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邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)觀測(cè)適用性評(píng)估

2021-06-01 09:02:04嚴(yán)嘉明趙兵科林立旻
應(yīng)用氣象學(xué)報(bào) 2021年3期
關(guān)鍵詞:風(fēng)廓探空臺(tái)風(fēng)

嚴(yán)嘉明 趙兵科 張 帥 林立旻 湯 杰*

1)(中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030) 2)(福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350001)

引 言

風(fēng)廓線雷達(dá)具備全天候無(wú)人值守,可24 h連續(xù)提供測(cè)站上空高時(shí)空分辨率、連續(xù)且實(shí)時(shí)性好的大氣水平風(fēng)場(chǎng)、垂直氣流、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度分布的能力[1-3]。20世紀(jì)80年代,美國(guó)通過(guò)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)理論20年的研究逐步趨于成熟,并采用404 MHz風(fēng)廓線雷達(dá)[4]建立數(shù)十部對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)組成的試驗(yàn)網(wǎng),隨著風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)日趨成熟,已成為商業(yè)化產(chǎn)品,數(shù)據(jù)在多個(gè)領(lǐng)域得到運(yùn)用,包括民用氣象、機(jī)場(chǎng)天氣監(jiān)測(cè)、數(shù)值預(yù)報(bào)[5],還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。日本自行研制了天線波束指向靈活的風(fēng)廓線雷達(dá),并從2000年開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)的組網(wǎng)探測(cè)。我國(guó)對(duì)于風(fēng)廓線雷達(dá)技術(shù)的研制工作開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。

臺(tái)風(fēng)作為自然界中最常見(jiàn)的自然災(zāi)害,每年都給世界各地的沿海地區(qū)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失以及人員傷亡,因此臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的精確觀測(cè)格外重要,目前近地面觀測(cè)手段較缺乏,主要依靠探空氣球、風(fēng)速計(jì)、測(cè)風(fēng)塔等被動(dòng)式觀測(cè)工具,且各有局限性,如探空氣球依靠人力無(wú)法進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),風(fēng)速計(jì)為單點(diǎn)近地面觀測(cè),風(fēng)塔雖然能夠提供剖面數(shù)據(jù),但受高度限制等因素制約也僅能提供較少層數(shù)據(jù),且機(jī)動(dòng)性差、維護(hù)成本高。因此目前亟需能提供連續(xù)觀測(cè)且機(jī)動(dòng)性高的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備,風(fēng)廓線雷達(dá)可很好地滿足這些需求。關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的相關(guān)研究已有學(xué)者進(jìn)行探討。Weber等[6]利用美國(guó)科羅拉多州機(jī)場(chǎng)的探空與同站的超高頻風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行采樣,通過(guò)每日兩次歷時(shí)兩年的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩者測(cè)得的水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 m·s-1,造成誤差的主要原因是不同天氣系統(tǒng)中風(fēng)的變化;萬(wàn)蓉等[7]對(duì)貴州省威寧市黑山觀測(cè)站風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)與加密探空進(jìn)行對(duì)比分析,定義兩者風(fēng)向偏差在20°以內(nèi)或風(fēng)速偏差在3 m·s-1范圍內(nèi)的樣本為有效樣本,通過(guò)不同條件下獲得的樣本比率分析風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量;孫康遠(yuǎn)等[8]利用風(fēng)廓線雷達(dá)反演大氣比濕廓線與探空進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)反演的結(jié)果與探空比濕廓線呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。王欣等[9]對(duì)風(fēng)廓線儀探測(cè)數(shù)據(jù)與同步探空儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證風(fēng)廓線儀數(shù)據(jù)的可信度,并應(yīng)用風(fēng)廓線數(shù)據(jù)分析梅雨鋒期間中尺度降水的對(duì)流特征和相關(guān)問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)大氣風(fēng)廓線儀對(duì)水平風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的探測(cè)能力,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)中尺度降水期間風(fēng)的垂直切變和對(duì)流特征,有助于提高臨近天氣預(yù)報(bào)的精度,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)降水;鄧闖等[10]對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的測(cè)風(fēng)精度進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)影響低層數(shù)據(jù)質(zhì)量精度的主要原因是地面風(fēng)速較小、雜波干擾較多,大氣返回信號(hào)較弱、信噪比較小是高空測(cè)風(fēng)精度的主要影響因子,研究還發(fā)現(xiàn)對(duì)流性降水云過(guò)境時(shí),波束空間內(nèi)降水粒子及環(huán)境大氣運(yùn)動(dòng)分布有明顯的非均勻性;Shapiro等[11]利用美國(guó)科羅拉多的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)對(duì)鋒面和噴流進(jìn)行觀測(cè),通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)判斷噴流維持的時(shí)間以及噴流在空間上的厚度、噴流核通過(guò)的時(shí)間以及風(fēng)切變層的厚度變化;何平等[12]利用風(fēng)廓線雷達(dá)提供的功率譜密度、信噪比、水平速度、垂直速度等多種數(shù)據(jù)從多角度對(duì)降水個(gè)例進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),風(fēng)廓線雷達(dá)可以同時(shí)探測(cè)垂直氣流速度、粒子落速及其高度分布,進(jìn)而可以估計(jì)降水粒子尺度譜及其高度分布,便于開(kāi)展更深層次的降水物理過(guò)程研究。Wuertz等[13]對(duì)降水效應(yīng)對(duì)超高頻風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)的影響進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)風(fēng)精度降低很大程度由不同天線波束上水平降水不均勻引起。

