呂 博，紀凡華，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（Wind Profiler Radar）作為一種新型的測風(fēng)雷達，能夠提供高時空分辨率的大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向和垂直速度等風(fēng)場信息，與常規(guī)的氣球測風(fēng)相比，風(fēng)廓線雷達在探測精度、垂直空間分辨率和探測時間分辨率等方面有著巨大的優(yōu)勢。目前風(fēng)廓線雷達已在全球范圍內(nèi)廣泛進入業(yè)務(wù)化應(yīng)用階段，我國也在進行風(fēng)廓線雷達觀測網(wǎng)的建設(shè)。魯西北地區(qū)首部邊界層風(fēng)廓線雷達（CLC-11-D）于2015年11月順利通過驗收，目前已進入業(yè)務(wù)試運行階段。為了解該型雷達觀測資料的質(zhì)量狀況，更好地應(yīng)用于邊界層風(fēng)場觀測和預(yù)報預(yù)測等業(yè)務(wù)，對其探測數(shù)據(jù)的準確性進行深入分析是十分必要的。

國外從20世紀90年代開始相關(guān)研究，美國科學(xué)家Strauch等[1]利用風(fēng)廓線雷達觀測資料分析了晴空大氣條件下風(fēng)廓線雷達探測的準確性，得到晴空條件下的測風(fēng)精度約為1.3 m·s-1，垂直速度較大時必須考慮垂直運動的影響；Wuertz等[2]利用UHF風(fēng)廓線雷達觀測的典型降水數(shù)據(jù)分析了風(fēng)廓線雷達在降水條件下觀測的準確性；McDonald等[3]對降水數(shù)據(jù)的垂直信號功率、垂直信號譜寬和信噪比進行了分析。國內(nèi)學(xué)者在這方面也進行了大量地研究，阮征等[4]利用風(fēng)廓線雷達對降水云體的結(jié)構(gòu)進行了深入的研究；劉夢娟等[5]利用2014年6月美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的全球模式分析資料，對上海及周邊地區(qū)組網(wǎng)的7部邊界層風(fēng)廓線雷達的水平測風(fēng)數(shù)據(jù)進行了初步分析和比較，發(fā)現(xiàn)上海組網(wǎng)風(fēng)廓線雷達測風(fēng)資料質(zhì)量與探空觀測水平接近，有較高的可用性；孔照林等[6]利用浙江7部風(fēng)廓線雷達探測資料，進行了不同相態(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]利用對流層風(fēng)廓線雷達和GPS移動探空資料，以GPS探空觀測值為參考，對對流層風(fēng)廓線雷達的觀測質(zhì)量進行對比分析。

本文首先對該型風(fēng)廓線雷達分別在晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水條件下觀測到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，看其是否符合風(fēng)向誤差≤10°，風(fēng)速誤差≤1.5 m/s的探測規(guī)范要求，其次對該型雷達春季（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數(shù)據(jù)進行了測風(fēng)質(zhì)量評估。

1 CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達簡介及資料來源

1.1 CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達性能參數(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，該型雷達使用5波束進行觀測，即垂直指向天頂波束以及東、西、南、北各偏離天頂角15°的4個斜波束，該雷達的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

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

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

1.2 資料來源

對2016年3月1日—2017年2月28日期間的觀測資料進行統(tǒng)計，將數(shù)據(jù)分為3大類：晴空數(shù)據(jù)，穩(wěn)定性降水數(shù)據(jù)和對流性降水數(shù)據(jù)，降水數(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次對流性降水過程，文中對共計7300個時次的晴空、1220個時次的穩(wěn)定性降水過程和910個時次的對流性降水過程的資料分別進行了分析。

2 分析方法

CLC-11-D型風(fēng)廓線雷達以5波束（東、南、西和北指向的斜波束以及一個垂直指向天頂?shù)拇怪辈ㄊ┻M行觀測。對斜波束所測得的徑向速度而言，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去除，即可得到水平風(fēng)分量[10]。計算如下：

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)廓線雷達觀測規(guī)范，朝向雷達的徑向風(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)向取向下的方向為正。由公式（1）可以得到：

