劉思佳 ,盧 萍 ,劉金卿 ,黃小梅 ,曾 波

（1.中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，成都 610072；3.湖南省氣象臺，長沙 410118；4.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報重點實驗室，廣州 510641）

引言

風廓線雷達應(yīng)用多普勒原理觀測得到水平風廓線、垂直風速、大氣穩(wěn)定度等氣象要素隨高度的變化情況，能夠無人值守并24小時不間斷的提供高時空分辨率的高空探測資料[1?5]，是對常規(guī)業(yè)務(wù)探空的重要補充，為研究暴雨、冰雹、雷暴、大風等中小尺度天氣系統(tǒng)造成的強對流天氣的發(fā)生發(fā)展過程提供了可能[6?7]。然而由于雜波、晴雨和溫壓濕等因素干擾影響，導致風廓線雷達觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性有待提高[8]。評估風廓線雷達資料的質(zhì)量，確定風廓線雷達資料在不同天氣條件下對風速、風向的探測誤差，就顯得非常重要。目前研究通常以探空資料為標準，與風廓線雷達作對比獲得兩者測風的系統(tǒng)偏差[9]。李晨光等[10]、王欣等[11]和孫旭映等[12]通過對比分析風廓線雷達資料和探空資料，發(fā)現(xiàn)在對應(yīng)高度上兩者所得的垂直風場有較好一致性，200m高度以上風廓線資料的可信度較高。楊梅等[13]發(fā)現(xiàn)隨著高度增加，探空風向與雷達風向的相關(guān)度明顯降低，風速的相關(guān)變化不大。趙興炳等[3]發(fā)現(xiàn)風廓線雷達資料在高海拔地區(qū)仍具有較高的可靠性。董保舉等[14]指出不同天氣條件下低空的數(shù)據(jù)獲取率差異不大，高空陰雨天的數(shù)據(jù)獲取率和探測高度均優(yōu)于晴天。萬蓉等[9]提出由于風廓線雷達與探空在探測原理和方法上存在差異，無法對數(shù)據(jù)進行嚴格的對比，只能對誤差設(shè)置一個范圍，認為風廓線雷達資料在該誤差范圍之內(nèi)時是可靠的。魏東等[4]研究發(fā)現(xiàn)風廓線雷達資料與探空資料的熱動力物理參量在冰雹、雷暴大風和短時暴雨等強對流天氣中的表現(xiàn)基本一致。

四川省風廓線雷達網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較成熟，但是目前風廓線雷達數(shù)據(jù)的利用率較低。與探空資料相比，風廓線雷達資料的時間分辨率高，各物理參量的變化特征明顯，能更詳細地描述強對流天氣發(fā)生前后大氣狀態(tài)的變化，該資料對強對流天氣過程預(yù)報和研究具有重要作用。為了在科學研究和業(yè)務(wù)預(yù)報中更好地使用風廓線雷達資料，就必須對風廓線雷達資料的質(zhì)量進行評估。以往關(guān)于風廓線雷達資料與探空資料的對比分析多集中在水平風u、v分量標準偏差和相關(guān)性等方面，而對于長期風向頻率統(tǒng)計和平均風速等方面的研究較少。本文以四川省雅安市名山站為例，選取2015～2017年6月21日～7月31日每日四個時次西南渦加密探空資料和風廓線雷達資料，對比分析兩者在對流層低層風探測上的差別，重點研究不同高度、不同時次以及有無降水產(chǎn)生的差異，以期為有效利用雷達數(shù)據(jù)提升局地強對流天氣預(yù)報水平提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

如圖1所示，本文所用研究數(shù)據(jù)均在四川省雅安市名山站（站號：56280，經(jīng)緯度為103.12°E、30.08°N，海拔高度691m）獲取，其中包括：（1）中國氣象局成都高原氣象研究所實施的西南渦加密觀測大氣科學試驗[15?16]提供的每日四個時次（01:15、07:15、13:15、19:15）高分辨率探空資料（簡稱探空資料）；（2）風廓線雷達ROBS產(chǎn)品數(shù)據(jù)（簡稱風廓線雷達資料）；（3）逐時地面降水觀測資料。所有數(shù)據(jù)均采用北京時，時間長度為2015～2017年6月21日～7月31日。