目前關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下適用性的相關(guān)研究較少,Liao等[14]利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)臺(tái)風(fēng)天兔(1319)的邊界層演變特征進(jìn)行研究,利用兩組不同時(shí)間段的風(fēng)廓線雷達(dá)和探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并通過(guò)位溫的變化估算混合層的厚度,指出不同方法定義的邊界層高度不同,最后發(fā)現(xiàn)登陸前邊界層高度可達(dá)2100 m以上,隨著臺(tái)風(fēng)登陸邊界層高度迅速下降;汪學(xué)淵等[15]對(duì)臺(tái)風(fēng)蘇拉(1209)登陸過(guò)程中獲得的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析,結(jié)果證明風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的特征與實(shí)際天氣特征一致;李利孝等[16]利用2座風(fēng)觀測(cè)塔和1部臺(tái)風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比(0814)的實(shí)測(cè)結(jié)果,研究其近地層和邊界層風(fēng)剖面特征;May[17]將安裝在塞班島的50 MHz風(fēng)廓線雷達(dá)小時(shí)平均數(shù)據(jù)與120組探空數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn),10 km高度以下風(fēng)速均方根誤差為2.3 m·s-1,且風(fēng)速偏差與風(fēng)速大小和降水無(wú)關(guān);May等[18]利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)熱帶風(fēng)暴Flo在通過(guò)塞班島附近115 km內(nèi)時(shí)進(jìn)行分析,細(xì)致解釋了該熱帶風(fēng)暴的環(huán)流以及降水結(jié)構(gòu)。Yan等[19]分析風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)環(huán)流中的數(shù)據(jù)質(zhì)量,但結(jié)果并不完整,特別是對(duì)于不同降水條件下風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)質(zhì)量未進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估。

本文在前期初步工作的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)于登陸臺(tái)風(fēng)邊界層診斷的適用性,包括可能導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向誤差的原因分析等。與董德保等[20]從雷達(dá)工作原理及風(fēng)的計(jì)算公式出發(fā)不同,本文從外界客觀因素出發(fā),以期為風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣中的應(yīng)用提供支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及對(duì)比方法

本文使用的數(shù)據(jù)為中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所在外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)中采集到的鳳凰(1416)、燦鴻(1509)、尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)、鲇魚(yú)(1617)以及利奇馬(1909)6個(gè)臺(tái)風(fēng)合計(jì)34組同點(diǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)、GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))氣球探空以及雨滴譜儀數(shù)據(jù),臺(tái)風(fēng)路徑及對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖1,數(shù)據(jù)采集時(shí)間詳見(jiàn)表1,時(shí)間均為世界時(shí),下同。

表1 風(fēng)廓線雷達(dá)以及探空數(shù)據(jù)采集時(shí)間

圖1 臺(tái)風(fēng)鳳凰(1416)、臺(tái)風(fēng)燦鴻(1509)、臺(tái)風(fēng)尼伯特(1601)、臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂(1614)、臺(tái)風(fēng)鲇魚(yú)(1617)及臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)路徑圖(五邊形為對(duì)臺(tái)風(fēng)鳳凰及臺(tái)風(fēng)燦鴻進(jìn)行觀測(cè)時(shí)所在的位置,叉號(hào)為對(duì)臺(tái)風(fēng)利奇馬進(jìn)行觀測(cè)時(shí)所在位置,菱形為對(duì)臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂進(jìn)行觀測(cè)時(shí)所在位置,五角星為對(duì)臺(tái)風(fēng)尼伯特以及臺(tái)風(fēng)鲇魚(yú)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)所在的位置)

