郭運(yùn)，湯勝茗，王旭，湯杰，趙兵科，張帥

（1.重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400074；2.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海200030)

1 引 言

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代，早期主要用于對(duì)晴空大氣的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)。其原理是基于向大氣發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電波遇到隨風(fēng)飄移的氣團(tuán)時(shí)發(fā)生散射，引起回波信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移，進(jìn)而反演無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射方向的徑向風(fēng)速[1]。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)通過(guò)對(duì)大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行遙感測(cè)量，能夠連續(xù)獲得測(cè)站上空水平風(fēng)速等氣象要素的垂直分布，具有較高的時(shí)空分辨率，是對(duì)GPS探空氣球進(jìn)行高空探測(cè)的重要補(bǔ)充[2]?，F(xiàn)廣泛應(yīng)用于氣象數(shù)值預(yù)報(bào)[3]、空氣污染監(jiān)測(cè)[4]以及航空航天等領(lǐng)域[5]。

良態(tài)風(fēng)的野外觀(guān)測(cè)過(guò)程中，往往伴隨著不同程度的降水。由于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在接收弱回波信號(hào)的同時(shí)，降水粒子的散射信號(hào)也被包含其中[6]，使得雷達(dá)探測(cè)時(shí)極易受到干擾。相關(guān)研究表明[7-8]，降水會(huì)降低風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)能力。通常，以GPS探空的觀(guān)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。王欣等[9]對(duì)2002年“973”野外暴雨試驗(yàn)的分析結(jié)果表明，在離地5 km范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速和GPS探空的相關(guān)系數(shù)為0.866，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)為0.966。裴麗絲等[10]通過(guò)對(duì)2004—2007年溫州風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空在離地12 km范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，得到降水條件下風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.78，平均絕對(duì)偏差為3.81 m/s，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)為0.86，平均絕對(duì)偏差為20.30°。齊佳慧等[11]對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空在降水條件下和非降水條件下的觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在降水條件下的風(fēng)速偏差比非降水條件下要大：非降水條件下，5.31 km高度以下的平均風(fēng)速偏差在±3 m/s范圍內(nèi)；降水條件下，4.1 km高度以下平均風(fēng)速偏差在±4 m/s范圍內(nèi)。然而，以上研究均未劃分降水強(qiáng)度等級(jí)。廖菲等[12]分析了不同降水強(qiáng)度下風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)資料的質(zhì)量，通過(guò)對(duì)比GPS探空觀(guān)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，在大雨及以上級(jí)別降水強(qiáng)度條件下，離地2 km以上風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空存在較大偏差。然而，雖然該研究劃分了降水強(qiáng)度等級(jí)，但是只進(jìn)行了大雨、暴雨和大暴雨三個(gè)降水條件下的風(fēng)速對(duì)比，并且風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空的觀(guān)測(cè)并非在同位觀(guān)測(cè)條件下進(jìn)行的。同時(shí)，一些研究結(jié)果也表明，降水對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在良態(tài)風(fēng)條件下的有效樣本數(shù)影響不明顯[13-14]?？傮w來(lái)看，在降水條件下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與GPS探空觀(guān)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)基本在0.75以上，風(fēng)速偏差約在±4 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)基本在0.8以上，風(fēng)向偏差約在20°以?xún)?nèi)。