圖1 名山站風廓線雷達地理位置

為保證數(shù)據(jù)的可比性，以探空資料為標準，選取與探空記錄在時間和空間上匹配的雷達風廓線資料進行對比分析。據(jù)統(tǒng)計，在2015～2017年6月21日～7月31日期間，風廓線資料和探空資料共有304個時次完整對應(yīng)。以小時降水量>0.1mm為分類依據(jù)，將數(shù)據(jù)分為兩類：一類是在觀測過程中有降水產(chǎn)生，有53個時次；另一類則是無降水產(chǎn)生，有251個時次。參考萬蓉等[9]人的數(shù)據(jù)處理方法，分別通過時間平均和空間平均對觀測資料的時間和高度層進行線性差值計算，使數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的時間和高度層上。對水平風先分解為u、v分量，再進行內(nèi)插，最后合成得出各高度上的風向和風速。為分析風廓線雷達與探空資料之間的偏差，采用平均誤差、均方根誤差對兩者水平風資料進行診斷分析，公式如下：

其中D為平均誤差，RMSE為均方根誤差，Xi為風廓線雷達資料；Yi為探空資料，N為樣本個數(shù)。

2 風廓線雷達水平風數(shù)據(jù)獲取率分析

為了定量評估風廓線雷達的探測能力，對風廓線雷達資料進行數(shù)據(jù)獲取率的統(tǒng)計。其定義為：各高度上，實際獲取的有效數(shù)據(jù)量與應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)總量之比[17]。圖2為名山站風廓線雷達2015～2017年6月21日～7月31日平均的水平風數(shù)據(jù)獲取率隨高度的變化。從圖中可以看到，0～3400m的數(shù)據(jù)獲取率保持在0.95以上，值隨高度變化不明顯；3400m以上，數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加而逐步減小，最低值約為0.58。根據(jù)已有研究[18]，定義有效數(shù)據(jù)獲取率0.8對應(yīng)的高度為風廓線雷達有效探測高度，名山站有效探測高度約為4200m。

圖2 名山站風廓線雷達水平風數(shù)據(jù)獲取率隨高度的變化

3 探空資料和風廓線雷達資料的對比分析

3.1 平均風向和風速垂直廓線

為了直觀地體現(xiàn)探空資料與風廓線雷達資料的差異情況，在不考慮有效探測高度、有無降水影響等因素的前提下，根據(jù)風廓線雷達探測最大高度，繪制了名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同時次探空資料和風廓線雷達資料在4.8km以下的廓線分布。圖3是兩種資料的平均風速差和風向差垂直廓線。圖4和圖5分別是兩種資料的平均風速和風向垂直廓線。

圖3 名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同時次探空資料和風廓線雷達資料的平均風速差（a）和風向差（b）垂直廓線（均為探空數(shù)據(jù)減去風廓線雷達數(shù)據(jù)）

結(jié)合圖3a和圖4發(fā)現(xiàn)，探空和風廓線雷達測得的風速在低層穩(wěn)定在2.5～4m/s，之后隨高度的增加而快速增大，其中風廓線雷達測得的風速大多大于探空測風；兩種資料中的風場廓線形狀總體來說比較接近，兩者的風速相關(guān)性較好，僅在個別層次和時次有一定偏差，風速的偏差大小與風廓線風速大小存在正相關(guān)關(guān)系。就每天四個時次而言，風廓線雷達在01:15和07:15測得的風速與探空測風最為接近，4000m以下兩者的風速絕對誤差均<1m/s；在13:15和19:15，2500m以下風速絕對誤差普遍<1m/s，而2500m以上風速絕對誤差普遍>1m/s且隨高度上升逐漸增大。根據(jù)上述分析，在01:15、07:15的3800m以下和13:15、19:15的2300m以下高度，兩種資料的風速差值均<1m/s，已有研究[9]指出風廓線雷達資料與加密探空資料風速偏差在3m/s范圍的樣本為有效樣本，說明上述層次和時次風廓線雷達資料的風速有效。朱麗娟[19]研究雷達數(shù)據(jù)誤差也得出了與本文一致的結(jié)論，即隨探測高度增加，誤差增大且錯誤資料增多，其原因可能是由于風廓線雷達接收到的信號通常隨高度的增加而衰減，這從根本上影響了風廓線雷達的探測高度。而中午和晚上名山地區(qū)下墊面溫度變化明顯，產(chǎn)生局地湍流，進而引發(fā)垂直運動[20]，也可能是導致雷達探測高層誤差較大的原因之一。

圖4 名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同時次探空資料（黑）和風廓線雷達資料（紅）的平均風速垂直廓線（a.01:15，b.07:15，c.13:15，d.19:15）

