曾瑾瑜 汪學(xué)淵 潘 寧

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風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望*

曾瑾瑜1汪學(xué)淵2潘 寧1

1. 福建省氣象臺(tái) 2.福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心

簡(jiǎn)要總結(jié)了近年來風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)資料在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)的研究提升了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，拓展了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，但仍有改進(jìn)的空間。風(fēng)廓線雷達(dá)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析天氣系統(tǒng)尤其是中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了可能，為提高日常的強(qiáng)對(duì)流和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也對(duì)福建省新型風(fēng)場(chǎng)資料在預(yù)報(bào)上的應(yīng)用起引領(lǐng)和示范作用。在今后的研究中應(yīng)結(jié)合其他觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，開展不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制應(yīng)用。其資料直接或二次開發(fā)后應(yīng)用到天氣監(jiān)測(cè)、個(gè)例分析中，有利于加強(qiáng)預(yù)報(bào)員對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)物理機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解，提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平。風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料用于數(shù)值模式資料同化中，亦能有效改進(jìn)模式效果，目前在福建省已開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，將在今后的批量觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)中不斷完善。

風(fēng)廓線雷達(dá) 福建 質(zhì)量控制 組網(wǎng) 強(qiáng)對(duì)流 臺(tái)風(fēng) 資料同化

風(fēng)廓線雷達(dá)作為新一代高空探測(cè)遙感設(shè)備，可以做到無人值守來進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)，并且與常規(guī)的探測(cè)方法相比，風(fēng)廓線雷達(dá)所提供的探測(cè)資料具有種類多、分辨率高等特點(diǎn)。風(fēng)廓線雷達(dá)突出的探測(cè)方法和探測(cè)資料的特點(diǎn)決定了風(fēng)廓線雷達(dá)的廣泛用途，在氣象、軍事、航空、航天及全球變化研究等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

我國對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)80年代，目前探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時(shí)空分辨率都有了較大提高。《我國高空探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃（1996—2010）》提出“逐步發(fā)展風(fēng)廓線雷達(dá)和GPS探測(cè)系統(tǒng)”，“在中尺度天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)基地優(yōu)先布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)，風(fēng)廓線雷達(dá)宜安插在常規(guī)探空測(cè)站之間或天氣變化的敏感區(qū)；風(fēng)廓線雷達(dá)站間距以200～250km為宜，建立風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)”。截至2016年年底，我國業(yè)務(wù)上投入使用的有83部風(fēng)廓線雷達(dá)，目前中國氣象局規(guī)劃到2025年將組建一個(gè)覆蓋我國全境的225部風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)[1]。

圖1 福建省氣象局現(xiàn)有風(fēng)廓線雷達(dá)布局圖

未來3年，福建省的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)量將達(dá)到20部，為了使風(fēng)廓線雷達(dá)資料能夠更好地為預(yù)報(bào)服務(wù)，充分挖掘高時(shí)空分辨率風(fēng)廓線雷達(dá)資料的應(yīng)用價(jià)值，福建省氣象局開展了風(fēng)廓線雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警應(yīng)用工作，取得了創(chuàng)新性的成果，項(xiàng)目成果的應(yīng)用將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)災(zāi)害性天氣發(fā)生原因的科學(xué)認(rèn)識(shí)，提升災(zāi)害性天氣臨近預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)，減少強(qiáng)對(duì)流和臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣對(duì)福建省造成的重大經(jīng)濟(jì)損失。通過近七年的研究應(yīng)用，風(fēng)廓線雷達(dá)資料已經(jīng)逐漸成為福建省氣象局預(yù)報(bào)員嚴(yán)密監(jiān)測(cè)天氣、做好短時(shí)臨近預(yù)報(bào)及天氣個(gè)例總結(jié)中必不可少的觀測(cè)資料之一。本文旨在系統(tǒng)性歸納和總結(jié)福建省氣象局近年來基于風(fēng)廓線雷達(dá)資料所開展的相關(guān)業(yè)務(wù)研究和應(yīng)用情況，以期為風(fēng)廓線雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更好的參考和借鑒。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況