對(duì)比風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分別通過(guò)北京愛(ài)爾達(dá)電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Airda 3000型機(jī)動(dòng)式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)以及Vaisala MW41探空系統(tǒng)觀測(cè)得到。Airda 3000采用5波束探測(cè)模式,時(shí)間分辨率為5 min,最高可觀測(cè)到4700 m高度的風(fēng)場(chǎng),垂直分辨率為50 m,可以連續(xù)獲得水平風(fēng)速、垂直速度、信噪比、徑向速度等多種氣象參數(shù)。此型風(fēng)廓線雷達(dá)大多以固定方式應(yīng)用于各地監(jiān)測(cè)邊界層結(jié)構(gòu)研究[21]。探空系統(tǒng)由探空儀和地面設(shè)備組成,采樣頻率為2 s,可連續(xù)獲得溫度、壓力、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等大氣參數(shù),探測(cè)高度由氣球爆炸高度決定,探空可幫助了解邊界層內(nèi)的情況[22-23]。但需要指出的是,利用風(fēng)廓線雷達(dá)和探空測(cè)風(fēng)進(jìn)行對(duì)比會(huì)遇到兩者測(cè)風(fēng)采樣空間不同的問(wèn)題,風(fēng)廓線雷達(dá)是對(duì)雷達(dá)上方高度層的風(fēng)進(jìn)行采樣,5 min獲得一組風(fēng)廓線數(shù)據(jù);而氣球探空則會(huì)隨風(fēng)飄移,是在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)測(cè)風(fēng),且為瞬時(shí)數(shù)據(jù),相同的高度,探空氣球可能已飄到距離施放點(diǎn)幾千米甚至是幾十千米的地點(diǎn)。因此,風(fēng)廓線雷達(dá)和探空觀測(cè)的是不同時(shí)間以及不同地點(diǎn)的風(fēng),兩者存在差異。但根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)和氣球探空的探測(cè)原理,當(dāng)大氣較為均勻時(shí),即在半小時(shí)內(nèi)和幾十千米范圍內(nèi)風(fēng)沒(méi)有很大變化時(shí),探空和風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)有較好一致性,雖然臺(tái)風(fēng)的大風(fēng)環(huán)境會(huì)進(jìn)一步加大探空在水平方向上的飄移,加大兩者間的觀測(cè)偏差,但本文主要針對(duì)邊界層內(nèi)(小于3000 m),且臺(tái)風(fēng)作為中尺度系統(tǒng),水平覆蓋面為300~1500 km,即使內(nèi)部存在各種不連續(xù)流體,但是在同一流體且一定距離范圍內(nèi)風(fēng)不會(huì)有明顯變化,為此對(duì)探空升至3000 m時(shí)距離施放點(diǎn)的水平距離進(jìn)行估算,探空氣球上升的平均速度大約為5~10 m·s-1,上升至3000 m高度大約需要300~600 s;另外考慮臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)速,且各臺(tái)風(fēng)風(fēng)速不同,本文所觀測(cè)臺(tái)風(fēng)的平均風(fēng)速約為20 m·s-1,即探空氣球(不考慮風(fēng)向變化的情況下)在到達(dá)3000 m高度時(shí)距離施放點(diǎn)大約為6~12 km。從圖2可以看到,3000 m高度時(shí),探空氣球基本位于距離施放點(diǎn)15 km內(nèi)的范圍,與理論估算的結(jié)果相當(dāng)。風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間分辨率為5 min,在這5 min內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)上方的大氣以20 m·s-1的速度流動(dòng),時(shí)間(300 s)與平均風(fēng)速(20 m·s-1)乘積為6 km,具體根據(jù)實(shí)際風(fēng)速而改變,如臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)的風(fēng)速更大。因此對(duì)于在臺(tái)風(fēng)邊界層高度的風(fēng)速觀測(cè),探空氣球在移動(dòng)路徑上采集的瞬時(shí)風(fēng)速和風(fēng)廓線雷達(dá)在固定端探測(cè)的平均風(fēng)速可以進(jìn)行對(duì)比;探空作為目前高空風(fēng)探測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn),尤其是對(duì)臺(tái)風(fēng)這種強(qiáng)綜合觀測(cè)環(huán)境下的天氣尺度系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè),很難有更準(zhǔn)確的直接探測(cè)手段能與風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確地比對(duì)和校驗(yàn),盡管風(fēng)廓線雷達(dá)和探空的測(cè)量原理差別很大,但是利用探空與風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)比可以獲得二者測(cè)風(fēng)的系統(tǒng)偏差。