結(jié)合圖3b和圖5發(fā)現(xiàn)，在07:15，500～4500m的風向差均<30°，1200m以下的風向差<20°，1200m以上的風向差在20°～30°之間；低層存在冷平流，風向隨高度的增加呈逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢，由偏南風變?yōu)槠珫|風；在1500m附近存在暖平流，風向隨高度的增加變?yōu)轫槙r針偏轉(zhuǎn)，由偏東風轉(zhuǎn)為偏南風；風廓線雷達對風向的轉(zhuǎn)變更加敏感，在比探空資料低500m的高度上就能反映出風向變化；風向隨高度的差值與風速呈相反變化，中高層較弱，而低層較強；需要特別指出的是，在01:15，1500m以下風廓線雷達與探空測得的風向差值均大于其他時次，可能是凌晨局地湍流的擾動影響較大導致。根據(jù)萬蓉[9]的研究結(jié)論“風廓線雷達資料與加密探空資料風向偏差在20°以內(nèi)的樣本為有效樣本”可知，早晨的風廓線雷達資料在低層可靠性較好，中高層較差，其余三個時次2500～4500m的風向差<20°的雷達資料較為可靠。

圖5 同圖4，但為平均風向

如圖3所示，200m以下的風速偏差較大，500m以下的風向偏差較大，其主要原因可能是由于地物雜波和大氣邊界層湍流活動的共同影響[3,9]；而兩種資料中4200m以上各個時次的風速差值沒有明顯的變化規(guī)律，這與上文分析得出的名山站有效探測高度為4200m相吻合。因此，下文中主要對500～4200m風廓線雷達資料與探空資料的差異進行分析。

3.2 風向頻率

根據(jù)名山站2015～2017年6月21日～7月31日的探空和風廓線雷達資料，統(tǒng)計不同高度和不同時次的風向出現(xiàn)頻次，分別繪制了主要高度層（500m、1500m、2500m、3500m）上四個時次的平均風頻玫瑰圖（圖6）。如圖所示，除01:15的500m高度外，兩種資料反映出的主風向在其余時次和高度層上的觀測結(jié)果一致性較好，主風向隨高度的變化規(guī)律基本一致，其中3500m高度的一致性最好；主風向為偏東北風和偏西南風，在相同時次觀測到的主風向從低層到高層由偏東北風變?yōu)槠髂巷L，這與3.1小節(jié)中得出的結(jié)論一致；值得注意的是，01:15和07:15的探空資料較風廓線雷達資料在500m高度對西風的敏感度更高。

圖6 名山站2015～2017年6月21日～7月31日探空資料（紅）和風廓線雷達資料（藍）的平均風頻玫瑰圖（時次從上到下依次為01:15、07:15、13:15、19:15，高度從左到右依次為500m、1000m、2500m、3500m）

3.3 u、v風散點分布特征

散點分布圖可以表征物理量之間的偏差情況，散點越集中于對角線，代表兩個物理量之間的偏差越小。圖7給出了名山站不同時次的500～4200m風廓線雷達資料U風（Ua）相對于探空資料U風（Ub）的散點分布。如圖所示，U風散點分布的主要特征為沿對角線呈棒槌型，四個時次均存在嚴重偏離對角線的點，分布特征不盡相同；除了13:15以外，其余三個時次均在Ub=0m/s附近存在較多異常偏差點，多表現(xiàn)為較強西風（Ua>0）；19:15，U風散點分布的棒槌型特征并不顯著，沿對角線分布不完全對稱，明顯偏向于Ua一側(cè)，即Ua>Ub的情況偏多，說明風廓線雷達在夜間探測的U風分量相對探空資料存在明顯的系統(tǒng)性正偏差。

圖7 名山站不同時次的500～4200m風廓線雷達資料U風速（Ua）與探空資料U風速（Ub）的散點分布（a.01:15，b.07:15，c.13:15，d.19:15）

圖8是名山站不同時次的500～4200m風廓線雷達資料V風（Va）相對于探空資料V風（Vb）的散點分布。如圖所示，V風散點分布的主要特征也表現(xiàn)為基本沿對角線成棒槌型，四個時次均存在明顯偏離對角線的點，但數(shù)量和偏離程度都遠小于U風分量；除了13:15以外，其余三個時次也均在Vb=0m/s附近存在部分異常偏差。

圖8 同圖7，但為V風速

總的來看，風廓線雷達探測的V風質(zhì)量優(yōu)于U風，U風分量在Ub=0m/s附近存在異常偏差點的現(xiàn)象比V風分量顯著，且該現(xiàn)象在四個時次中顯著程度不盡相同，這與王葉紅等[5]、朱立娟[19]的研究結(jié)論一致。