1.1 風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)研究

風(fēng)廓線雷達(dá)容易受天氣環(huán)境變化的影響，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性不穩(wěn)定，如有降水出現(xiàn)時(shí)，受雨滴下降末速度的影響，風(fēng)廓線雷達(dá)不能直接得到大氣的真實(shí)風(fēng)在垂直方向上隨時(shí)間的演變；風(fēng)廓線雷達(dá)資料易受雷達(dá)附近的建筑物、樹木等地物，以及飛機(jī)、鳥類等飛行物體等因素的影響，應(yīng)用中有待從資料處理技術(shù)上加以完善和改進(jìn)。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是當(dāng)前風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，目前國內(nèi)對(duì)這方面開展的工作相對(duì)較少。

1.1.1風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性和一致性研究

前人工作從不同角度論證了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可用性和一致性，但僅局限于定性分析，對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)探空雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)比定量分析相對(duì)較少。汪學(xué)淵等[2]利用2012年2～5月在福建邵武探空站開展的風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)探空雷達(dá)對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，定量分析了風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)期間的數(shù)據(jù)獲取率、風(fēng)廓線雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、風(fēng)廓線雷達(dá)和探空雷達(dá)數(shù)據(jù)的一致性。通過數(shù)據(jù)評(píng)估，確立了風(fēng)廓線雷達(dá)自身數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好，但是降雨對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響比較大；風(fēng)廓線雷達(dá)與探空雷達(dá)總體數(shù)據(jù)一致性對(duì)比良好，說明風(fēng)廓線雷達(dá)監(jiān)測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)的有效性。為了使風(fēng)廓線雷達(dá)和探空雷達(dá)資料能夠更好地比對(duì)，對(duì)比試驗(yàn)應(yīng)該選擇比較平穩(wěn)的天氣過程，這是風(fēng)廓線雷達(dá)需要改進(jìn)的地方。

上述試驗(yàn)研究是在風(fēng)廓線雷達(dá)與探空站位于同一地點(diǎn)的前提條件下進(jìn)行的，主要目的是為了驗(yàn)證風(fēng)廓線儀器自身的性能和比較不同探測(cè)方法的結(jié)果有何差異?，F(xiàn)階段更常見的情況是風(fēng)廓線雷達(dá)與探空站、多普勒雷達(dá)站位于不同的地點(diǎn)，在假設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)有相當(dāng)可信度的前提下，有必要考察風(fēng)廓線雷達(dá)所代表風(fēng)場(chǎng)信息的范圍，來確定未來風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)的密度。為此，陳齊川[3]通過與探空數(shù)據(jù)、多普勒雷達(dá)反演風(fēng)場(chǎng)、近距離風(fēng)廓線雷達(dá)間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)的一致性和代表性在不同的時(shí)間、不同降水系統(tǒng)，不同的時(shí)間間隔下是有區(qū)別的，距離越遠(yuǎn)，差異越大。時(shí)間間隔長(zhǎng)時(shí)（時(shí)間分辨率低），前汛期期間風(fēng)廓線200km以內(nèi)一致性和代表性都較一致，其它時(shí)間200km和100km風(fēng)場(chǎng)就有明顯的差異。因此，在前汛期運(yùn)用現(xiàn)有的風(fēng)廓線雷達(dá)，結(jié)合探空、多普勒雷達(dá)反演的風(fēng)場(chǎng)來分析風(fēng)場(chǎng)的宏觀變化是足夠的。但對(duì)于分析局地的暴雨、強(qiáng)對(duì)流過程，甚至是普通穩(wěn)定性降水過程，雖然風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間分辨率高，但其細(xì)微變化只能反映其周圍有限距離內(nèi)風(fēng)場(chǎng)的變化規(guī)律，這主要是由于其時(shí)間分辨率遠(yuǎn)大于站點(diǎn)布設(shè)的空間分辨率。

1.1.2風(fēng)廓線雷達(dá)高低模式拼接技術(shù)和基于Gabor變換間歇性雜波抑制技術(shù)