在臺(tái)風(fēng)環(huán)境中，風(fēng)速和降水強(qiáng)度更大，且臺(tái)風(fēng)極端降水頻發(fā)[15]，對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)性能提出了更高的要求。趙坤等[16]對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空收集的2004—2013年共計(jì)17個(gè)臺(tái)風(fēng)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速小于GPS探空風(fēng)速，二者風(fēng)向變化趨于一致，風(fēng)速均方根偏差小于2 m/s，風(fēng)向均方根偏差小于5°。王葉紅等[17]在臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”(1614)期間進(jìn)行風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空的對(duì)比試驗(yàn)表明，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的風(fēng)速平均絕對(duì)偏差為1.1 m/s，風(fēng)向平均絕對(duì)偏差為3.4°。而May[18]對(duì)臺(tái)風(fēng)降水條件下風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空的觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，10 km高度以下風(fēng)速均方根偏差為2.3 m/s，并認(rèn)為風(fēng)速偏差幾乎與降水和風(fēng)速大小無(wú)關(guān)，然而并未結(jié)合不同降水強(qiáng)度等級(jí)加以研究。根據(jù)以上研究中風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速風(fēng)向偏差結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)降水條件下也具有較好的觀(guān)測(cè)能力，但臺(tái)風(fēng)不同降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)偏差的影響還有待進(jìn)一步研究。

總的來(lái)說(shuō)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)對(duì)良態(tài)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)均具有較好的觀(guān)測(cè)能力。良態(tài)風(fēng)降水條件下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的偏差分析已存在較多的研究。然而在臺(tái)風(fēng)降水條件下，尤其是在不同降水強(qiáng)度等級(jí)下的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)偏差分析仍有待進(jìn)一步研究。本文擬以中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所在浙江舟山對(duì)2019年9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用同一地點(diǎn)釋放的GPS探空氣球以及同一地點(diǎn)放置的多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)不同降水強(qiáng)度等級(jí)下的適用性進(jìn)行研究，本文研究成果預(yù)期為風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)降水下的研究和應(yīng)用提供參考。

2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”及移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)介紹

2.1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”

2019年9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于8月4日(北京時(shí)間，下同)生成于西北太平洋，7日晚上加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，10日01時(shí)45分在浙江省溫嶺市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力16級(jí)(52 m/s，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí))，中心最低氣壓930 hPa。隨后，“利奇馬”穿過(guò)浙江省和江蘇省后移入黃海西部海域，11日20:50在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸，最后穿過(guò)山東半島進(jìn)入渤海。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的特點(diǎn)如下：(1)強(qiáng)度大，臺(tái)風(fēng)登陸強(qiáng)度在中國(guó)歷史上排名第五，浙江省歷史上排名第三，最大地表觀(guān)測(cè)風(fēng)速出現(xiàn)在浙江溫嶺三蒜島(61.4 m/s)，為浙江省歷史第二位；(2)臺(tái)風(fēng)登陸和過(guò)境帶來(lái)的降雨量大，浙江省在9日和山東省在11日共計(jì)19個(gè)站點(diǎn)突破了當(dāng)?shù)厝战涤炅康臍v史極值，臺(tái)風(fēng)影響期間，山東省平均過(guò)程降雨量達(dá)158 mm，是山東省歷史上紀(jì)錄的最大降雨量；浙江全省平均過(guò)程降雨量達(dá)165 mm，降水強(qiáng)度為浙江省歷史上登陸臺(tái)風(fēng)第二位；其中，臨海市括蒼山過(guò)程雨量達(dá)831 mm；(3)臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、移動(dòng)速度緩慢，陸地滯留時(shí)間在歷史上中國(guó)排名第六，其中，臺(tái)風(fēng)在浙江滯留達(dá)20小時(shí)，為浙江省歷史上滯留時(shí)間最長(zhǎng)的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。圖1給出了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的移動(dòng)路徑、強(qiáng)度，以及移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)的位置。其中，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度資料來(lái)源于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所最佳路徑資料[19]。

2.2 移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)

移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地位于浙江省舟山市國(guó)際郵輪港碼頭(圖1星標(biāo))?！袄骜R”移動(dòng)過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)中心距離觀(guān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地最短距離為164 km。圖2給出了移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地以及激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、GPS探空和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖。由圖2可知，觀(guān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地北面和東面有農(nóng)田和稀疏建筑物，屬于城市郊區(qū)地貌，南鄰峙頭洋，地勢(shì)平坦。

圖1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬“的移動(dòng)路徑、強(qiáng)度，以及移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)地點(diǎn)

圖2 移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)地周?chē)匦?，以及風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、GPS探空和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖

