呂 博，紀(jì)凡華，孫青然，李 楠，劉奇奇

（聊城市氣象局，山東 聊城252000）

風(fēng)廓線雷達(dá)（Wind Profiler Radar）作為一種新型的測(cè)風(fēng)雷達(dá)，能夠提供高時(shí)空分辨率的大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向和垂直速度等風(fēng)場(chǎng)信息，與常規(guī)的氣球測(cè)風(fēng)相比，風(fēng)廓線雷達(dá)在探測(cè)精度、垂直空間分辨率和探測(cè)時(shí)間分辨率等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。目前風(fēng)廓線雷達(dá)已在全球范圍內(nèi)廣泛進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用階段，我國也在進(jìn)行風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)。魯西北地區(qū)首部邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)（CLC-11-D）于2015年11月順利通過驗(yàn)收，目前已進(jìn)入業(yè)務(wù)試運(yùn)行階段。為了解該型雷達(dá)觀測(cè)資料的質(zhì)量狀況，更好地應(yīng)用于邊界層風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)等業(yè)務(wù)，對(duì)其探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行深入分析是十分必要的。

國外從20世紀(jì)90年代開始相關(guān)研究，美國科學(xué)家Strauch等[1]利用風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)資料分析了晴空大氣條件下風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性，得到晴空條件下的測(cè)風(fēng)精度約為1.3 m·s-1，垂直速度較大時(shí)必須考慮垂直運(yùn)動(dòng)的影響；Wuertz等[2]利用UHF風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的典型降水?dāng)?shù)據(jù)分析了風(fēng)廓線雷達(dá)在降水條件下觀測(cè)的準(zhǔn)確性；McDonald等[3]對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)的垂直信號(hào)功率、垂直信號(hào)譜寬和信噪比進(jìn)行了分析。國內(nèi)學(xué)者在這方面也進(jìn)行了大量地研究，阮征等[4]利用風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)降水云體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究；劉夢(mèng)娟等[5]利用2014年6月美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的全球模式分析資料，對(duì)上海及周邊地區(qū)組網(wǎng)的7部邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的水平測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析和比較，發(fā)現(xiàn)上海組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)資料質(zhì)量與探空觀測(cè)水平接近，有較高的可用性；孔照林等[6]利用浙江7部風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料，進(jìn)行了不同相態(tài)降水粒子下落末速度的數(shù)據(jù)分析，得到了不同降水相態(tài)的下落速度閾值。賀文煌等[7-9]利用對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)和GPS移動(dòng)探空資料，以GPS探空觀測(cè)值為參考，對(duì)對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析。

本文首先對(duì)該型風(fēng)廓線雷達(dá)分別在晴空、穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水條件下觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，看其是否符合風(fēng)向誤差≤10°，風(fēng)速誤差≤1.5 m/s的探測(cè)規(guī)范要求，其次對(duì)該型雷達(dá)春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）各高度層的晴空觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估。

1 CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)簡(jiǎn)介及資料來源

1.1 CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)性能參數(shù)

本文數(shù)據(jù)來自布設(shè)在聊城市氣象局的CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，該型雷達(dá)使用5波束進(jìn)行觀測(cè)，即垂直指向天頂波束以及東、西、南、北各偏離天頂角15°的4個(gè)斜波束，該雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)和觀測(cè)參數(shù)

聊城邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)模式分為低探測(cè)模式（以下簡(jiǎn)稱低模式，該模式下風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)高度范圍100～3100 m，垂直高度分辨率60 m）、中探測(cè)模式（以下簡(jiǎn)稱中模式，該模式下探測(cè)高度范圍100～6100 m，垂直高度分辨率達(dá)到120 m）和高探測(cè)模式（以下簡(jiǎn)稱高模式，該模式下探測(cè)高度范圍100～12 100 m，垂直間隔為240 m），風(fēng)廓線雷達(dá)每6 min獲得一份5波束探測(cè)到的由低模式、中模式以及高模式組成的數(shù)據(jù)文件。

1.2 資料來源

對(duì)2016年3月1日—2017年2月28日期間的觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將數(shù)據(jù)分為3大類：晴空數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性降水?dāng)?shù)據(jù)和對(duì)流性降水?dāng)?shù)據(jù)，降水?dāng)?shù)據(jù)樣本延伸至降水前后1 h，挑選出8次穩(wěn)定性降水過程和5次對(duì)流性降水過程，文中對(duì)共計(jì)7300個(gè)時(shí)次的晴空、1220個(gè)時(shí)次的穩(wěn)定性降水過程和910個(gè)時(shí)次的對(duì)流性降水過程的資料分別進(jìn)行了分析。