數(shù)據(jù)獲取率和信噪比是反映風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)性能的重要指標(biāo)。汪學(xué)淵等[4]開展風(fēng)廓線雷達(dá)高低模式拼接技術(shù)的研究，通過對(duì)2012 年全年的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)低模和高模的最佳拼接高度以0.6km為宜，以改善風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量。而通過信噪比指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出信噪比在有無降雨情況下不同的變化規(guī)律。在零度層的高度信噪比突然增大來判定零度層高度，對(duì)人影作業(yè)具有一定的參考價(jià)值。

對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波是另一種提高風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的方式。國內(nèi)氣象部門在雜波抑制方面的工作很少，使得國內(nèi)的風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較低。范能柱在2013年福建省氣象局青年科技專項(xiàng)項(xiàng)目“風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及業(yè)務(wù)應(yīng)用”中利用現(xiàn)代信號(hào)處理方法(小波變換、Gabor變換、時(shí)頻分析等)來抑制風(fēng)廓線雷達(dá)間歇性雜波，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，Gabor變換在處理間歇性雜波抑制優(yōu)于其他信號(hào)處理方法，確立了Gabor變換在風(fēng)廓線雷達(dá)雜波抑制技術(shù)的應(yīng)用，提升了風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.2 風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品的二次開發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用

1.2.1風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率反演及驗(yàn)證技術(shù)研究

L波段風(fēng)廓線雷達(dá)不僅能測(cè)高空風(fēng)場(chǎng)，在降雨天氣下還能測(cè)雨，為了充分利用風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向上高分辨率觀測(cè)特性，獲取風(fēng)廓線雷達(dá)上空垂直降雨結(jié)構(gòu)，汪學(xué)淵等[5]開展了風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率二次產(chǎn)品的開發(fā)，推導(dǎo)了適用于風(fēng)廓線雷達(dá)的氣象雷達(dá)方程，調(diào)校了氣象雷達(dá)方程參數(shù)以適用于風(fēng)廓線雷達(dá)，在國內(nèi)首次開展了雨滴譜儀與風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)化了兩種不同探測(cè)設(shè)備對(duì)比的時(shí)空差異，驗(yàn)證了風(fēng)廓線雷達(dá)降雨反射率產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和可靠性，廣泛應(yīng)用于降雨垂直結(jié)構(gòu)研究。

1.2.2組網(wǎng)風(fēng)廓線資料的二次開發(fā)及業(yè)務(wù)應(yīng)用

單部風(fēng)廓線雷達(dá)反演出來的直接產(chǎn)品如大氣風(fēng)場(chǎng)的垂直分布（圖2），對(duì)于中小尺度天氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)起著非常重要的作用，但單部風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測(cè)產(chǎn)品只能從一個(gè)點(diǎn)的垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)反映具有四維特征的天氣系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的演變特征，這顯然是不夠的。3部及以上的風(fēng)廓線雷達(dá)可以組成一個(gè)小型區(qū)域觀測(cè)網(wǎng)，通過組網(wǎng)資料能夠揭示大氣風(fēng)場(chǎng)的多層垂直結(jié)構(gòu)，了解天氣影響系統(tǒng)所在的高度和強(qiáng)度。

范能柱通過風(fēng)廓線雷達(dá)、天氣雷達(dá)和探空雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)組網(wǎng)技術(shù)的研究，建立了多源觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料組網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)。為了最大化綜合利用風(fēng)場(chǎng)資源，將全國風(fēng)廓線雷達(dá)處理成標(biāo)準(zhǔn)層（300、400、500、700、850、925hPa）風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，同時(shí)可以與多普勒天氣雷達(dá)風(fēng)廓線產(chǎn)品和探空風(fēng)場(chǎng)信息組網(wǎng)顯示，可在福建省氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)和Micaps預(yù)報(bào)軟件上供全省預(yù)報(bào)員查看（圖3），于2014年投入業(yè)務(wù)使用，廣泛應(yīng)用于福建天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，為預(yù)報(bào)員應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)時(shí)分析天氣提供很好的幫助。特別在廈門金磚會(huì)晤氣象預(yù)報(bào)服務(wù)中（圖4），該應(yīng)用平臺(tái)的使用為“瑪娃”臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)提供了一定依據(jù)，發(fā)揮了重要作用。

圖2 風(fēng)廓線雷達(dá)顯示相互平臺(tái)

