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(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用多普勒原理觀測得到水平風(fēng)廓線、垂直風(fēng)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(bǔ)充，為研究暴雨、冰雹、雷暴、大風(fēng)等中小尺度天氣系統(tǒng)造成的強(qiáng)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(dǎo)致風(fēng)廓線雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有待提高[8]。評估風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量，確定風(fēng)廓線雷達(dá)資料在不同天氣條件下對風(fēng)速、風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)，與風(fēng)廓線雷達(dá)作對比獲得兩者測風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)場有較好一致性，200m高度以上風(fēng)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(fēng)向與雷達(dá)風(fēng)向的相關(guān)度明顯降低，風(fēng)速的相關(guān)變化不大。趙興炳等[3]發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)與探空在探測原理和方法上存在差異，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的對比，只能對誤差設(shè)置一個范圍，認(rèn)為風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)資料與探空資料的熱動力物理參量在冰雹、雷暴大風(fēng)和短時暴雨等強(qiáng)對流天氣中的表現(xiàn)基本一致。

四川省風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)比較成熟，但是目前風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的利用率較低。與探空資料相比，風(fēng)廓線雷達(dá)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(xì)地描述強(qiáng)對流天氣發(fā)生前后大氣狀態(tài)的變化，該資料對強(qiáng)對流天氣過程預(yù)報和研究具有重要作用。為了在科學(xué)研究和業(yè)務(wù)預(yù)報中更好地使用風(fēng)廓線雷達(dá)資料，就必須對風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量進(jìn)行評估。以往關(guān)于風(fēng)廓線雷達(dá)資料與探空資料的對比分析多集中在水平風(fēng)u、v分量標(biāo)準(zhǔn)偏差和相關(guān)性等方面，而對于長期風(fēng)向頻率統(tǒng)計和平均風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料，對比分析兩者在對流層低層風(fēng)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(dá)數(shù)據(jù)提升局地強(qiáng)對流天氣預(yù)報水平提供科學(xué)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(xué)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(fēng)廓線雷達(dá)ROBS產(chǎn)品數(shù)據(jù)（簡稱風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)地理位置

為保證數(shù)據(jù)的可比性，以探空資料為標(biāo)準(zhǔn)，選取與探空記錄在時間和空間上匹配的雷達(dá)風(fēng)廓線資料進(jìn)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(fēng)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(jìn)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(fēng)先分解為u、v分量，再進(jìn)行內(nèi)插，最后合成得出各高度上的風(fēng)向和風(fēng)速。為分析風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)資料進(jìn)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(fēng)廓線雷達(dá)資料；Yi為探空資料，N為樣本個數(shù)。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率分析

為了定量評估風(fēng)廓線雷達(dá)的探測能力，對風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)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(fēng)廓線雷達(dá)2015～2017年6月21日～7月31日平均的水平風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度，名山站有效探測高度約為4200m。

圖2 名山站風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率隨高度的變化

3 探空資料和風(fēng)廓線雷達(dá)資料的對比分析

3.1 平均風(fēng)向和風(fēng)速垂直廓線

為了直觀地體現(xiàn)探空資料與風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)資料在4.8km以下的廓線分布。圖3是兩種資料的平均風(fēng)速差和風(fēng)向差垂直廓線。圖4和圖5分別是兩種資料的平均風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料的平均風(fēng)速差（a）和風(fēng)向差（b）垂直廓線（均為探空數(shù)據(jù)減去風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)）

結(jié)合圖3a和圖4發(fā)現(xiàn)，探空和風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速大多大于探空測風(fēng)；兩種資料中的風(fēng)場廓線形狀總體來說比較接近，兩者的風(fēng)速相關(guān)性較好，僅在個別層次和時次有一定偏差，風(fēng)速的偏差大小與風(fēng)廓線風(fēng)速大小存在正相關(guān)關(guān)系。就每天四個時次而言，風(fēng)廓線雷達(dá)在01:15和07:15測得的風(fēng)速與探空測風(fēng)最為接近，4000m以下兩者的風(fēng)速絕對誤差均<1m/s；在13:15和19:15，2500m以下風(fēng)速絕對誤差普遍<1m/s，而2500m以上風(fēng)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(fēng)速差值均<1m/s，已有研究[9]指出風(fēng)廓線雷達(dá)資料與加密探空資料風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料的風(fēng)速有效。朱麗娟[19]研究雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)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(jìn)而引發(fā)垂直運動[20]，也可能是導(dǎo)致雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)資料（紅）的平均風(fēng)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(fēng)向差均<30°，1200m以下的風(fēng)向差<20°，1200m以上的風(fēng)向差在20°～30°之間；低層存在冷平流，風(fēng)向隨高度的增加呈逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢，由偏南風(fēng)變?yōu)槠珫|風(fēng)；在1500m附近存在暖平流，風(fēng)向隨高度的增加變?yōu)轫槙r針偏轉(zhuǎn)，由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)；風(fēng)廓線雷達(dá)對風(fēng)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(fēng)向變化；風(fēng)向隨高度的差值與風(fēng)速呈相反變化，中高層較弱，而低層較強(qiáng)；需要特別指出的是，在01:15，1500m以下風(fēng)廓線雷達(dá)與探空測得的風(fēng)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(dǎo)致。根據(jù)萬蓉[9]的研究結(jié)論“風(fēng)廓線雷達(dá)資料與加密探空資料風(fēng)向偏差在20°以內(nèi)的樣本為有效樣本”可知，早晨的風(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)向差<20°的雷達(dá)資料較為可靠。