本次臺(tái)風(fēng)移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)中，所采用的觀(guān)測(cè)設(shè)備有風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、GPS無(wú)線(xiàn)電探空儀、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，其儀器參數(shù)設(shè)置將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。同時(shí)，在離地10 m高度的車(chē)載基站采用雨滴譜儀記錄降雨量，采樣頻率為10 s；采用溫度傳感器記錄溫度變化，采樣頻率為60 s。難能可貴的是，所有設(shè)備均在同一地點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。本次臺(tái)風(fēng)移動(dòng)觀(guān)測(cè)時(shí)間為2019年8月9日13時(shí)—10日13時(shí)，總計(jì)24小時(shí)。

2.3 儀器設(shè)置

2.3.1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)設(shè)置

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)采用Airda3000M型機(jī)動(dòng)式L波段電磁波邊界層風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，使用5個(gè)波束進(jìn)行觀(guān)測(cè)，即垂直指向天頂波束以及東、南、西、北四個(gè)傾斜波束(與鉛垂方向夾角為15°)。該雷達(dá)能同時(shí)連續(xù)測(cè)量從地面50 m至高空5 000 m高度范圍內(nèi)的三維風(fēng)場(chǎng)。本次測(cè)量50～5 000 m高度范圍內(nèi)一共有59層，每層間隔50～100 m，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的測(cè)量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.3.2 GPS探空儀設(shè)置

本次臺(tái)風(fēng)移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)期間，共釋放9次GPS探空氣球，其釋放的初始時(shí)刻分別為8月9日14:59、17:12、19:18、21:23、23:58以及10日02:22、05:34、07:07和11:50。GPS探空氣球攜帶的無(wú)線(xiàn)電探空儀型號(hào)為Vaisala Radio RS41-SG，能連續(xù)采集水平風(fēng)速、水平風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)、溫度、相對(duì)濕度、高度和經(jīng)緯度。Vaisala Radio RS41-SG的測(cè)量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、GPS探空儀和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

2.3.3 激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)設(shè)置

本研究中，除了主要利用GPS探空對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的觀(guān)測(cè)風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證以外，還額外加入了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和二者進(jìn)行對(duì)比分析。激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)采用法國(guó)Leosphere公司研發(fā)推出的一款風(fēng)能行業(yè)專(zhuān)業(yè)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)WindcubeV2，能同時(shí)連續(xù)測(cè)量0～300 m高度范圍內(nèi)的三維風(fēng)場(chǎng)及其標(biāo)準(zhǔn)差、信噪比、數(shù)據(jù)可信度以及周?chē)孛娴臏囟?、濕度和氣壓等。本次測(cè)量垂直高度共設(shè)置12層，分別為40 m、50 m、70 m、100 m、130 m、150 m、180 m、200 m、230 m、250 m、270 m、290 m，由于最高層290 m的數(shù)據(jù)存在較大缺失，本文僅采用了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)11層高度的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。Windcube激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的測(cè)量參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)資料分析