圖3 2017年9月30日850hPa風(fēng)廓線雷達(dá)、天氣雷達(dá)和探空風(fēng)場(chǎng)組網(wǎng)顯示

圖4 2017年9月3～5日金磚會(huì)晤期間廈門單站風(fēng)廓線和強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)時(shí)序圖

1.3 風(fēng)廓線雷達(dá)資料在強(qiáng)對(duì)流和暴雨天氣預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用研究

風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品業(yè)務(wù)應(yīng)用最多的是風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)廓線資料，大氣水平風(fēng)場(chǎng)垂直廓線資料可以方便、直觀地指示高空槽和氣旋配合過境的情況，分析大氣冷暖平流、風(fēng)的垂直切變、中低空急流的強(qiáng)弱以及冷暖空氣交匯的空間結(jié)構(gòu)等，為天氣過程及環(huán)境場(chǎng)的精細(xì)分析提供了可行性。在福建省布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)站伊始，曾瑾瑜等[6]就利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)福建省永安一次強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行詳細(xì)分析，針對(duì)冰雹、雷暴大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水三類強(qiáng)對(duì)流天氣分別對(duì)應(yīng)的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)場(chǎng)演變特征分析三種災(zāi)害性天氣形成的物理機(jī)制，由此總結(jié)出本類天氣的預(yù)報(bào)信息或臨近預(yù)警指標(biāo)，對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警具有比較實(shí)用的價(jià)值，為預(yù)報(bào)員應(yīng)用風(fēng)廓線雷達(dá)資料提供了有力的參考。張桂榮等[7]通過分析建甌2015年首個(gè)暴雨過程，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)資料能較好地監(jiān)測(cè)天氣系統(tǒng)的演變特別是低空急流的脈動(dòng)，發(fā)現(xiàn)低空急流到達(dá)本站不一定立即引發(fā)強(qiáng)降水，低空急流的脈動(dòng)與降水強(qiáng)度的變化有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黃園園等[8]對(duì)福建省2015年7月19～24日大暴雨過程中低空急流與強(qiáng)降水的關(guān)系進(jìn)行了分析，不僅得出對(duì)流層存在的中尺度現(xiàn)象及低空急流的脈動(dòng)與強(qiáng)降水發(fā)生過程在時(shí)間上的配合，而且通過對(duì)低空急流指數(shù)的定義，得出低空急流指數(shù)的增大與降水的增強(qiáng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且往往比降水的增強(qiáng)提前1～2h左右，可為短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)提供參考。

風(fēng)廓線雷達(dá)的垂直風(fēng)資料可反映出降水的開始、結(jié)束，而垂直速度大小隨高度的波動(dòng)，以及波動(dòng)發(fā)展的高度反映了大氣中垂直熱交換的程度，從而也是判斷對(duì)流發(fā)展強(qiáng)度的一個(gè)重要方法。在本省的研究中[6-7]，大于4m/s或小于-4m/s的垂直速度反映了降水天氣的開始和結(jié)束，可以認(rèn)為垂直速度的絕對(duì)值越大，降水越強(qiáng)。

由于強(qiáng)天氣時(shí)段常出現(xiàn)水平和垂直風(fēng)向風(fēng)速產(chǎn)品缺測(cè)，可借助于功率譜數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析。曾瑾瑜等[6]研究表明，降水期間功率譜密度出現(xiàn)雙峰譜甚至多峰譜，而降雹時(shí)間段波束圖出現(xiàn)了速度模糊，證明強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)通過測(cè)站。功率譜數(shù)據(jù)對(duì)天氣發(fā)展趨勢(shì)提供可靠的指示作用。

目前風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省強(qiáng)對(duì)流和暴雨天氣中的應(yīng)用研究主要以個(gè)例分析為主，系統(tǒng)性的分析研究極少。沈永生[9]以風(fēng)廓線雷達(dá)資料為研究對(duì)象，結(jié)合常規(guī)天氣圖及自動(dòng)站資料，對(duì)近幾年短時(shí)強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，尋找不同天氣形勢(shì)下各類強(qiáng)對(duì)流天氣的風(fēng)廓線參數(shù)表現(xiàn)特征，歸納凝練了閩西北地區(qū)冰雹、大風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)降水等各類強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)廓線特征指標(biāo)，建立概念模型。其研究成果在福建省強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)中廣泛應(yīng)用，為強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考判據(jù)，特別是在廈門金磚會(huì)晤氣象保障服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