圖2 3000 m高度探空氣球與觀測(cè)點(diǎn)(極點(diǎn))相對(duì)位置

另外,在WMO第8屆陽(yáng)江國(guó)際探空比對(duì)評(píng)估報(bào)告中對(duì)探空測(cè)風(fēng)以及風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)能力的差異進(jìn)行評(píng)估,該評(píng)估主要參考探空數(shù)據(jù)分析風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)的性能和能力,利用多種探空儀與參與測(cè)試的風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果顯示當(dāng)探測(cè)高度在3000 m以下時(shí),風(fēng)廓線雷達(dá)與L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)和風(fēng)廓線與探空測(cè)風(fēng)的平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.3 m·s-1,2.0 m·s-1和1.4 m·s-1,1.9 m·s-1,水平相當(dāng),探測(cè)性能總體較好,但在近地層和3000 m以上偏差較大,近地層偏差較大可能是受地物影響,在3000 m以上偏差較大是由于獲取的信號(hào)較弱,難以獲得準(zhǔn)確的風(fēng)數(shù)據(jù)。報(bào)告還指出風(fēng)廓線雷達(dá)能夠在臺(tái)風(fēng)接近期間提供連續(xù)的表面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),以及在大部分無(wú)降水的情況下提供風(fēng)廓線信息,該評(píng)估報(bào)告表明風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性以及可靠性,為后續(xù)研究提供了強(qiáng)有力的研究基礎(chǔ)[24]。

本文使用的雨滴譜儀是PARSIVEL 激光雨滴譜儀,將其原始輸出數(shù)據(jù)處理生成降水強(qiáng)度數(shù)據(jù)[25]以對(duì)不同降水環(huán)境下風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

2 結(jié)果分析

2.1 水平風(fēng)速評(píng)估

由于目前缺乏臺(tái)風(fēng)天氣條件下風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)速風(fēng)向誤差評(píng)估的相關(guān)研究,因此本文旨在對(duì)臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)期間風(fēng)廓線雷達(dá)所采集的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行適用性評(píng)估,定量化確定在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)降水系統(tǒng)內(nèi),邊界層風(fēng)廓線的可用性和適用性。

對(duì)6次臺(tái)風(fēng)外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)中采集到的34組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析,定義當(dāng)每組數(shù)據(jù)獲取率高于80% 且標(biāo)準(zhǔn)差小于等于4 m·s-1時(shí),該時(shí)次風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量為好,并以相關(guān)系數(shù)及均方根誤差作為檢驗(yàn)方式。34組數(shù)據(jù)中有4組數(shù)據(jù)缺測(cè),其余30組數(shù)據(jù)的水平風(fēng)速的平均標(biāo)準(zhǔn)差為3.64 m·s-1,平均誤差為4.67 m·s-1,其中24組數(shù)據(jù)達(dá)到0.01的顯著性水平,2組達(dá)到0.1的顯著性水平,4組呈負(fù)相關(guān)且未達(dá)到0.1的顯著性水平。圖3為30組數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果分布,有19組數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果較好,均集中在圖3右下角標(biāo)準(zhǔn)差小于4且相關(guān)系數(shù)大于0.5的區(qū)域。

圖3 風(fēng)廓線雷達(dá)與探空在不同高度上的水平風(fēng)速對(duì)比

這19組較好數(shù)據(jù)的特征為250 m高度以下兩廓線重合度低。分別從19組評(píng)估結(jié)果較好的數(shù)據(jù)中挑選不同臺(tái)風(fēng)的4組數(shù)據(jù)(圖4),這4組數(shù)據(jù)都在250 m高度以下有兩廓線不重合,且探空的風(fēng)速小于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的風(fēng)速。究其原因一方面是因?yàn)樵谂_(tái)風(fēng)環(huán)流相對(duì)強(qiáng)風(fēng)的環(huán)境下,探空氣球由施放那一刻的靜止?fàn)顟B(tài)到能有效偵測(cè)環(huán)境風(fēng)的狀態(tài)需要經(jīng)過(guò)加速度的過(guò)程;另一方面,臺(tái)風(fēng)環(huán)境下受大風(fēng)影響探空氣球的飄移比常規(guī)情況偏大,也會(huì)加大兩者的觀測(cè)偏差。另外,這4組數(shù)據(jù)的比濕廓線隨高度無(wú)劇烈變化,均在零線附近振蕩。圖4中r為相關(guān)系數(shù),dst為標(biāo)準(zhǔn)差,rmse為均方根誤差。

圖4 風(fēng)廓線雷達(dá)與探空水平風(fēng)速對(duì)比

為了證明250 m左右的高度較為合理,根據(jù)19組對(duì)比結(jié)果較好的數(shù)據(jù)特征,發(fā)現(xiàn)兩廓線在第1次相交前重合度較低,第1次相交后則兩廓線重合度變高,因此將第1次交點(diǎn)的高度作為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量好壞的分界高度,并對(duì)19組數(shù)據(jù)的第1次相交高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)。圖5可以發(fā)現(xiàn)兩廓線第1次相交的平均高度在290 m,與估計(jì)的250 m接近。

圖5 兩廓線第1次相交的高度(虛線為平均相交高度)