圖3給出了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)5 min平均水平風(fēng)速(U)和風(fēng)向隨時(shí)間和高度(h)的變化，以及10 min平均降水強(qiáng)度(I)隨時(shí)間的變化。從圖3中可看出，U隨離地高度增大而逐漸增大，并在臺(tái)風(fēng)登陸前約3小時(shí)(9日22:30)達(dá)到最大：U在50 m高度處約22 m/s，在1 350 m高度處達(dá)到最大約34.7 m/s。隨后，風(fēng)速有所減小，在10日01:00左右風(fēng)速再次逐漸增大，并在10日05:25達(dá)到最大值，此時(shí)50 m高度處的風(fēng)速約13.9 m/s，在1 500 m高度處出現(xiàn)最大風(fēng)速約37.5 m/s。風(fēng)向方面，在9日22:00之前，實(shí)測(cè)場(chǎng)地處的風(fēng)向基本為北風(fēng)，隨后兩小時(shí)風(fēng)向產(chǎn)生較明顯的變化(由北風(fēng)向西風(fēng)演變)，至10日03:00風(fēng)向逐漸變?yōu)槟巷L(fēng)，這主要是由于臺(tái)風(fēng)登陸后中心位置北移造成的。10日04:00，風(fēng)向再次變化，由南風(fēng)逐漸變?yōu)槲黠L(fēng)。結(jié)合降水強(qiáng)度(I)變化可看出，強(qiáng)降水主要集中在8月9日23:00，8月10日07:30、11:30和12:30附近，強(qiáng)降水基本沒(méi)有造成風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的數(shù)據(jù)缺失。而在降水強(qiáng)度較小的時(shí)段(如在8月10日00:00—01:00)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在1 km以上存在較大的數(shù)據(jù)缺失，而1 km以下數(shù)據(jù)樣本受影響相對(duì)較小。這可能是短時(shí)高空粒子濃度降低，回波較弱或者沒(méi)有回波，進(jìn)而降低風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的探測(cè)能力。李晨光等[20]的研究指出，強(qiáng)雷陣雨條件下風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)資料的有效率在1 km以下能達(dá)到80%，1.5 km以上僅40%。這說(shuō)明降水對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)探測(cè)能力的影響主要集中在約1 km以上的高空。

圖3 2019年8月9日13:00—10日13:00風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在不同高度處5 min平均風(fēng)速(U)、風(fēng)向以及10 min降水強(qiáng)度(I)隨時(shí)間的變化

3.1 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、GPS探空和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)三者對(duì)比

風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)能實(shí)時(shí)提供大氣風(fēng)場(chǎng)等氣象要素的垂直分布，是對(duì)GPS探空氣球高空探測(cè)的重要補(bǔ)充[2]。鑒于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在氣象業(yè)務(wù)觀(guān)測(cè)中的重要作用，有必要對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水天氣條件下的觀(guān)測(cè)能力及偏差展開(kāi)進(jìn)一步的分析。

在對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)適用性和精度的研究當(dāng)中，已有學(xué)者利用GPS探空氣球觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者具有較高的相關(guān)性[10-11,17]。因此，本文首先通過(guò)與GPS探空觀(guān)測(cè)資料的對(duì)比，研究風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降水條件下的適用性。由于高度100 m以下GPS探空氣球存在漂移問(wèn)題，風(fēng)速觀(guān)測(cè)不準(zhǔn)確[21]，圖4僅給出了離地100 m以上風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)10 min平均風(fēng)速和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的1 min平均風(fēng)速與GPS探空在相同高度的瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)比，及GPS探空氣球在不同高度距離初始釋放點(diǎn)的水平距離(ldrift)。由圖4可知，GPS探空氣球在風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)最大觀(guān)測(cè)高度處(4 700 m)距離釋放點(diǎn)的水平距離在20～35 km內(nèi)。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與GPS探空在離地4.7 km范圍內(nèi)總體吻合較好，但在個(gè)別時(shí)刻如8月9日23:58(圖4e)、8月10日02:22(圖4f)和8月10日07:07(圖4h)與GPS探空吻合較差。這三個(gè)時(shí)刻有一個(gè)共同特點(diǎn)，其降水強(qiáng)度較大(I＞3 mm/h)，為中雨和大雨級(jí)別[22]，說(shuō)明風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在中雨及以上級(jí)別降水強(qiáng)度條件下數(shù)據(jù)質(zhì)量不可靠。在小雨情況下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，這與之前Ralph等[7]、Lambert等[8]的結(jié)論是一致的。由風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空三者對(duì)比可知，在100～300 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)總體上變化趨勢(shì)接近，但8月9日23:58時(shí)刻，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空擬合結(jié)果遠(yuǎn)好于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)(圖4e)?？傮w來(lái)看，在100～300 m高度范圍內(nèi)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空更接近。