2 分析方法

CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達(dá)以5波束（東、南、西和北指向的斜波束以及一個(gè)垂直指向天頂?shù)拇怪辈ㄊ┻M(jìn)行觀測(cè)。對(duì)斜波束所測(cè)得的徑向速度而言，在垂直速度水平均勻假設(shè)條件下，利用垂直波束所得的徑向速度將垂直風(fēng)和降水所帶來的垂直分量的貢獻(xiàn)去除，即可得到水平風(fēng)分量[10]。計(jì)算如下：

其中，u和v分別代表東西風(fēng)分量和南北風(fēng)分量，VRE、VRW、VRS、VRN、VRZ分別為東、西、南、北、天頂 5 個(gè)方向波束獲得的徑向風(fēng)，θ為斜波束天頂角（15°）。按照風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)規(guī)范，朝向雷達(dá)的徑向風(fēng)為正，東西水平風(fēng)分量中取西風(fēng)為正，南北水平風(fēng)分量中取南風(fēng)為正，垂直風(fēng)向取向下的方向?yàn)檎?。由公式?）可以得到：

進(jìn)而可以推導(dǎo)出4組水平風(fēng)速vh和風(fēng)向φh：

根據(jù)公式（3）得到4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向值，分別計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差δv和δφ，理想情況下4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向值應(yīng)分別相等，此時(shí)δv和δφ為0，但由于徑向速度測(cè)量誤差的影響，會(huì)導(dǎo)致uW和uE，vS和vN之間的差異，通過對(duì)δv和δφ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析就可以評(píng)估風(fēng)廓線雷達(dá)的測(cè)風(fēng)精度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同類型氣象條件下測(cè)風(fēng)精度分析

圖1為低模式、中模式和高模式下不同類型天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水）水平風(fēng)速和水平風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)差分布頻數(shù)圖，其中x軸表示水平風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差值的劃分范圍（刻度值“＜2.5”表示 2 m/s＜水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差 δv≤2.5 m/s，刻度值“＜30”表示25°＜水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差 δφ≤30°，其它依次類推）；y軸表示不同類型降水條件下相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差范圍占總樣本的百分比?？梢钥闯?，在低模式下3類天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水）δv≤1.5 m/s所占百分比分別為 52%，21%，14%；δv≤1.0 m/s所占百分比分別為41%，7%，6%；在中模式下，δv≤1.5 m/s所占百分比分別為44%，10%，5%；而在高模式下δv≤1.5 m/s所占百分比分別為39%，12%，8%。表明在各類觀測(cè)模式下邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)晴空的風(fēng)速測(cè)量精度都要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水天氣；同時(shí)對(duì)晴空探測(cè)數(shù)據(jù)來說，低模式下的風(fēng)速測(cè)量精度較高，優(yōu)于中模式和高模式。

由圖1可以看出，低模式下3類天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水）δφ≤15°所占百分比分別為 63%，36%，25%；δφ≤10 °所占百分比分別為49%，20%，14%。中模式下3類天氣數(shù)據(jù)δφ≤15°所占百分比分別為 43%，27%，20%；δφ≤10 °所占百分比分別為38%，18%，15%。高模式下3類天氣數(shù)據(jù)δφ≤15 °所占百分比分別為 46%，27%，21%；δφ≤10 °所占百分比分別為36%，14%，12%。不難發(fā)現(xiàn)，3種觀測(cè)模式下風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)晴空探測(cè)的風(fēng)向測(cè)量精度都是最高，而對(duì)穩(wěn)定性降水與對(duì)流性降水過程的風(fēng)向測(cè)量精度較差，其中穩(wěn)定性降水稍優(yōu)于對(duì)流性降水過程；對(duì)晴空探測(cè)數(shù)據(jù)而言，低模式下的風(fēng)向測(cè)量精度要高于中模式和高模式。

圖1 不同探測(cè)模式下水平風(fēng)速、水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差分布頻數(shù)

降水出現(xiàn)前后環(huán)境大氣擾動(dòng)較大是導(dǎo)致穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水天氣下風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量精度較差的主要原因。

3.2 各高度層測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估

根據(jù)我國風(fēng)廓線雷達(dá)功能需求設(shè)計(jì)規(guī)范[11]，要求邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)速測(cè)量精度≤1.5 m/s，風(fēng)向測(cè)量精度≤10°，同時(shí)由三種探測(cè)模式下不同類型天氣數(shù)據(jù)測(cè)風(fēng)精度分析的結(jié)果可知，該型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)晴空數(shù)據(jù)的風(fēng)向和風(fēng)速的測(cè)量精度最高，本文利用4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)該型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的晴空數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)估。為使各高度層的測(cè)風(fēng)評(píng)估更量化直觀，特制定邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)測(cè)風(fēng)質(zhì)量等級(jí)評(píng)估閾值（表 2）。