從風(fēng)速看,臺(tái)風(fēng)鳳凰(1416)影響期間的7組數(shù)據(jù)兩廓線高度重合,相關(guān)系數(shù)幾乎均高于0.5,均方根誤差和標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果相近且均小于4 m·s-1。值得注意的是2014年9月22日08:00(圖6),相關(guān)系數(shù)雖僅為0.163,但兩廓線重合度非常高且標(biāo)準(zhǔn)差及均方根誤差分別僅為2.612 m·s-1和2.578 m·s-1,因此相關(guān)系數(shù)可以用于確認(rèn)數(shù)據(jù)質(zhì)量,但無(wú)法作為第一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)差或者均方根誤差更合理,這也是本文將均方根誤差設(shè)定為風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量閾值的原因。另外,7組數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)250 m高度以下兩廓線重合度低的共同特征。從藍(lán)色比濕廓線的變化特征看,去趨勢(shì)后的比濕廓線在零值線附近振蕩且振幅較小,如圖6中2014年9月22日08:00。

臺(tái)風(fēng)燦鴻(1509)影響期間僅有兩個(gè)時(shí)次的風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較好,兩廓線重合度高,且相關(guān)系數(shù)都高于0.9,標(biāo)準(zhǔn)差及均方根誤差均小于4,但也存在250 m高度以下重合度低的特征,其余3個(gè)時(shí)次的對(duì)比結(jié)果均不理想,標(biāo)準(zhǔn)差及均方根誤差都很大,且對(duì)比結(jié)果較好時(shí)比濕廓線在零值線附近小幅振蕩,而當(dāng)對(duì)比結(jié)果較差時(shí),比濕廓線振幅增加。從兩廓線重合度看,2015年7月11日06:00(圖6)的對(duì)比結(jié)果最差,比濕廓線的振蕩幅度最大,因此推測(cè)風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞可能與臺(tái)風(fēng)內(nèi)部濕度的變化有關(guān)。

圖6 風(fēng)廓線雷達(dá)與探空的水平風(fēng)速對(duì)比

2016年在尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)和鲇魚(yú)(1617)3個(gè)臺(tái)風(fēng)影響下測(cè)得的10組數(shù)據(jù)中有4組風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重,經(jīng)確認(rèn)是風(fēng)廓線雷達(dá)在觀測(cè)期間出現(xiàn)故障所致,由于缺測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間并未與數(shù)據(jù)正常采集的時(shí)間交替發(fā)生,因此認(rèn)為故障發(fā)生前的觀測(cè)數(shù)據(jù)并未受到影響,可以使用。剩余6組中有4組風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較好,比濕廓線也均在零線附近振蕩。圖6中2016年7月9日00:50和2016年9月27日20:05為結(jié)果較差的2組,其中00:50的比濕廓線振幅較大,與先前分析的共同特征相似,而20:05的比濕廓線無(wú)類似的大振幅特征,這可能是由于在1500 m高度以上存在風(fēng)速不連續(xù)區(qū),即大氣不均勻區(qū)域,根據(jù)探空氣球漂移的特性,該時(shí)次兩者觀測(cè)的可能并非同一均勻流體。另外,結(jié)果較好的4組數(shù)據(jù)中有2組(圖6中2016年7月9日02:55和2016年9月27日17:10)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差與均方根誤差相差過(guò)大,分別為2.722 m·s-1與6.363 m·s-1以及1.79 m·s-1與5.583 m·s-1,兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與均方根誤差大約相差4,該特征也反應(yīng)在兩廓線的重合度上,可以看到這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的兩廓線雖趨勢(shì)相近,但風(fēng)速相差約5 m·s-1;其余結(jié)果較好的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與均方根誤差相近且兩廓線重合度高,因此均方根誤差可以幫助進(jìn)一步在結(jié)果較好的數(shù)據(jù)中篩選出相對(duì)較差的數(shù)據(jù)。

臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)影響下共觀測(cè)得到12組數(shù)據(jù),其中有7組結(jié)果較好,其余5組結(jié)果較差,在較差的5組中有4個(gè)時(shí)次相連。根據(jù)中國(guó)氣象局提供的相關(guān)資訊,利奇馬登陸時(shí)間為2019年8月9日17:45前后,對(duì)比結(jié)果較差且連續(xù)的4個(gè)時(shí)次均發(fā)生在臺(tái)風(fēng)即將登陸前以及登陸時(shí)刻左右。由于浙江、福建一帶多以丘陵山地地形為主,因此風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果變差是否和臺(tái)風(fēng)接近陸地時(shí)低層環(huán)流結(jié)構(gòu)受到地形破壞有關(guān)值得進(jìn)一步研究。

