王麗吉，陳曄峰，吳書成，高祝宇，楊程

（1.浙江省氣象信息網(wǎng)絡中心，浙江 杭州310017； 2.浙江省氣象科學研究所，浙江 杭州310008）

0 引 言

風廓線雷達(wind profiler radar, WPR)以晴空大氣湍流對入射電磁波的散射回波為探測基礎，采用多普勒雷達收發(fā)技術(shù)求解得到大氣三維風場，在強對流天氣過程的風場監(jiān)測[1]和數(shù)值預報的同化應用方面發(fā)揮了重要作用[2]。從20 世紀80 年代開始，美國、日本相繼布設了風廓線雷達業(yè)務探測網(wǎng)，我國也相繼開展對風廓線雷達技術(shù)的論證和研制工作[3]，2013 年，中國氣象局出臺了《風廓線雷達及應用業(yè)務發(fā)展規(guī)劃（2013—2020 年）》。目前，已有多個省市（如浙江省、廣東省、上海市等）實現(xiàn)區(qū)域組網(wǎng)。

相比于地面，獲取探空風場信息的時空分布較困難，而風廓線雷達則可在無人值守時連續(xù)提供大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素的高度分布和時間演變，在垂直和時間分辨率以及實時性上具有顯著優(yōu)勢。但由于風廓線雷達主要是利用大氣湍流對電磁波的散射進行探測的，當湍流信號較弱時容易受各種非氣象目標物的干擾，因此，其探測精度不及常規(guī)探測設備。

目前對風廓線雷達資料的評估主要有3 種途徑：（1）利用五波束風廓線雷達獲取2 組相互獨立的水平風分量，評估水平風的空間不均勻分布對風廓線雷達觀測的影響，通過自對比，評估數(shù)據(jù)的可信度[4-5]；（2）以某區(qū)域內(nèi)探空資料為基礎，將其與美國國 家 環(huán) 境 預 報 中 心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）再分析資料進行對比分析，確認該區(qū)域內(nèi)NCEP 再分析場的合理性，然后對風廓線雷達資料做出評估[6-8]；（3）將探空資料與風廓線雷達觀測資料直接進行對比，得到評估結(jié)果。由于探空觀測具有秒采樣和原位測量特征，被認為是最能客觀反映大氣的垂直結(jié)構(gòu)，因此，若風廓線雷達架設點附近有探空站點，則途徑（3）具有顯著優(yōu)勢。

國內(nèi)外不乏對風廓線雷達觀測資料與探空資料進行對比分析的研究。國外相關(guān)工作開展較早，WEBER 等[9]利用2 年的風廓線雷達觀測資料，將其與常規(guī)探空資料進行了對比分析。 此外，BALSLEY 等[10]、FARLEY 等[11]、FUKAO 等[12]和LARSEN[13]將風廓線雷達測風結(jié)果與氣球探空測風進行了多次對比。在國內(nèi)，李晨光等[1]將1998 年華南暴雨和南海季風科學實驗期的風廓線雷達資料與探空資料進行了對比分析，得到兩者一致性較好的結(jié)論。王欣等[14]比較了風廓線雷達資料與同步試驗的VAISALA 探空儀資料，驗證了風廓線雷達資料的可信度。董保舉等[15]將高原地區(qū)的風廓線雷達資料與GPS 探空資料進行對比，發(fā)現(xiàn)低空數(shù)據(jù)的獲取率在不同天氣條件下差異不大，高空數(shù)據(jù)的獲取率均為陰雨天較好、晴天較差。萬蓉等[16]通過比較夏季的風廓線雷達資料和加密探空資料（兩者均將風向、風速偏差不超出閾值視為有效觀測），給出了不同降水條件下和不同高度時有效樣本率的分布。吳蕾等[17]基于北京南郊3 a 的風廓線雷達資料，計算并分析了不同采樣空間和不同時間的風廓線雷達風場與L 波段雷達探空風場，得到兩者具有一致性的結(jié)論。

浙江省氣象局自2010 年始先后從中國航天科工集團第二研究院第二十三研究所采購了CFL-03型邊界層風廓線雷達7 臺，其中位于蕭山的風廓線雷達離杭州國家基準氣候站最近，直線距離為11 km。本文選取2015 年1 月至2018 年12 月蕭山風廓線雷達資料，與杭州站L 波段雷達探空資料進行對比分析，以對2 種觀測設備水平風場的一致性進行評估。