3.4 有無降水條件

為了具體研究在有無降水時風廓線雷達資料與探空資料風速和風向的差別，圖9給出了有無降水條件下不同時次的兩種資料中風速和風向的均方根誤差垂直廓線。

如圖9a～b所示，無降水時，風廓線雷達探測風速與探空之間的均方根誤差隨高度變化較小，四個時次均呈低層穩(wěn)定、中層增大、高層混亂的變化特征；有降水時，風速均方根誤差的變化在不同高度均波動較大。除19:15這一時次外，無降水時低層的風速均方根誤差<3m/s，明顯小于有降水時；有無降水條件下，中高層的風速均方根誤差區(qū)別不大。在19:15這一時次，除極個別高度外，有降水時的風速均方根誤差明顯小于無降水時。在07:15這一時次，1750m是一個明顯的分界點，在此高度以下無降水時的風速均方根誤差小于有降水時，在此高度以上則相反。在07:15和13:15這兩個時次的3800m以上，有降水時的風速均方根誤差均小于無降水時，說明有降水產(chǎn)生時風廓線雷達探測高度更高，這與多項研究[10，18，21?22]得出“當有天氣系統(tǒng)過境、高空水汽增加時，伴有探測高度明顯增加現(xiàn)象，降水期間風廓線雷達水平風平均探測高度可以增加2km以上，降水強度與最大探測高度和增幅呈正相關(guān)”的結(jié)論基本一致。

如圖9c～d所示，風廓線雷達探測的風向與探空之間均方根誤差的變化與風速的表現(xiàn)完全相反，有無降水條件下均呈低層和中層逐漸減小、高層穩(wěn)定的變化特征。無降水時，四個時次的風向均方根誤差區(qū)別不大；除極個別高度外，風向均方根誤差均<95°，其中01:15這一時次的風向均方根誤差呈隨高度減小的趨勢，800m高度以下的風向均方根誤差>110°。有降水時，不同高度的風向均方根誤差波動較大，垂直方向上一致性較差，各個時次的變化規(guī)律都不一樣。

4 結(jié)論與討論

本文選取名山站2015～2017年6月21日～7月31日每日四個時次西南渦加密探空資料和風廓線雷達資料，對比分析兩者在對流層低層風探測上的差別，重點研究不同高度、不同時次以及有無降水產(chǎn)生的差異，主要結(jié)論如下:

（1）名山站風廓線雷達資料有效探測高度約為4200m。0～3400m的數(shù)據(jù)獲取率保持在0.95以上，隨高度變化不明顯；3400m以上，數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加而逐步減小，最低值約為0.58。

（2）風廓線雷達和探空測得的風場廓線形狀總體接近，兩者的風速相關(guān)性較好，僅在個別層次和時次有一定偏差，風速的偏差大小與風廓線風速大小存在正相關(guān)關(guān)系，除去少數(shù)情況外風廓線雷達測得的風速均大于探空。兩者風向差值隨高度的變化規(guī)律與風速相反，在中高層較小，低層較大。07:15，風向在500～1200m高度為有效樣本，其余三個時次在2500～4500m高度為有效樣本。

（3）除01:15的500m高度外，風廓線雷達和探空測得的主風向在其余時次和高度上的觀測結(jié)果一致性較好，主風向隨高度的變化規(guī)律也基本一致，相同時次自低層到高層兩者觀測到的主風向由偏東北風變?yōu)槠髂巷L。

（4）U風和V風散點分布主要沿對角線呈棒槌型，在各時次均存在嚴重偏離對角線的點，V風的偏離點數(shù)量和偏離程度相對較小。除13:15外，其余三個時次均在Ub=0m/s附近存在較多異常偏差點，多表現(xiàn)為較強西風。在19:15，U風散點分布的棒槌型特征并不顯著，沿對角線分布不完全對稱，明顯偏向于Ua一側(cè)，說明風廓線雷達在夜間探測的U風分量相對探空資料存在明顯的系統(tǒng)性正偏差。

（5）無降水時，風速均方根誤差隨高度變化較小，四個時次均呈低層穩(wěn)定、中層增大、高層混亂的變化特征；有降水時，風速均方根誤差的變化在不同高度均波動較大。在07:15和13:15，有降水時風廓線雷達探測高度更高；在19:15，除了極個別高度外，有降水時風速均方根誤差明顯小于無降水時。風向均方根誤差的變化與風速的完全相反，有無降水時均呈低層和中層逐漸減小、高層穩(wěn)定的變化趨勢。無降水時，四個時次的風向均方根誤差區(qū)別不大。有降水時，不同高度的風向均方根誤差波動較大，垂直方向上一致性較差，各個時次的變化規(guī)律都不一樣。

風廓線雷達探測的準確性受多方面因素影響，由于探空儀和風廓線雷達探測原理不同，探測目標在空間上存在一定偏差，本研究僅針對名山站2015～2017年6月21日～7月31日風廓線雷達資料進行分析，所得出的結(jié)論尚不全面，還有待進一步采集更多數(shù)據(jù)進行深入研究。