤其是強(qiáng)對(duì)流天氣的探測(cè)識(shí)別、預(yù)測(cè)預(yù)警提供重要參考。為確保該雷達(dá)數(shù)據(jù)可有效應(yīng)用于貴州的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警和天氣系統(tǒng)分析，本文對(duì)其在貴州復(fù)雜山地氣候環(huán)境中探測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性預(yù)先進(jìn)行驗(yàn)證分析。目前國(guó)內(nèi)外專家在風(fēng)廓線探測(cè)數(shù)據(jù)的分析質(zhì)控和應(yīng)用等方面取得了一定成果，周志敏等[1]利用加密探空資料對(duì)咸寧市黑山觀測(cè)站的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其可靠性較好。王欣等[2]對(duì)風(fēng)廓線資料與同步探空資料進(jìn)行對(duì)比，分析了風(fēng)廓線資料的可信度。萬蓉等[3]設(shè)定風(fēng)廓線雷達(dá)和加密探空資料風(fēng)速差<3 m·s-1或風(fēng)向差<20°為有效樣本，并從降水情況、速度、高度條件的影響下進(jìn)行分析研究。張寅等[4]利用探空數(shù)據(jù)、ERA再分析資料和同期風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，表明該雷達(dá)在平均態(tài)過程中與探空和再分析資料基本一致。黃金權(quán)等[5]利用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過程進(jìn)行應(yīng)用分析。WEBER等[6]國(guó)外學(xué)者對(duì)比分析了風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)探空的風(fēng)場(chǎng)資料，結(jié)果顯示：二者水平風(fēng)速的u、v分量標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 m·s-1。貴州省威寧縣氣象局觀測(cè)站內(nèi)同時(shí)布設(shè)有風(fēng)廓線雷達(dá)和探空系統(tǒng)，并已具有較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料，為2種設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)比分析[7]提供了一定基礎(chǔ)。

1 資料選取及處理

CFL-03型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和L波段探空雷達(dá)均位于貴州威寧縣氣象局內(nèi)，兩者海拔高度相差2 m左右，水平距離50 m左右。由于受邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)性能和本地天氣特征影響[8]，其可靠探測(cè)范圍是以雷達(dá)為中心，平面半徑約3 km、垂直高度3.5 km以下的空間。探空氣球隨風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，探空氣球從地面釋放至3.5 km高度處，距離本站的水平距離存在3～20 km的偏差，剔除偏差>15 km的數(shù)據(jù)，可近似認(rèn)為2部設(shè)備探測(cè)空間一致性滿足要求。

探空氣球釋放具體時(shí)間為07時(shí)15分左右和19時(shí)15分左右，上升至3.5 km處需約9 min，故在0～3.5 km對(duì)比空間內(nèi)探空氣球探測(cè)時(shí)間為07時(shí)15—24分和19時(shí)15—24分。風(fēng)廓線雷達(dá)每6 min出1組數(shù)據(jù)，選取07時(shí)24分和19時(shí)24分出的數(shù)據(jù)可使兩者時(shí)間偏差最小，可視為滿足時(shí)間一致性要求。

本研究使用的風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品為實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已指定各高度層風(fēng)場(chǎng)信息。探空雷達(dá)則使用基礎(chǔ)探空數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)每秒鐘回傳1組風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等氣象要素信息，其高度區(qū)間是連續(xù)性的，故需要提取探空指定高度風(fēng)速風(fēng)向使其與風(fēng)廓線雷達(dá)高度層一致。

2 數(shù)據(jù)分析對(duì)比

2.1 相關(guān)性分析

2.1.1 總體相關(guān)性分析 選取2019年6—12月威寧探空雷達(dá)的風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)和相應(yīng)時(shí)間的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算6個(gè)月的風(fēng)廓線雷達(dá)各高度的風(fēng)速、風(fēng)向平均值和探空對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)速、風(fēng)向平均值，并繪圖2部設(shè)備的風(fēng)速、風(fēng)向平均值隨高度變化曲線及其風(fēng)速、風(fēng)向差值曲線(圖1)。