圖4 8月9日14:59(a)、17:12(b)、19:18(c)、21:23(d)、23:58(e)以及10日02:22(f)、05:34(g)、07:07(h)和11:50(i)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)10 min平均水平風(fēng)速、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)1 min平均水平風(fēng)速與GPS探空水平瞬時(shí)風(fēng)速對(duì)比l drift代表GPS探空氣球距離初始釋放點(diǎn)的水平距離。

為了定量對(duì)比在100～300 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空的吻合程度，作出了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空相關(guān)系數(shù)及均方根偏差分布散點(diǎn)圖(圖5)?？傮w來(lái)看，在100～300 m高度范圍內(nèi)，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的相關(guān)系數(shù)大于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)，均方根偏差小于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)。具體來(lái)看，二者的相關(guān)系數(shù)差別較小，在100～300 m范圍內(nèi)，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)1 min平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)約為0.71，而風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)10 min平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)約為0.75，比激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)略大；而計(jì)算所得激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)1 min平均風(fēng)速的總體均方根偏差為3.47 m/s，而風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)10 min平均風(fēng)速的總體均方根偏差為4.32 m/s，比激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)大25%。這是由于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)通過(guò)向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信號(hào)進(jìn)行高空風(fēng)場(chǎng)探測(cè)[1]，在近地層，返回波束容易受到地物雜波的影響[23-25]。而激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)向大氣發(fā)射激光脈沖，測(cè)量大氣氣溶膠粒子散射時(shí)的激光束產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而反演激光發(fā)射方向的徑向風(fēng)速，在近地層不受地物雜波影響[26]。所以，在臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降水條件下，100～300 m高度范圍內(nèi)，激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性比風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)更高。

圖5 100～300 m高度范圍內(nèi)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)、風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與GPS探空相關(guān)系數(shù)及均方根偏差分布散點(diǎn)圖

3.2 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)速評(píng)估

為了揭示觀(guān)測(cè)高度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速偏差的影響，將風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速按觀(guān)測(cè)高度分為h≤1 km、1 km＜h≤2 km、2 km＜h≤3 km、3 km＜h≤4 km和4 km＜h≤5 km五組數(shù)據(jù)(下同)，分別計(jì)算五組數(shù)據(jù)與GPS探空氣球在相同高度處實(shí)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差，并繪制泰勒?qǐng)D(圖6）。為了消除明顯偏差的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)論產(chǎn)生的影響，剔除8月9日23:58(圖4e)1 km以上以及8月10日02:22(圖4f)500 m以上的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)五組數(shù)據(jù)與GPS探空氣球的相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空氣球在3～4 km范圍內(nèi)吻合最好。在3～4 km范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空氣球的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)約為0.86，偏差最小，經(jīng)計(jì)算，其均方根偏差為3.59 m/s。低空1 km以下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空氣球的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)和均方根偏差分別為0.54和6.39 m/s。

圖6 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在h≤1 km、1 km＜h≤2 km、2 km＜h≤3 km、3 km＜h≤4 km和4 km＜h≤5 km五個(gè)高度層10 min平均風(fēng)速與GPS探空瞬時(shí)風(fēng)速的相關(guān)性系數(shù)和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差分布泰勒?qǐng)D