表1 2011年10月～2014年3月三明市強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)廓線雷達(dá)特征統(tǒng)計(jì)

1.4 風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)應(yīng)用研究

目前，國內(nèi)在利用風(fēng)廓線雷達(dá)在臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究還比較少，福建省氣象局開展了多次臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)應(yīng)急觀測(cè)試驗(yàn)，實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析揭示了臺(tái)風(fēng)內(nèi)部垂直風(fēng)場(chǎng)和降雨結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，確立了風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1.4.1多產(chǎn)品、多角度、系統(tǒng)性地分析了臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)風(fēng)場(chǎng)和降雨的垂直結(jié)構(gòu)

“蘇拉”臺(tái)風(fēng)影響福建期間，移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)被拉到登陸點(diǎn)附近，獲得了“蘇拉”登陸前后的風(fēng)廓線資料。汪學(xué)淵等[10]根據(jù)風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸期間有效數(shù)據(jù)獲取率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出臺(tái)風(fēng)登陸期間的有效探測(cè)高度為4.8km，登陸期間風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)能力明顯增強(qiáng)。利用風(fēng)廓線雷達(dá)提供的多種垂直探測(cè)資料，從信噪比、垂直速度、水平風(fēng)速等數(shù)據(jù)多種角度綜合分析了臺(tái)風(fēng)登陸風(fēng)場(chǎng)變化過程。結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)眼過境時(shí)，風(fēng)向由偏北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠巷L(fēng)，并且風(fēng)向變化是從高空向下傳導(dǎo)。對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，將對(duì)其發(fā)展演變和對(duì)其路徑、風(fēng)雨影響等預(yù)報(bào)提供強(qiáng)大支撐。

理想中的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)其上下層氣旋環(huán)流一般是垂直的，但實(shí)際上有相當(dāng)一部分臺(tái)風(fēng)中心垂方向軸線是傾斜的[11]，過去由于觀測(cè)設(shè)備的限制，容易被忽略。劉愛鳴等[12]通過風(fēng)廓線等相關(guān)資料分析，揭示了“蘇拉”臺(tái)風(fēng)登陸福建前垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生南傾的事實(shí)（圖5），并從分析臺(tái)風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)變化著手，研究這種特殊暴雨落區(qū)的成因；同時(shí)還分析了和“蘇拉”相似路徑臺(tái)風(fēng)的個(gè)例，給出登陸閩北浙南西行臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生南傾的環(huán)流特征，為今后這類臺(tái)風(fēng)暴雨的落區(qū)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，提高臺(tái)風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)能力。在實(shí)際臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)中，特別要加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)變化的分析，尤其是低空西南氣流不強(qiáng)時(shí)，對(duì)高空環(huán)流形勢(shì)、環(huán)境風(fēng)場(chǎng)資料、渦度場(chǎng)以及風(fēng)廓線雷達(dá)資料的分析，有助于判別臺(tái)風(fēng)渦旋中心垂直軸線是否向南傾斜。

圖5 2012年8月3日福建霞浦站上空風(fēng)場(chǎng)廓線演變

a——風(fēng)向風(fēng)速（m/s） b——8月3日7:30風(fēng)向方位

1.4.2通過多源觀測(cè)資料在臺(tái)風(fēng)登陸期間風(fēng)場(chǎng)變化的對(duì)比，確立了各種探測(cè)設(shè)備觀測(cè)風(fēng)速的一致性，以及風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)的優(yōu)越性