圖1 2019年6—12月風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)向、風(fēng)速平均值及其差值隨高度變化曲線

對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)向、風(fēng)速平均值進(jìn)行相關(guān)性分析，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算兩者平均值差值的統(tǒng)計(jì)特性值，具體結(jié)果如表1。

表1 風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)向、風(fēng)速平均值的統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)圖1和表1，風(fēng)廓線雷達(dá)與探空的風(fēng)向、風(fēng)速平均值均具有一定正相關(guān)性，其中二者風(fēng)向均值為高度相關(guān)，風(fēng)速均值為中度相關(guān)。風(fēng)速平均值的差值在高度為1000 m左右以下和3000 m左右高度以上均較大(>4 m·s-1)，1000～3000 m高度差值較小(<2 m·s-1)。風(fēng)向平均值的差值在1000 m左右高度以下變化較大，最大約26°，1000 m以上差值趨于穩(wěn)定總體在10°左右。

2.1.2 各次相關(guān)性統(tǒng)計(jì) 共收集整理風(fēng)廓線和探空風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)序列(經(jīng)規(guī)劃化處理的單次探測(cè)數(shù)據(jù)文件)共4組總數(shù)為1596個(gè)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)序列分別有399個(gè)，每個(gè)序列對(duì)應(yīng)1次風(fēng)速或風(fēng)向隨高度變化的實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)。由于受探測(cè)環(huán)境和氣象條件等因素影響，風(fēng)廓線雷達(dá)和探空系統(tǒng)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)時(shí)在某些高度層不可避免會(huì)出現(xiàn)空值，經(jīng)篩選統(tǒng)計(jì)，所選數(shù)據(jù)序列約10～40個(gè)左右數(shù)據(jù)值。將探空和風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)向、風(fēng)速序列數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 風(fēng)廓線雷達(dá)和探空系統(tǒng)風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，滿足顯著性水平低于0.05的風(fēng)速、風(fēng)向個(gè)數(shù)分別為333、323，其中滿足高度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)≥0.8)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)量分別為165、135，占比分別為49.6%、41.8%。滿足中度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)≥0.5)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)量分別為278、275，占比分別為83.5%、85.1%。表明風(fēng)廓線雷達(dá)和探空的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)具有較好的正相關(guān)性。

2.2 數(shù)據(jù)有效性分析

根據(jù)夏文梅等[9]研究結(jié)果，可以設(shè)定風(fēng)廓線雷達(dá)與探空風(fēng)速絕對(duì)差值在3 m·s-1以內(nèi)，風(fēng)向絕對(duì)差值在20°以內(nèi)為有效樣本。對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪圖，見圖3。

統(tǒng)計(jì)得出風(fēng)速有效樣本占總樣本比例為79.17%，風(fēng)向有效樣本占總樣本比例為64.64%。當(dāng)風(fēng)向和風(fēng)速的有效樣本比>60%時(shí)，風(fēng)廓線和探空資料就能達(dá)到相對(duì)較好的一致性，比率越大，一致性越好。根據(jù)圖3可以看出，風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率在700 m以上高度主要維持在80%左右，表明除近地面外，風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)總體一致性較好；在高度700 m左右以下由于地物干擾的存在，風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率較低；高度在1500～5000 m范圍內(nèi)有效樣本比率變化幅度較小，表明該高度區(qū)間內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向總體較其他高度更可靠；風(fēng)速有效樣本比率變化較風(fēng)向的比率更均勻穩(wěn)定。

圖3 風(fēng)向、風(fēng)速有效樣本比率隨高度變化曲線(紅虛線為0.6)

2.2.1 不同時(shí)次對(duì)比 采用08時(shí)、20時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出08時(shí)風(fēng)向平均有效樣本比率64.36%，風(fēng)速平均有效樣本比率78.01%；20時(shí)風(fēng)向平均有效樣本比率65.73%，風(fēng)速平均有效樣本比率73.56%。