1 資料來源和數(shù)據(jù)選取

1.1 資料來源

采用的測風資料分別來自蕭山風廓線雷達（120.287°E，30.174°N）和杭州探空站（120.167°E，30.233°N），雷達型號為CFL-03，L 波段雷達數(shù)字探空儀型號為GTS1。探空站位于雷達架設點西北偏西方向，兩站相距約11.4 km。

由于探測原理和方法的差異，風廓線雷達和L波段雷達探空觀測的取樣空間并不相同。風廓線雷達獲取的是設備正上方數(shù)千米高度內(nèi)的風廓線數(shù)據(jù)，一組風廓線數(shù)據(jù)的采樣時間僅需幾分鐘。而L波段雷達探空氣球則以約5 m·s-1的速度上升[18]，有時會飄移至距觀測點幾十千米之外。鑒于此，選擇東南方向，即氣球向風廓線雷達架設點飄移的方向進行探空觀測，盡量減小2 種儀器非同源同址以及氣球飄移對分析結(jié)果的影響。圖1 給出的是探測到的2018 年所有向東南方向飄移、高度在10 km 內(nèi)的水平飄移軌跡，其余年份的飄移軌跡相似，2015—2018 年間，獲得的總樣本量為870 對，分布情況如表1 所示。從圖1 中可以看到，所有被選樣本的探空氣球在上升過程中不斷向風廓線雷達靠攏，當兩站點之間的風場較為均勻，且在半小時內(nèi)無較大變化時，樣本的可信度較高。由于高層信噪比較低，無法獲得可信的水平風場數(shù)據(jù)，因此，風廓線雷達的高層數(shù)據(jù)缺測較多。

圖1 2018 年所選樣本的探空氣球飄移軌跡Fig 1 The air balloon’s trajectory of selected samples in 2018

1.2 數(shù)據(jù)選取

在取樣空間問題得到解決的假設下，L 波段探空資料和風廓線雷達資料間仍存在以下不匹配問題：(1)兩者觀測時間無法嚴格對應，(2)兩者觀測高度無法嚴格對應。杭州探空站一般每日施放探空氣球2 次，開始施放時間分別為北京時間7:15 和19:15（即北京時間8:00 和20:00 兩個時次），若以上升速度為5 m·s-1估算，大約24 min 后可上升至7 200 m高度。而蕭山站風廓線雷達的采樣時間分辨率為6 min，最高采樣高度為5 880 m。本文分別選取風廓線雷達在8:12，8:18，8:24，8:30，8:36；20:12，20:18，20:24，20:30，20:36 時的觀測值（樣本量如表1 所示），比較風廓線雷達5 次觀測得到的平均風廓線和L 波段雷達每日2 次的探空廓線，以解決觀測時間不對應問題。

另外，L 波段雷達探空原始秒級數(shù)據(jù)垂直分辨率約為6 m，而CFL-03 型風廓線雷達垂直分辨率在低層為60 m，在高層為120 m，前者遠大于后者。為簡便起見，在觀測時，選取每層高度在3 m 內(nèi)的最鄰近的探空觀測數(shù)據(jù)與之匹配，如果高度差大于3 m，則不做對比。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，在所有的選擇樣本中，兩者高度差大于3 m 的情況很少，不到0.1%。

表1 2015—2018 年所選樣本的月分布Table 1 Samples monthly distribution from 2015 to 2018

圖2 給出了2015 年1 月一次降溫過程中風廓線雷達與L 波段雷達探空所測得的風速和風向及比較結(jié)果。降溫過程前后24 h，風速和風向與時間和高度的關(guān)系分別如圖2(a)和(d)所示，其中，虛線位置表示該時刻有探空觀測; (b)，(c)，(e)和(f)分別為8:00 和20:00 風廓線雷達與L 波段雷達探空數(shù)據(jù)的對比情況，圖中，紅色實線為探空廓線，5 條藍色虛線分別為8:12，8:18，8:24，8:30，8:36 和20:12，20:18，20:24，20:30，20:36 兩個時段的風廓線雷達觀測值。由圖2（a）和（b）可知，就此次過程而言，無論是風速還是風向，2 種觀測數(shù)據(jù)的一致性均較好。其中在0～2 km高度處，在00:00—13:00 時段始終存在一顯著垂直切變風速，此特征在8:00 時，在2 種觀測中都有較好體現(xiàn)，但風廓線雷達測得的最大風速層略高于L 波段雷達探空測得的。