汪學(xué)淵等[13]通過多源觀測(cè)資料在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“蘇力”登陸期間風(fēng)場(chǎng)變化的對(duì)比，確立了各種探測(cè)設(shè)備觀測(cè)風(fēng)速的一致性，以及風(fēng)廓線雷達(dá)在監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)的優(yōu)越性。雷達(dá)在觀測(cè)臺(tái)風(fēng)眼結(jié)構(gòu)時(shí)，風(fēng)向轉(zhuǎn)變是由高空向地面?zhèn)鲗?dǎo)，預(yù)測(cè)了臺(tái)風(fēng)眼近似“C”型結(jié)構(gòu)，同時(shí)比其他探測(cè)設(shè)備能夠提前對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)向變化的預(yù)報(bào)預(yù)警。對(duì)于沿海一帶臺(tái)風(fēng)易登陸地帶，宜進(jìn)行加密布局以便更好地獲得臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和臺(tái)風(fēng)預(yù)警，為風(fēng)廓線雷達(dá)的建設(shè)提供參考。

1.4.3組網(wǎng)風(fēng)廓線資料對(duì)預(yù)報(bào)降水落區(qū)和強(qiáng)度有一定提前量

任賽賽等[14]通過850hPa和700hPa風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料來分析“尼伯特”臺(tái)風(fēng)暴雨，發(fā)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)可以判斷系統(tǒng)的移動(dòng)、強(qiáng)度和過境時(shí)間，對(duì)預(yù)報(bào)降水落區(qū)和強(qiáng)度有一定提前量。

1.5 風(fēng)廓線雷達(dá)資料在數(shù)值同化中的應(yīng)用

風(fēng)廓線雷達(dá)資料除了在常規(guī)天氣預(yù)報(bào)有重要使用價(jià)值外，更為關(guān)鍵的應(yīng)用是在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的同化。其為數(shù)值模式提供的高空風(fēng)資料量明顯增多，能夠影響中尺度同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)的結(jié)果，總體上可以改善短期預(yù)報(bào)水平。

國外在業(yè)務(wù)風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)建成之前進(jìn)行的觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSEs）和之后的觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)（OSEs）結(jié)果表明，無論是模擬的還是實(shí)際的組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料，其同化對(duì)模式預(yù)報(bào)的影響評(píng)價(jià)都是正面的[15-16]，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料能揭示常規(guī)探空觀測(cè)不易分辨的天氣系統(tǒng)特征[17]，或者提高模式對(duì)天氣系統(tǒng)尤其是中尺度系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能[18]。根據(jù)OSEs的評(píng)估結(jié)果，國外主要全球數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)（如ECMWF、JMA、NCEP和CMC）先后實(shí)現(xiàn)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在模式中的業(yè)務(wù)同化，結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)的同化應(yīng)用對(duì)模式預(yù)報(bào)性能的提高有正面影響。

國內(nèi)雖然較早就注意到風(fēng)廓線雷達(dá)資料在數(shù)值模式中的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)行了風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)的數(shù)值研究[19]，以及單點(diǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化的初步應(yīng)用[20]，但是針對(duì)我國組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化研究極少[21]，尚未實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料在業(yè)務(wù)數(shù)值模式中的業(yè)務(wù)同化。

為了探討組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化對(duì)業(yè)務(wù)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的作用，潘寧針對(duì)組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)反演資料，開展有無同化該反演資料的對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行觀測(cè)影響預(yù)報(bào)的評(píng)估[22]，分別應(yīng)用福建省業(yè)務(wù)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)（FJ-WRF）和快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（FJ-RUC），設(shè)計(jì)有無同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)觀測(cè)的兩組分析預(yù)報(bào)對(duì)比試驗(yàn)方案，并將試驗(yàn)方案用于2014 年7 月4 日干對(duì)流為主和13～14 日混合性強(qiáng)對(duì)流兩個(gè)強(qiáng)對(duì)流過程的個(gè)例研究，通過對(duì)比試驗(yàn)分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)的差異、相對(duì)全球模式分析場(chǎng)和探空及風(fēng)廓線雷達(dá)觀測(cè)的誤差檢驗(yàn)，以及與全球模式分析場(chǎng)和地面區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)的對(duì)比，評(píng)估同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料對(duì)模式分析及預(yù)報(bào)的影響。研究表明，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)觀測(cè)后，主要影響了各層水平風(fēng)的分析，F(xiàn)J-RUC 暖啟動(dòng)低層的溫度和比濕分析在小范圍內(nèi)也受到較明顯的影響；分析場(chǎng)變化能明顯影響模式各層風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)、低層及邊界層的溫度和比濕預(yù)報(bào)（圖6）；就模式預(yù)報(bào)層平均絕對(duì)偏差和均方根誤差兩種誤差檢驗(yàn)而言，同化組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)對(duì)FJ-RUC 模式預(yù)報(bào)以正面影響為主，對(duì)FJ-WRF 模式預(yù)報(bào)以負(fù)面影響為主。