為了進(jìn)一步確認(rèn)250 m高度以下數(shù)據(jù)是否影響整體數(shù)據(jù)質(zhì)量,由于風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直分辨率為50 m,將風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較好的19組數(shù)據(jù)中250 m高度以下的觀測(cè)數(shù)據(jù)剔除后發(fā)現(xiàn)大部分風(fēng)廓線雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性變得更高,標(biāo)準(zhǔn)差變得更小,其平均標(biāo)準(zhǔn)差由原來(lái)的2.2 m·s-1下降到1.9 m·s-1(圖7),比Weber等[6]利用美國(guó)科羅拉多州機(jī)場(chǎng)的探空與同站址的超高頻風(fēng)廓線雷達(dá)2年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析后提出的兩者所測(cè)水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為2.5 m·s-1更好。雖然本文結(jié)果是通過(guò)只選取結(jié)果較好的數(shù)據(jù)得到的,但一定程度上表明風(fēng)廓線雷達(dá)可以在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下使用。標(biāo)準(zhǔn)差的減小也證實(shí)250 m高度以下的數(shù)據(jù)確實(shí)影響數(shù)據(jù)整體質(zhì)量,因此在后續(xù)研究中應(yīng)將該高度層以下的數(shù)據(jù)剔除后或利用更為有效的觀測(cè)手段(如激光測(cè)風(fēng)雷達(dá))將低層數(shù)據(jù)進(jìn)行替換補(bǔ)充后使用。

圖7 風(fēng)廓線雷達(dá)與探空在剔除250 m高度以下數(shù)據(jù)前后水平風(fēng)速的對(duì)比

綜上所述,造成風(fēng)速數(shù)據(jù)較差的原因可能與臺(tái)風(fēng)中大氣濕度的分布、臺(tái)風(fēng)內(nèi)局部擾動(dòng)導(dǎo)致在雷達(dá)探測(cè)波束內(nèi)風(fēng)不均勻、臺(tái)風(fēng)受地形影響低層環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān),250 m高度以下的數(shù)據(jù)確實(shí)影響數(shù)據(jù)整體質(zhì)量。

2.2 水平風(fēng)向評(píng)估

為了研究臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)向數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,類似風(fēng)速對(duì)比,將34組數(shù)據(jù)的風(fēng)向與探空風(fēng)向進(jìn)行對(duì)比,其中以臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)影響下測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果最好。

臺(tái)風(fēng)鳳凰(1416)的風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果較風(fēng)速對(duì)比結(jié)果差,7組數(shù)據(jù)風(fēng)向均有明顯偏差,但兩廓線具有相同趨勢(shì),推測(cè)造成該誤差的原因是風(fēng)廓線雷達(dá)初始標(biāo)定的問(wèn)題,可通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理解決。

臺(tái)風(fēng)燦鴻(1509)的風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果與風(fēng)速對(duì)比一致,風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較好則風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果也為好,風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較差則風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果也較差。臺(tái)風(fēng)尼伯特(1601)、莫蘭蒂(1614)以及鲇魚(yú)(1617)的風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果整體和風(fēng)速對(duì)比一致。值得注意的是圖8中兩個(gè)時(shí)次風(fēng)向變化,某高度區(qū)間風(fēng)向的不連續(xù)也會(huì)反映在同時(shí)間點(diǎn)風(fēng)速的變化上。

圖8 臺(tái)風(fēng)鲇魚(yú)(1617)的風(fēng)向與風(fēng)速的變化

臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)的風(fēng)向?qū)Ρ蕊@示兩廓線重合度非常高,經(jīng)過(guò)比較,風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)風(fēng)向和探空觀測(cè)風(fēng)向在所有高度層的平均風(fēng)向誤差約為10°,幾乎一致,即風(fēng)向優(yōu)于風(fēng)速,同時(shí)也存在風(fēng)向不連續(xù)反映在風(fēng)速變化上。12組數(shù)據(jù)中18:20 的對(duì)比結(jié)果最差,該時(shí)次風(fēng)速的對(duì)比結(jié)果也最差。

2.3 觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心位置與風(fēng)廓線數(shù)據(jù)質(zhì)量關(guān)系

圖9為觀測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的相對(duì)位置,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)比結(jié)果較差的時(shí)次幾乎都發(fā)生在臺(tái)風(fēng)中心距離觀測(cè)點(diǎn)200 km以外的范圍,但對(duì)比結(jié)果較好的時(shí)次在空間分布上無(wú)明顯規(guī)律,不同距離位置均有分布,但當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心距離觀測(cè)點(diǎn)200 km以內(nèi)時(shí),風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的比率較高,如圖僅有一個(gè)時(shí)次的對(duì)比結(jié)果較差,其余結(jié)果均滿足風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量為好的條件。

圖9 觀測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)位置(a)及其離散程度隨距離的分布(b)