2 結(jié)果分析

2.1 無降水條件下各高度對比

風廓線雷達是利用湍流大氣對電磁波的散射作用進行測風的，在降水時，由于雷達回波信號受影響，其測風精度有所下降。為了使對比結(jié)果更可靠，筆者查詢了蕭山站2015—2018 年間870 對觀測樣本時段內(nèi)地面自動站的分鐘降水資料。查詢得到，2015 年1 月28 日，8:12，8:18，8:24，8:30，8:36 和20:12，20:18，20:24，20:30，20:36 兩個時段降水量不為0 的觀測共有44 次。

使用相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差3個統(tǒng)計量表征風廓線雷達與L 波段雷達探空水平風場的對比結(jié)果，3 個統(tǒng)計量的表達式分別為：

相關(guān)系數(shù)（correlation coefficient）：

其中，ViW表示風廓線雷達風場，ViR表示L 波段雷達探空風場。

考慮到風向的取值范圍為0～360°，當一組觀測的比對風向處于正北方向（360°）附近時，相關(guān)系數(shù)和均方根誤差無法準確表示兩者的差異，因此，需比較2 種觀測的緯向風分量(u)和經(jīng)向風分量(v)。在各高度層上，風廓線雷達與L 波段雷達探空u、v的相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差如圖3 所示，圖中藍色點線表示無降水情況，紅色點表示有降水情況。由圖3 可知，當站點上空有降水時，3 個統(tǒng)計參數(shù)均無顯著變化。

無降水條件下，高度在1～5.5 km 時，風廓線雷達與L 波段雷達探空的相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差隨高度變化均無變化。其中，u分量的相關(guān)系數(shù)均超過0.9，v分量的相關(guān)系數(shù)基本維持在0.8～0.9；無論是u分量還是v分量，2 種探測的平均絕對偏差均在1 m·s-1左右，均方根誤差為2 m·s-1。由于風廓線雷達和L 波段雷達在高層時觀測距離較接近，因此，有理由推斷高度在1～5.5 km 時，2 種風場的一致性較高。

而高度在0～1 km 時，風廓線雷達與L 波段雷達探空的相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差變化范圍較大，特別是近地面層，u和v分量的相關(guān)系數(shù)均約0.5，均方根誤差在2～8 m·s-1。已有研究顯示[16]，由于受局地環(huán)流等因素影響，近地層風的局地變化較大，即便探空氣球施放點距風廓線雷達較近，L 波段雷達所測數(shù)據(jù)和風廓線雷達所測數(shù)據(jù)差異仍較大。而本文的2 種觀測在低層時距離最大，因此，其結(jié)果的可信度較低。此外，高度在5.5 km 以上時，風廓線雷達與L 波段雷達探空間的均方根誤差隨高度升高緩慢增加，其原因可能與高層回波信號減弱和高層樣本量減少有關(guān)。

圖3 各高度層上風廓線雷達和L 波段探空u 和v 的相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差Fig.3 The correlation coefficients ，MAE，and RMSE of wind profiler radar’s latitude wind component（u）and longitude wind component（v）against L-band radar sounding at different levels

2.2 無降水條件下整層測量對比

使用散點圖來表征整層高度范圍內(nèi)風廓線雷達和L 波段雷達探空的水平風場（見圖4）。所選870對廓線中，減去降水條件下的44 對，剩余826 對風廓線，累計匹配樣本量為27 885 對。總體來說，所有點較均勻地分布在y=kx直線兩側(cè)，無顯著系統(tǒng)性偏差。其中整層高度上u的相關(guān)系數(shù)為0.93，平均絕對偏差為1.53 m·s-1，均方根誤差為2.55 m·s-1，v的3 個 統(tǒng) 計 量 分 別 為0.80，1.65 和2.72 m·s-1，緯向風分量的一致性略好于經(jīng)向風分量。

由2.1 節(jié)分析可知，高度在1 km 以下時，風廓線雷達和L 波段雷達探空其水平風場對比結(jié)果的可信度較低，本文重新評估了高度在1～5.5 km 時2 種觀測數(shù)據(jù)（匹配樣本量為20 000 對）的一致性情況。圖4（c）和（d）顯示，無論是u分量還是v分量，散點的集中程度明顯高于圖4（a）和（b）。計算可知，u和v分量的相關(guān)系數(shù)分別增至0.95 和0.87，而平均絕對偏差分別減至1.47 和1.52 m·s-1，均方根誤差分別減至2.29 和2.12 m·s-1，一致性明顯提高。