圖6 第1 組對(duì)比試驗(yàn)2014 年7 月14 日06 時(shí)700hPa（上排）和850hPa（下排）12 小時(shí)預(yù)報(bào)之差

a1,a2——溫度；b1,b2——比濕；c1,c2——水平風(fēng)U 分量；d1,d2——水平風(fēng)V 分量

個(gè)例研究顯示，快速更新循環(huán)（RUC）是福建省業(yè)務(wù)模式系統(tǒng)應(yīng)用組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)資料的可行方案，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過幾年的努力，目前福建省氣象臺(tái)在“福建快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)”（FJ-RUC）中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化，并業(yè)務(wù)化運(yùn)行。在運(yùn)行的同時(shí)，潘寧設(shè)計(jì)了有無同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料的控制試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn)，于2016年4～5月開展批量試驗(yàn)（圖7），對(duì)同化效果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明（圖8），對(duì)于中低層風(fēng)場(chǎng)（水平風(fēng)u，v分量）、溫度和比濕預(yù)報(bào)，在各個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差均小于未同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料，可見增加風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化對(duì)這幾類要素預(yù)報(bào)具有較明顯的正作用。

圖7 同化的探測(cè)資料分布

圖8 觀測(cè)影響預(yù)報(bào)評(píng)估

（預(yù)報(bào)時(shí)效為24小時(shí)的平均絕對(duì)預(yù)報(bào)誤差對(duì)比）

2 存在問題和未來展望

隨著科技的進(jìn)步，新型高空風(fēng)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備風(fēng)廓線雷達(dá)資料的初步應(yīng)用，大大豐富了氣象資料，提升了福建省的預(yù)報(bào)水平。但在各方面的研究應(yīng)用尚處于起步階段，在復(fù)雜的天氣形勢(shì)下仍需要不斷的探索。

風(fēng)場(chǎng)資料數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的好壞直接影響數(shù)據(jù)的應(yīng)用，但是目前還沒有建立完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，在雜波干擾、誤差大的數(shù)據(jù)剔除以及在降雨干擾風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性等方面還有很大的改進(jìn)空間，尤其對(duì)于在非均勻性降水對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng)質(zhì)量的影響需要加大研究。

風(fēng)廓線雷達(dá)低模式降雨反射率的反演為風(fēng)廓線雷達(dá)在探測(cè)降雨垂直結(jié)構(gòu)中奠定了基礎(chǔ)，為了拓展其應(yīng)用范圍，需要對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)高模式降雨反射率反演及驗(yàn)證和降雨反射率高低模式的拼接技術(shù)進(jìn)行研究，完善垂直探測(cè)高空降雨反射率結(jié)構(gòu)。

風(fēng)廓線資料在天氣預(yù)報(bào)方面的應(yīng)用，主要有以下問題：

（1）結(jié)合其它觀測(cè)資料的綜合分析不夠，試圖僅用風(fēng)廓線資料來解釋所有問題；風(fēng)廓線雷達(dá)提供風(fēng)廓線數(shù)據(jù)拓寬了對(duì)高空風(fēng)場(chǎng)的了解，各觀測(cè)設(shè)備的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系還需要進(jìn)一步探索和研究，同時(shí)為數(shù)據(jù)之間的相互驗(yàn)證提供合理的方法是今后應(yīng)該進(jìn)一步開展的工作。

（2）針對(duì)不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制的應(yīng)用還不夠。

在強(qiáng)對(duì)流天氣的應(yīng)用方面，風(fēng)廓線雷達(dá)站出現(xiàn)強(qiáng)降水或雷雨大風(fēng)等強(qiáng)天氣時(shí)段內(nèi)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)大面積缺測(cè)，奇異點(diǎn)多；有降水的時(shí)候（即使是弱降水），垂直速度受到雨滴影響；產(chǎn)品過于單調(diào)，還需進(jìn)一步開發(fā)能用于監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中小尺度天氣系統(tǒng)的產(chǎn)品；測(cè)站出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣的個(gè)例明顯偏少，受其制約，僅針對(duì)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行特征分析，總結(jié)的指標(biāo)具有一定的局限性，檢驗(yàn)效果如何需待今后的實(shí)踐檢驗(yàn)并進(jìn)一步完善。