如圖4所示，在設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)下根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，風(fēng)速隨高度變化的有效樣本比率明顯高于風(fēng)向有效樣本比率。08時(shí)和20時(shí)的風(fēng)向平均有效樣本比率均略低于風(fēng)速樣本比率，且風(fēng)速風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化趨勢(shì)相似。在2個(gè)時(shí)刻下500 m左右高度以下風(fēng)速風(fēng)向有效樣本比率均大幅低于其他高度比率。表明風(fēng)廓線雷達(dá)與探空系統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)向有效比率幾乎不受08時(shí)和20時(shí)2個(gè)不同時(shí)刻的影響。

圖4 北京時(shí)間08時(shí)、20時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化

2.2.2 不同降水情況對(duì)比 通過篩選分類出有降水和無降水的風(fēng)廓線雷達(dá)和探空風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后分別計(jì)算出2種天氣情況下風(fēng)速風(fēng)向有效樣本在不同高度上的比率(圖5)。有降水風(fēng)速、風(fēng)向平均有效樣本比率分別為60.36%、55.49%，無降水風(fēng)速、風(fēng)向平均有效樣本比率分別為80.12%、67.53%。

如圖5所示，在有降水時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)與探空系統(tǒng)的風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化的值均比無降水時(shí)較小一些，而且有降水時(shí)有效樣本比率的變化幅度也相對(duì)較大；風(fēng)向有效樣本比率在有降水和無降水2種情況下均比風(fēng)速有效樣本比率較低。無論有無降水，風(fēng)速風(fēng)向有效樣本比率在500 m左右高度以下均較低；有降水時(shí)的風(fēng)速風(fēng)向有效樣本比率在4000 m以上高度也會(huì)變小。

圖5 有降水和無降水風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化

2.2.3 不同風(fēng)向?qū)Ρ?將風(fēng)向分成18個(gè)方位范圍，平均每個(gè)方位寬度為20°，再針對(duì)各個(gè)風(fēng)向范圍分別統(tǒng)計(jì)出風(fēng)廓線和探空風(fēng)向誤差小于20°的有效樣本比率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，西南方向的風(fēng)向有效樣本比率接近80%，東北方向有效比率接近70%，二者有效比率明顯大于其他方向；即當(dāng)風(fēng)向?yàn)闁|北或西南時(shí)，風(fēng)廓線雷達(dá)和探空的風(fēng)向一致性好于其他方向。一致性最差的為東南風(fēng)向，其風(fēng)向有效樣本比率不足40%，其次為正北和正東方向約40%左右。綜合各個(gè)方向，滿足一致性(有效樣本比率≥60%)的方位合計(jì)為80°，不滿足一致性的方位合計(jì)為280°，表明預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)下方位有效性較差。

圖6 風(fēng)向有效樣本比率隨不同風(fēng)向的變化

2.2.4 不同風(fēng)速對(duì)比 將風(fēng)速以3 m·s-1為一檔共分為9檔(如圖7橫軸所示)，再對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)和探空分別在9個(gè)不同速度區(qū)間內(nèi)的風(fēng)速值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖7 風(fēng)速有效樣本比率隨風(fēng)速大小的變化

如圖7，風(fēng)速有效樣本比率隨著風(fēng)速增大而減小，風(fēng)速<3 m·s-1時(shí)有效樣本比率可達(dá)90%以上，風(fēng)速>24 m·s-1時(shí)有效樣本比率為不足40%的最小值，風(fēng)速值處于3 m·s-1和24 m·s-1之間時(shí)風(fēng)速有效樣本比率均能達(dá)到60%以上，因此預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)下，大部分風(fēng)速區(qū)間均能滿足一致性要求。

3 結(jié)果綜述

本文從多個(gè)角度對(duì)威寧縣風(fēng)廓線雷達(dá)和探空系統(tǒng)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)相關(guān)性和有效性進(jìn)行全面分析，預(yù)設(shè)2種氣象設(shè)備探測(cè)到的風(fēng)速差≤3 m·s-1、風(fēng)向差≤20°為有效的數(shù)據(jù)樣本，具體分析結(jié)果如下：