為了評(píng)估臺(tái)風(fēng)降水對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)性能的影響，本文研究了不同臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量偏差的影響。首先，按照采樣高度分層研究了降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量偏差的變化規(guī)律(圖7)。其中，降水強(qiáng)度按照中國(guó)氣象服務(wù)協(xié)會(huì)發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)[22]將降水強(qiáng)度分為0～0.01 mm/h(晴朗)、0.01～3 mm/h(小雨)、3～6 mm/h(中雨)、6～12 mm/h(大雨)、12～30 mm/h(暴雨)、30～90 mm/h(大暴雨)、和90 mm/h以上(特大暴雨)。從圖7中可看出，降水最多為小雨，中雨和大雨條件下風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的風(fēng)速偏差最大。隨著降水強(qiáng)度增加，2 km高度以下風(fēng)速測(cè)量偏差逐漸由負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差，2 km以上高度風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量偏差基本為負(fù)偏差。趙坤等[16]對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)的觀(guān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)，在高度3 km范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速比GPS探空觀(guān)測(cè)結(jié)果偏小。這可能是由于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空的測(cè)量原理不同造成的：風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的風(fēng)速觀(guān)測(cè)資料是一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)速，而GPS探空的觀(guān)測(cè)風(fēng)速是一個(gè)瞬時(shí)值。通過(guò)風(fēng)速偏差在各降水強(qiáng)度區(qū)間上的相互對(duì)比可見(jiàn)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速觀(guān)測(cè)在降水強(qiáng)度為3～6 mm/h(中雨)、6～12 mm/h(大雨)區(qū)間上存在較大的風(fēng)速偏差，最大偏差約為18 m/s。廖菲等[12]針對(duì)良態(tài)風(fēng)的觀(guān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在大雨條件下，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空仍然存在約15 m/s的最大風(fēng)速偏差。由此可知，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在中雨及大雨條件下的適用性較差。

圖7 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)速偏差隨降水強(qiáng)度變化的樣本數(shù)(a)和箱形圖(b) 降水強(qiáng)度區(qū)間分為0～0.01 mm/h(晴朗)、0.01～3 mm/h(小雨)、3～6 mm/h(中雨)、6～12 mm/h(大雨)、12～30 mm/h(暴雨)、30～90 mm/h(大暴雨)和90 mm/h以上(特大暴雨)。箱型圖描繪6個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)(最大值、最小值、上四分位數(shù)、下四分位數(shù)、中位數(shù)和均值)。

3.3 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)向評(píng)估

為了揭示觀(guān)測(cè)高度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)向觀(guān)測(cè)的影響，同上，將實(shí)測(cè)樣本按觀(guān)測(cè)高度分為五組，分別計(jì)算五組數(shù)據(jù)與GPS探空氣球在相同高度處實(shí)測(cè)風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差，并繪制泰勒?qǐng)D(圖8)。為了消除明顯偏差的數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)論產(chǎn)生的影響，剔除8月9日23:58(圖4e)1 km以上以及8月10日02:22(圖4f)500 m以上的數(shù)據(jù)。由圖8可知，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)向與GPS探空的觀(guān)測(cè)結(jié)果吻合較好，五組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，經(jīng)計(jì)算，其均方根偏差均在11°以?xún)?nèi)。通過(guò)對(duì)比風(fēng)速的觀(guān)測(cè)結(jié)果(圖6)可知，風(fēng)向相關(guān)性比風(fēng)速高。裴麗絲等[10]在臺(tái)風(fēng)及降水條件下分析得出風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空觀(guān)測(cè)風(fēng)向相關(guān)系數(shù)為0.73，小于本文的研究結(jié)果。這可能是由于裴麗絲等[10]的研究中風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和探空站距離相隔較遠(yuǎn)(大于200 km)。趙坤等[16]對(duì)比了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空收集的17個(gè)臺(tái)風(fēng)資料，所得風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)向偏差(＜5°)比本文小。這可能是由于趙坤等[16]的研究中包含部分降水強(qiáng)度較小(小雨)的臺(tái)風(fēng)個(gè)例。董德保等[25]在良態(tài)風(fēng)條件下進(jìn)行的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和GPS探空的對(duì)比試驗(yàn)表明，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在2 km以上的偏差在10°左右，在低空2 km以下的偏差大于10°，與本文研究結(jié)果相近。以上結(jié)果表明，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)降水天氣條件下風(fēng)向的觀(guān)測(cè)結(jié)果偏差較小，風(fēng)向偏差與良態(tài)風(fēng)條件下差別不大。

圖8 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在h≤1 km、1 km＜h≤2 km、2 km＜h≤3 km、3 km＜h≤4 km和4 km＜h≤5 km五個(gè)高度層10 min平均風(fēng)向與GPS探空瞬時(shí)風(fēng)向的相關(guān)性系數(shù)和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差分布泰勒?qǐng)D