在臺(tái)風(fēng)天氣的應(yīng)用方面，觀測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)將對(duì)其發(fā)展演變研究、路徑、強(qiáng)度、風(fēng)雨影響等業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供強(qiáng)大支撐，在福建省，建議建立間隔在50～100km左右的沿海對(duì)流層風(fēng)廓線觀測(cè)網(wǎng)，以探測(cè)近海熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特征，可保證在熱帶氣旋登陸時(shí)至少有3～5部風(fēng)廓線儀同時(shí)觀測(cè)。另外，福建沿海地區(qū)地形導(dǎo)致的對(duì)流和強(qiáng)降水的密集帶，也需要更多的觀測(cè)來支撐，同時(shí)，該地區(qū)還將對(duì)我國東海海域、臺(tái)灣海峽的海洋氣象觀測(cè)提供支撐，氣象業(yè)務(wù)需要和國家戰(zhàn)略意義重大。

在數(shù)值模式資料同化應(yīng)用方面，目前省臺(tái)的預(yù)報(bào)影響評(píng)估還不夠全面，“是否同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料”“采用何種方案實(shí)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)在業(yè)務(wù)數(shù)值模式的同化”等問題的解決，需要基于大量的模式預(yù)報(bào)影響評(píng)估工作，國際上通用的做法是進(jìn)行批量觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)（OSEs）。而采用的同化方案尚有許多可以改進(jìn)之處，比如風(fēng)廓線雷達(dá)資料的質(zhì)量控制、垂直稀疏化、觀測(cè)誤差，以及同化窗、同化瞬時(shí)還是平均資料、更新循環(huán)方案、混合同化方法，都需要進(jìn)一步研究。在有限個(gè)例的研究中，同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料未能改善降水等地面要素預(yù)報(bào)，說明模式的其他方面如物理過程也需要高度重視。

3 結(jié)論

福建省是我國受臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣災(zāi)害最嚴(yán)重的省份之一，臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)一直是福建省防災(zāi)減災(zāi)工作重點(diǎn)。新型設(shè)備風(fēng)廓線雷達(dá)資料在福建省災(zāi)害性天氣以及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了福建省臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警水平。

本文簡(jiǎn)要總結(jié)了近年來風(fēng)廓線雷達(dá)在福建省氣象局的業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)的研究提升了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，拓展了風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，但仍有改進(jìn)的空間。

風(fēng)廓線雷達(dá)為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析天氣系統(tǒng)尤其是中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展物理空間特征提供了可能，有利于加強(qiáng)預(yù)報(bào)員對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)物理機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解，提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)水平；為日常的臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)預(yù)警準(zhǔn)確率提高提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也為福建省新型風(fēng)場(chǎng)資料在預(yù)報(bào)上的應(yīng)用起到引領(lǐng)和示范作用。在今后的研究中應(yīng)結(jié)合其他觀測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，開展不同類型天氣的關(guān)鍵機(jī)制應(yīng)用。

目前的各種分析大部分基于單部風(fēng)廓線雷達(dá)資料，隨著風(fēng)廓線站網(wǎng)布局的不斷完善，通過組網(wǎng)資料（3部及以上）能夠揭示大氣風(fēng)場(chǎng)的多層垂直結(jié)構(gòu)，了解天氣影響系統(tǒng)所在的高度和強(qiáng)度，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的各種物理量，對(duì)于認(rèn)識(shí)強(qiáng)天氣發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制有重要意義。風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料用于數(shù)值模式資料同化中，亦能有效改進(jìn)模式效果，目前在福建省已開始業(yè)務(wù)運(yùn)行，在今后的批量觀測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)中將不斷完善。

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公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng) “風(fēng)云三號(hào)晨昏軌道衛(wèi)星資料處理和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究” （GYHY201506022）資助。