2.3 降水條件下整層測量對比

如2.1 節(jié)中所述，查詢與本文風廓線雷達同址的地面自動站（蕭山站）分鐘降水資料，與有效樣本對應時間段內(nèi)有降水的觀測廓線相當少。累加后有降水情況下整層高度的風廓線雷達與L 波段雷達探空匹配樣本量為1 686 對，降水條件下兩者的對比散點圖如圖5 所示，可見，即使站點上空有降水，散點依然較集中地分布在y=kx直線附近，其中u分量尤為明顯。u和v分量的相關(guān)系數(shù)分別為0.98 和0.85，平均絕對偏差為1.39 和1.72 m·s-1，均方根誤差為1.82 和2.40 m·s-1，這一結(jié)果與無降水情況相比也并無顯著差別。考慮該樣本所得統(tǒng)計結(jié)果具有一定可信度，有理由推斷，降水對風廓線雷達探測數(shù)據(jù)的質(zhì)量影響不大。

圖4 無降水條件下風廓線雷達和L 波段雷達探空的水平風場散點圖Fig.4 The scatter diagram of wind profiler radar’s u and v against L-band radar sounding with whole levels in non-precopitation condition

圖5 降水條件下風廓線雷達和L 波段雷達探空的水平風場散點圖Fig.5 The scatter diagram of wind profiler radar’s u and v against L-band radar sounding s with whole levels in precipitation condition

3 結(jié)論與討論

利用2015—2018 年蕭山站風廓線雷達資料和杭州站L 波段雷達探空資料，通過計算相關(guān)系數(shù)、平均絕對偏差和均方根誤差3 個統(tǒng)計量，對2 種觀測設備探測水平風場的一致性進行了評估。由于2 種觀測設備非同源同址，且探空氣球存在不定向水平漂移，本文特意將氣球向風廓線雷達方向漂移的廓線作為對比樣本，以期盡量增加評估結(jié)果的可信度。對870 對廓線的評估結(jié)果顯示：

3.1 無降水條件下，高度在1 km 以下時，u和v分量的相關(guān)系數(shù)均約為0.5，均方根誤差在2～8 m·s-1，考慮到近地層風的不穩(wěn)定性和探空氣球施放點距風廓線雷達較遠，評估結(jié)果可信度較低。

3.2 無降水條件下，高度在1～5.5 km 時，風廓線雷達與L 波段雷達探空得到的水平風場兩者較一致，且隨高度變化差異不顯著。2 種觀測設備20 000 對匹配觀測的u分量和v分量的相關(guān)系數(shù)分別為0.95和0.87，平均絕對偏差為1.47 和1.52 m·s-1，均方根誤差為2.29 和2.12 m·s-1，兩者較一致，且一致性好于整層高度。

3.3 對降水條件下整層高度的風廓線與探空匹配樣本量進行累加，總共有611 對。統(tǒng)計結(jié)果與無降水條件下并無顯著差異。

需要指出的是，以往研究中，在使用探空資料評估風廓線雷達風場可信度時往往時長較短，樣本量較少，較多情況是科學試驗獲得的資料積累[1,14-15]。吳蕾等[17]對比分析了北京南郊大氣探測基地2 種設備2006—2008 年共3 a 的水平風場一致性，所用設備分別為航天科工集團二十三所CFL-16 型風廓線雷達和國家探空站L 波段雷達，與本文選用的設備基本一致（第二十三研究所CFL-03 型），因而與本文結(jié)果具有一定可比性。其結(jié)果顯示，在未剔除偏差較大的測風數(shù)據(jù)時，兩者的標準差在4 m·s-1以上，而若以3 倍標準差作為誤差限剔除野值后標準差約為2.3 m·s-1，此值接近本文的統(tǒng)計結(jié)果，這可能與本文樣本選擇方式有關(guān)。XU 等[19]給出了1 163條探空廓線水平飄移距離隨高度變化的平均值，即氣球上升到6 km 高度時約水平飄移8 km?？梢酝茢?，當L 波段雷達探空站與風廓線雷達同址時，近地面層風場的復雜性和高空采樣空間的不一致會影響測風數(shù)據(jù)的可信度。而本文選擇將氣球飄向風廓線雷達方向的廓線作為樣本，從而大大降低了高層采樣空間不一致對測風數(shù)據(jù)的影響。

浙江省氣象信息網(wǎng)絡中心陳晴女士為本文提供了風廓線雷達資料和數(shù)據(jù)庫信息，特此致謝！