為了定量研究臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)向觀(guān)測(cè)的影響，分別繪制了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)五個(gè)高度層風(fēng)向偏差隨降水強(qiáng)度(I)變化的分布(圖9)。從圖9b可看出，在各降水強(qiáng)度區(qū)間上風(fēng)向偏差基本在20°以?xún)?nèi)。通過(guò)比較風(fēng)向偏差在各降水強(qiáng)度區(qū)間上的大小分布可知，在降水強(qiáng)度0.01～3 mm/h(小雨)條件下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)向偏差相對(duì)較小，這說(shuō)明風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在小雨條件下的適用性較好。在降水強(qiáng)度3～6 mm/h(中雨)條件下，1 km以下出現(xiàn)最大負(fù)向偏差，2 km以上各高度層均出現(xiàn)最大正向偏差。通過(guò)與晴朗條件下的風(fēng)速偏差進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)向偏差隨降水強(qiáng)度的變化總體趨于平穩(wěn)，基本分布在-20°～20°之間，說(shuō)明降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的風(fēng)向觀(guān)測(cè)影響較小。

圖9 風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)水平風(fēng)向偏差隨降水強(qiáng)度變化的樣本數(shù)(a)和箱形圖(b) 降水強(qiáng)度區(qū)間分為0～0.01 mm/h(晴朗)、0.01～3 mm/h(小雨)、3～6 mm/h(中雨)、6～12 mm/h(大雨)、12～30 mm/h(暴雨)、30～90 mm/h(大暴雨)和90 mm/h以上(特大暴雨)。

4 結(jié) 論

本研究以中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所在浙江舟山對(duì)2019年9號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的移動(dòng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用同一地點(diǎn)釋放的GPS探空氣球以及同一地點(diǎn)放置的多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)，對(duì)比了風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與GPS探空儀在不同降水強(qiáng)度下的吻合程度。本研究中，將風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向按觀(guān)測(cè)高度分為小于1 km、1～2 km、2～3 km、3～4 km和4～5 km五組數(shù)據(jù)，對(duì)不同高度范圍內(nèi)的風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)偏差特性進(jìn)行了研究。

從風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)和GPS探空水平風(fēng)速的對(duì)比可知，100～300 m高度范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)接近(分別為0.75和0.71)，但激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)總體均方根偏差(3.47 m/s)比風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)(4.32 m/s)小約25%，說(shuō)明激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)風(fēng)速觀(guān)測(cè)的準(zhǔn)確性更高。

由風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與GPS探空氣球水平風(fēng)速對(duì)比結(jié)果可知，在3～4 km高度范圍內(nèi)，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空氣球的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)約為0.86，偏差最小，其均方根偏差為3.59 m/s。1 km高度以下，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)速與GPS探空氣球的相關(guān)性最差，相關(guān)系數(shù)和均方根偏差分別為0.54和6.39 m/s，這主要是由于風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)波束在近地層受地物雜波影響。隨著降水強(qiáng)度的增大，2 km高度以下風(fēng)速測(cè)量偏差逐漸由正偏差轉(zhuǎn)為負(fù)偏差，2 km以上高度風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量偏差基本為負(fù)偏差。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)在中雨及大雨條件下適用性最差，最大風(fēng)速偏差約為18 m/s。

由風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)與GPS探空氣球水平風(fēng)向?qū)Ρ冉Y(jié)果可知，風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)觀(guān)測(cè)風(fēng)向與GPS探空的觀(guān)測(cè)結(jié)果吻合較好，相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，其均方根偏差均在11°以?xún)?nèi)。風(fēng)向偏差隨降水強(qiáng)度的變化總體趨于平穩(wěn)，基本分布在-20°～20°之間，說(shuō)明降水強(qiáng)度對(duì)風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的風(fēng)向觀(guān)測(cè)影響較小。