①?gòu)臄?shù)據(jù)相關(guān)性角度來看，風(fēng)廓線雷達(dá)與探空的風(fēng)向總體上具有一定的正向高度相關(guān)性，風(fēng)速具有一定的正向中度相關(guān)性；而在單次對(duì)比結(jié)果上，風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)正向相關(guān)性較好，其中風(fēng)速、風(fēng)向滿足中度相關(guān)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)分別占總數(shù)據(jù)量的83.5%、85.1%。綜合以上結(jié)果，風(fēng)廓線雷達(dá)和探空系統(tǒng)的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)具有較好的正向相關(guān)性。

②從數(shù)據(jù)有效性角度來看，根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速隨高度變化的有效樣本比率總高于風(fēng)向有效樣本比率，且無論有無降水或任意時(shí)次。在不同高度下，風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)樣本有效比率總表現(xiàn)為低層(500 m左右高度以下)最小，最高層次之，中高層較大(最大可達(dá)90%)；在不同時(shí)次下，風(fēng)向平均有效樣本比率與風(fēng)速樣本比率隨高度變化的值近似相等且其變化趨勢(shì)相似；在不同降水情況下，風(fēng)速、風(fēng)向有效樣本比率隨高度變化的值在有降水時(shí)比無降水時(shí)總體偏小且變化幅度較大；在不同風(fēng)向下，由于誤差標(biāo)準(zhǔn)限定，除了東北和西南方位總計(jì)80°的方位區(qū)間外，2部設(shè)備的風(fēng)向一致性在大部分方向上均較差；在不同風(fēng)速下，除了24 m·s-1以上的風(fēng)速外基本上都具有較好的一致性。

4 討論分析

①由于風(fēng)廓線雷達(dá)僅探測(cè)本站上空風(fēng)場(chǎng)，而探空氣球是隨著風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)在運(yùn)動(dòng)，遇到風(fēng)場(chǎng)條件較為復(fù)雜時(shí)，探空氣球會(huì)出現(xiàn)忽近忽遠(yuǎn)或者遠(yuǎn)離測(cè)站上空的情況，難免會(huì)導(dǎo)致探測(cè)范圍不一致。如果本站上空是受較為穩(wěn)定的系統(tǒng)性流場(chǎng)控制，即使探空氣球隨氣流飄到較遠(yuǎn)的地方，其所測(cè)到的風(fēng)場(chǎng)與本站的風(fēng)場(chǎng)也會(huì)相差較小。反之，若本站受局地性強(qiáng)對(duì)流控制，尤其是對(duì)流中存在風(fēng)場(chǎng)切變、渦旋、輻合輻散等系統(tǒng)，風(fēng)場(chǎng)小范圍的變化會(huì)引起較大的風(fēng)速風(fēng)向差，影響風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的一致性。后續(xù)研究可以先對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行穩(wěn)定性氣流和局地性強(qiáng)對(duì)流等系統(tǒng)分類，然后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

②根據(jù)研究結(jié)論可知，500 m左右高度是影響數(shù)據(jù)一致性的“拐點(diǎn)”，具體表現(xiàn)為在不同時(shí)次、不同降水條件下，500 m高度以下風(fēng)速風(fēng)向有效樣本比率極低，而500 m以上風(fēng)向風(fēng)速有效樣本比率相對(duì)會(huì)高很多。這是由于測(cè)站附近存在較多房屋、樹木等地物，對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)低層風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)產(chǎn)生了一定的干擾，使得雷達(dá)基數(shù)據(jù)受到污染，最終導(dǎo)致雷達(dá)探測(cè)獲取到的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可靠性降低。

③預(yù)設(shè)風(fēng)速風(fēng)向誤差標(biāo)準(zhǔn)可以直接影響2個(gè)設(shè)備之間風(fēng)速風(fēng)向的有效樣本比率，故選擇合適又受認(rèn)可的誤差標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。后續(xù)可以根據(jù)本地探測(cè)數(shù)據(jù)特征，利用大量的本地?cái)?shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析驗(yàn)證得到1個(gè)符合本地風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)樣本分析的誤差標(biāo)準(zhǔn)。