2.4 降水與數(shù)據(jù)質(zhì)量關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在降水條件下的數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)受到影響,尤其是邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)[26-27],且在降水期間水平不均勻和垂直不均勻程度高于晴空條件下,影響測(cè)風(fēng)質(zhì)量[28]。但針對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下的強(qiáng)降水環(huán)境中風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量與降水之間的關(guān)系鮮見(jiàn)報(bào)道,因此本文利用通過(guò)雨滴譜儀原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的降水強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)中國(guó)氣象局的降水等級(jí)劃分,換算為降水強(qiáng)度(單位:mm·h-1)后可分為小雨((0,0.42))、中雨([0.42,1.042))、大雨([1.042,2.08))、暴雨([2.08,4.2))、大暴雨([4.2,10.42))以及特大暴雨(不小于10.42)。

圖10為不同臺(tái)風(fēng)影響期間的降水序列,虛線分別代表與探空氣球施放時(shí)間相應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)。根據(jù)之前風(fēng)速的對(duì)比結(jié)果可知臺(tái)風(fēng)鳳凰(1416)的7組風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果相當(dāng)優(yōu)異,從降水強(qiáng)度看,這7組風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)分別采集于無(wú)雨、小雨、中雨、暴雨、大暴雨以及特大暴雨期間,涵蓋所有降水情況,有趣的是對(duì)比結(jié)果最為優(yōu)異的兩組數(shù)據(jù)分別發(fā)生在大暴雨以及特大暴雨的情況下,可見(jiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)且是邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)在強(qiáng)降水環(huán)境下采集的水平風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量并未像前人研究中所提到的會(huì)受降水影響。臺(tái)風(fēng)燦鴻(1509)影響下的降水?dāng)?shù)據(jù)只涵蓋2015年7月10日 23:00的1個(gè)時(shí)次,該時(shí)間點(diǎn)的降水強(qiáng)度為6 mm·h-1,即大暴雨,對(duì)照前面的分析可以發(fā)現(xiàn)該時(shí)次的風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果也非常優(yōu)異。

圖10 不同臺(tái)風(fēng)影響下觀測(cè)點(diǎn)降水強(qiáng)度變化的時(shí)間序列

臺(tái)風(fēng)尼伯特(1601)影響期間雨滴譜儀因故障未能獲取降水?dāng)?shù)據(jù),因此本節(jié)不對(duì)其影響下的結(jié)果進(jìn)行分析。在臺(tái)風(fēng)莫蘭蒂(1614)影響下兩組數(shù)據(jù)分別采集自暴雨以及無(wú)雨的情況,從風(fēng)速對(duì)比結(jié)果看,同樣是發(fā)生于暴雨下的結(jié)果優(yōu)異,而在無(wú)雨情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。臺(tái)風(fēng)鲇魚(yú)(1617)影響下兩組較好的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)分別觀測(cè)于無(wú)雨以及大暴雨的情況下。臺(tái)風(fēng)利奇馬(1909)影響期間的11組數(shù)據(jù)中2019年8月9日09:10的風(fēng)速對(duì)比結(jié)果最好,甚至是34組數(shù)據(jù)中結(jié)果最好的,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97,標(biāo)準(zhǔn)差為34組數(shù)據(jù)中最小,僅為0.723 m·s-1,均方根誤差同樣也最小,為0.724 m·s-1,但是該時(shí)次數(shù)據(jù)獲取時(shí)降水強(qiáng)度為6.8 mm·h-1,屬于大暴雨的情況。數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的情況較為頻繁地發(fā)生在無(wú)雨或者小雨的情況下,在無(wú)雨的情況下風(fēng)速對(duì)比結(jié)果也有較好時(shí)次,因此無(wú)明顯規(guī)律。實(shí)際上登陸臺(tái)風(fēng)云系不均勻,降水往往不連續(xù),因此可以推斷位于臺(tái)風(fēng)邊界層內(nèi)不同區(qū)域時(shí),環(huán)境也會(huì)存在差異,大雨條件下,觀測(cè)點(diǎn)往往位于臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域或者臺(tái)風(fēng)較對(duì)稱完整或者處于較大尺度的雨帶內(nèi),空氣濕度往往處于飽和狀態(tài),大氣比較均勻,有利于風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)精度的提高,相關(guān)研究指出當(dāng)風(fēng)廓線雷達(dá)在均勻降水的環(huán)境下,測(cè)風(fēng)準(zhǔn)確度較好。小到中雨的條件下,觀測(cè)點(diǎn)往往位于臺(tái)風(fēng)外圍或者臺(tái)風(fēng)中較為零散云系系統(tǒng)下,此時(shí)的降水可能是非均勻降水,因此可能導(dǎo)致大氣在風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的水平范圍內(nèi)不均勻,這不符合風(fēng)廓線雷達(dá)計(jì)算水平風(fēng)的假設(shè)條件[29]。