對(duì)共計(jì)7300時(shí)次的晴空數(shù)據(jù)按照四季進(jìn)行了劃分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），分別對(duì)其測(cè)風(fēng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，150 m以下的水平風(fēng)數(shù)據(jù)評(píng)分多在2分以下，這是由于雷達(dá)布設(shè)地點(diǎn)周圍地物對(duì)信號(hào)造成了污染，使數(shù)據(jù)可信度下降，難以通過質(zhì)量控制，造成低空探測(cè)缺測(cè)較嚴(yán)重[12]。

表2 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)評(píng)估等級(jí)

從有效探測(cè)高度來看，春季平均有效探測(cè)高度約2000 m，夏季平均有效探測(cè)高度可達(dá)6300 m，秋季平均有效探測(cè)高度為2500 m左右，而冬季平均有效探測(cè)高度則降至1100 m左右。這與雷達(dá)所在地的氣候背景有關(guān)，聊城地處魯西平原，屬半干旱大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)、夏季濕熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥，而由風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)原理可知，大氣中的水汽含量能夠直接影響雷達(dá)的探測(cè)性能，通常濕度愈大對(duì)雷達(dá)探測(cè)愈有利，因?yàn)槌睗窨諝獾姆瓷湎禂?shù)變化更大，有利于風(fēng)廓線雷達(dá)的信號(hào)接收[13]。

從質(zhì)量評(píng)估達(dá)標(biāo)區(qū)域（評(píng)分值＞6分）來看，春季達(dá)標(biāo)區(qū)域?yàn)?00 m左右，900 m以上高度評(píng)分多在4分以下，這與春季氣候干燥多風(fēng)影響風(fēng)廓線雷達(dá)的信號(hào)獲取，且水平風(fēng)速與風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較大有關(guān)；夏季由于大氣環(huán)境濕度較大，風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測(cè)高度增加的同時(shí)，質(zhì)量達(dá)標(biāo)高度也達(dá)到了4000 m左右，4000 m以上的高度數(shù)據(jù)缺測(cè)較多且水平風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差的變化較為復(fù)雜，導(dǎo)致評(píng)分較低；秋季有效探測(cè)高度雖與春季較為接近，但評(píng)估達(dá)標(biāo)區(qū)域要高于春季，可達(dá)2200 m左右；冬季寒冷干燥，有效探測(cè)高度為四季中最低，但由于冬季聊城多靜穩(wěn)天氣，水平風(fēng)速和風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)非常小，故在150 m以上的有效探測(cè)高度內(nèi)評(píng)分大多高于8分，甚至500～700 m之間的評(píng)分達(dá)到了10分。

4 結(jié)論

（1）利用CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的5波束觀測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)造出4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向，進(jìn)而得出可描述垂直波束空間內(nèi)大氣運(yùn)動(dòng)不均勻性的水平風(fēng)速和水平風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)風(fēng)速測(cè)量精度≤1.5 m/s，風(fēng)向測(cè)量精度≤10°時(shí)，水平風(fēng)探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可信。

（2）對(duì)比分析了晴空、穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水等不同類型氣象條件下邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的測(cè)風(fēng)精度，發(fā)現(xiàn)在晴空條件下大氣均勻穩(wěn)定，水平風(fēng)速和風(fēng)向測(cè)量精度要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水天氣。降水出現(xiàn)前后環(huán)境大氣擾動(dòng)較大是導(dǎo)致穩(wěn)定性降水和對(duì)流性降水天氣下測(cè)風(fēng)精度較差的原因。

（3）對(duì)聊城邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)2016年3月1日—2017年2月28日共計(jì)7300時(shí)次的晴空觀測(cè)資料進(jìn)行了測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估，結(jié)果表明：150 m以下近地層高度的測(cè)風(fēng)質(zhì)量較差，與地雜波干擾較強(qiáng)有關(guān)；夏季有效探測(cè)高度最高可達(dá)6300 m，春秋季有效探測(cè)高度比較接近，分別約為2000 m和2500 m，冬季有效探測(cè)高度最低，僅為1100 m左右；四季測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估達(dá)標(biāo)高度分別為900、4000、2200 m和1100 m。大氣環(huán)境的濕度條件和水平風(fēng)速、風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差的波動(dòng)是影響測(cè)風(fēng)質(zhì)量評(píng)估的重要因素。

本文主要從邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)對(duì)象的角度即大氣的不均勻性方面進(jìn)行了分析，給出了邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)精度的評(píng)估結(jié)果，目前還只是依據(jù)雷達(dá)自身探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的評(píng)估，還缺乏來自其它觀測(cè)資料的佐證。另外，為了使結(jié)論更加客觀準(zhǔn)確，還應(yīng)分析更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)。