圖5 同圖4，但為平均風(fēng)向

如圖3所示，200m以下的風(fēng)速偏差較大，500m以下的風(fēng)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(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料與探空資料的差異進(jìn)行分析。

3.2 風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料，統(tǒng)計不同高度和不同時次的風(fēng)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(fēng)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(fēng)向在其余時次和高度層上的觀測結(jié)果一致性較好，主風(fēng)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(fēng)向為偏東北風(fēng)和偏西南風(fēng)，在相同時次觀測到的主風(fēng)向從低層到高層由偏東北風(fēng)變?yōu)槠髂巷L(fēng)，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(fēng)廓線雷達(dá)資料在500m高度對西風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料（藍(lán)）的平均風(fēng)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(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料U風(fēng)（Ua）相對于探空資料U風(fēng)（Ub）的散點分布。如圖所示，U風(fēng)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(yán)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(qiáng)西風(fēng)（Ua>0）；19:15，U風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)在夜間探測的U風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料U風(fēng)速（Ua）與探空資料U風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料V風(fēng)（Va）相對于探空資料V風(fēng)（Vb）的散點分布。如圖所示，V風(fēng)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(yuǎn)小于U風(fēng)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(fēng)速

總的來看，風(fēng)廓線雷達(dá)探測的V風(fēng)質(zhì)量優(yōu)于U風(fēng)，U風(fēng)分量在Ub=0m/s附近存在異常偏差點的現(xiàn)象比V風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料與探空資料風(fēng)速和風(fēng)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(fēng)速和風(fēng)向的均方根誤差垂直廓線。

如圖9a～b所示，無降水時，風(fēng)廓線雷達(dá)探測風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)速均方根誤差均小于無降水時，說明有降水產(chǎn)生時風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度更高，這與多項研究[10，18，21?22]得出“當(dāng)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(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)平均探測高度可以增加2km以上，降水強(qiáng)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(fēng)廓線雷達(dá)探測的風(fēng)向與探空之間均方根誤差的變化與風(fēng)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(fēng)向均方根誤差區(qū)別不大；除極個別高度外，風(fēng)向均方根誤差均<95°，其中01:15這一時次的風(fēng)向均方根誤差呈隨高度減小的趨勢，800m高度以下的風(fēng)向均方根誤差>110°。有降水時，不同高度的風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)資料，對比分析兩者在對流層低層風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)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(fēng)廓線雷達(dá)和探空測得的風(fēng)場廓線形狀總體接近，兩者的風(fēng)速相關(guān)性較好，僅在個別層次和時次有一定偏差，風(fēng)速的偏差大小與風(fēng)廓線風(fēng)速大小存在正相關(guān)關(guān)系，除去少數(shù)情況外風(fēng)廓線雷達(dá)測得的風(fēng)速均大于探空。兩者風(fēng)向差值隨高度的變化規(guī)律與風(fēng)速相反，在中高層較小，低層較大。07:15，風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)和探空測得的主風(fēng)向在其余時次和高度上的觀測結(jié)果一致性較好，主風(fēng)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(fēng)向由偏東北風(fēng)變?yōu)槠髂巷L(fēng)。

（4）U風(fēng)和V風(fēng)散點分布主要沿對角線呈棒槌型，在各時次均存在嚴(yán)重偏離對角線的點，V風(fēng)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(qiáng)西風(fēng)。在19:15，U風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)在夜間探測的U風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)探測高度更高；在19:15，除了極個別高度外，有降水時風(fēng)速均方根誤差明顯小于無降水時。風(fēng)向均方根誤差的變化與風(fēng)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(fēng)向均方根誤差區(qū)別不大。有降水時，不同高度的風(fēng)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(fēng)廓線雷達(dá)探測的準(zhǔn)確性受多方面因素影響，由于探空儀和風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理不同，探測目標(biāo)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(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行分析，所得出的結(jié)論尚不全面，還有待進(jìn)一步采集更多數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。