圖11為數(shù)據(jù)可用性與降水強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖11a可以發(fā)現(xiàn)可用性高的數(shù)據(jù)分布在不同的降水強(qiáng)度下,且半成發(fā)生在大雨及以上條件下;可用性較差的數(shù)據(jù)多集中在大雨條件以下,圖11b也很好地驗(yàn)證了該結(jié)果。由于風(fēng)廓線雷達(dá)是通過(guò)大氣湍流對(duì)電磁波折射產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)測(cè)風(fēng),降水時(shí)雨滴產(chǎn)生的散射貢獻(xiàn)顯著,因此風(fēng)廓線雷達(dá)得到的是湍流功率譜和降水功率譜的總和,本文僅對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估,并未深入譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,所以認(rèn)為該邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量較為可靠,可在臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)對(duì)流強(qiáng)降水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)測(cè)風(fēng)。

圖11 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)可用性與降水強(qiáng)度之關(guān)系

綜上所述,通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)降水與風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量之間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),兩者之間無(wú)明顯關(guān)系,而在強(qiáng)降水過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量表現(xiàn)更好,可用性更高,在弱降水甚至無(wú)降水的情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)可用性較差數(shù)據(jù)的頻率較高,其原因可能與降水的均勻性有關(guān),后續(xù)研究應(yīng)深入譜數(shù)據(jù)對(duì)該結(jié)果進(jìn)行論證。

3 結(jié)論與討論

長(zhǎng)期以來(lái),包括臺(tái)風(fēng)在內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的邊界層結(jié)構(gòu)及演變特征是氣象觀測(cè)和研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題,一直備受關(guān)注[30-33]。由于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部狂風(fēng)暴雨對(duì)觀測(cè)的干擾,風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)內(nèi)部觀測(cè)的適用性存在較大不確定性,基于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所2014—2019年開(kāi)展的野外臺(tái)風(fēng)試驗(yàn),重點(diǎn)比較34組同時(shí)同點(diǎn)的探空和邊界層風(fēng)廓線觀測(cè)數(shù)據(jù),得到以下初步結(jié)論:

1)將風(fēng)廓線雷達(dá)與探空數(shù)據(jù)對(duì)比并進(jìn)行水平風(fēng)速誤差分析,30組有效數(shù)據(jù)平均誤差為4.67 m·s-1,平均標(biāo)準(zhǔn)差為3.64 m·s-1,其中19組數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果較好,均有250 m高度以下兩廓線重合度低、250 m高度以上重合度高的特征。將250 m高度以下數(shù)據(jù)剔除后發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差由2.2 m·s-1減小至1.9 m·s-1,證實(shí)250 m高度以下數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)整體數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生影響,有必要在使用前剔除。

2)造成水平風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較差的原因可能是臺(tái)風(fēng)中大氣濕度的分布、臺(tái)風(fēng)內(nèi)局部擾動(dòng)導(dǎo)致在雷達(dá)探測(cè)波束內(nèi)風(fēng)不均勻,由于風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)基于均勻大氣,因此可在一定程度上描述臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性;另外由于浙江福建沿海多屬丘陵地形,臺(tái)風(fēng)受地形影響低層環(huán)流結(jié)構(gòu)被破壞也可能造成水平風(fēng)速對(duì)比結(jié)果較差。

3)當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心位置距離觀測(cè)點(diǎn)200 km以內(nèi)時(shí),風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的比例更大。同時(shí)并未發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量與降水之間存在明顯相關(guān),質(zhì)量較好的數(shù)據(jù)存在于不同強(qiáng)度的降水條件下。

本文著重對(duì)臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析,給出測(cè)風(fēng)精度的評(píng)估結(jié)果,并對(duì)可能影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因進(jìn)行基本描述與推論,初步可以認(rèn)為Airda 3000機(jī)動(dòng)式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量較為可靠,可在臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)對(duì)流強(qiáng)降水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)測(cè)風(fēng),但其誤差特性以及觀測(cè)極限仍然有待與更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。另外,本文指出的風(fēng)廓線雷達(dá)250 m高度以下數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳的解決辦法,后續(xù)可嘗試使用低空數(shù)據(jù)(250 m高度以下)質(zhì)量較好的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)和本文發(fā)現(xiàn)的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)(250 m高度以上)進(jìn)行合成,合成后觀測(cè)廓線可能使基于現(xiàn)有多源手段診斷臺(tái)風(fēng)邊界層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的能力得到進(jìn)一步提升。

需要指出的是本文是建立在有限的幾個(gè)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)個(gè)例基礎(chǔ)上進(jìn)行的初步研究,得到的結(jié)論還存在較大不確定性,今后需采集更多數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入分析。

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