進而可以推導(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，分別計算其標準差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δv和δφ為0，但由于徑向速度測量誤差的影響，會導(dǎo)致uW和uE，vS和vN之間的差異，通過對δv和δφ進行統(tǒng)計分析就可以評估風(fēng)廓線雷達的測風(fēng)精度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同類型氣象條件下測風(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)定性降水和對流性降水）水平風(fēng)速和水平風(fēng)向的標準差分布頻數(shù)圖，其中x軸表示水平風(fēng)速、風(fēng)向標準差值的劃分范圍（刻度值“＜2.5”表示 2 m/s＜水平風(fēng)速標準差 δv≤2.5 m/s，刻度值“＜30”表示25°＜水平風(fēng)向標準差 δφ≤30°，其它依次類推）；y軸表示不同類型降水條件下相應(yīng)標準差范圍占總樣本的百分比。可以看出，在低模式下3類天氣數(shù)據(jù)（晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水）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%。表明在各類觀測模式下邊界層風(fēng)廓線雷達對晴空的風(fēng)速測量精度都要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣；同時對晴空探測數(shù)據(jù)來說，低模式下的風(fēng)速測量精度較高，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種觀測模式下風(fēng)廓線雷達對晴空探測的風(fēng)向測量精度都是最高，而對穩(wěn)定性降水與對流性降水過程的風(fēng)向測量精度較差，其中穩(wěn)定性降水稍優(yōu)于對流性降水過程；對晴空探測數(shù)據(jù)而言，低模式下的風(fēng)向測量精度要高于中模式和高模式。

圖1 不同探測模式下水平風(fēng)速、水平風(fēng)向標準差分布頻數(shù)

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

3.2 各高度層測風(fēng)質(zhì)量評估

根據(jù)我國風(fēng)廓線雷達功能需求設(shè)計規(guī)范[11]，要求邊界層風(fēng)廓線雷達風(fēng)速測量精度≤1.5 m/s，風(fēng)向測量精度≤10°，同時由三種探測模式下不同類型天氣數(shù)據(jù)測風(fēng)精度分析的結(jié)果可知，該型邊界層風(fēng)廓線雷達對晴空數(shù)據(jù)的風(fēng)向和風(fēng)速的測量精度最高，本文利用4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向計算出的標準差對該型邊界層風(fēng)廓線雷達觀測的晴空數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量評估。為使各高度層的測風(fēng)評估更量化直觀，特制定邊界層風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)測風(fēng)質(zhì)量等級評估閾值（表 2）。

對共計7300時次的晴空數(shù)據(jù)按照四季進行了劃分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），分別對其測風(fēng)質(zhì)量進行評估，評估結(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)評分多在2分以下，這是由于雷達布設(shè)地點周圍地物對信號造成了污染，使數(shù)據(jù)可信度下降，難以通過質(zhì)量控制，造成低空探測缺測較嚴重[12]。

表2 邊界層風(fēng)廓線雷達測風(fēng)評估等級

從有效探測高度來看，春季平均有效探測高度約2000 m，夏季平均有效探測高度可達6300 m，秋季平均有效探測高度為2500 m左右，而冬季平均有效探測高度則降至1100 m左右。這與雷達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)廓線雷達的探測原理可知，大氣中的水汽含量能夠直接影響雷達的探測性能，通常濕度愈大對雷達探測愈有利，因為潮濕空氣的反射系數(shù)變化更大，有利于風(fēng)廓線雷達的信號接收[13]。

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

4 結(jié)論

（1）利用CLC-11-D型邊界層風(fēng)廓線雷達的5波束觀測數(shù)據(jù)構(gòu)造出4組水平風(fēng)速和水平風(fēng)向，進而得出可描述垂直波束空間內(nèi)大氣運動不均勻性的水平風(fēng)速和水平風(fēng)向標準差。當風(fēng)速測量精度≤1.5 m/s，風(fēng)向測量精度≤10°時，水平風(fēng)探測數(shù)據(jù)結(jié)果可信。

（2）對比分析了晴空、穩(wěn)定性降水和對流性降水等不同類型氣象條件下邊界層風(fēng)廓線雷達的測風(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)向測量精度要優(yōu)于穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣。降水出現(xiàn)前后環(huán)境大氣擾動較大是導(dǎo)致穩(wěn)定性降水和對流性降水天氣下測風(fēng)精度較差的原因。

（3）對聊城邊界層風(fēng)廓線雷達2016年3月1日—2017年2月28日共計7300時次的晴空觀測資料進行了測風(fēng)質(zhì)量評估，結(jié)果表明：150 m以下近地層高度的測風(fēng)質(zhì)量較差，與地雜波干擾較強有關(guān)；夏季有效探測高度最高可達6300 m，春秋季有效探測高度比較接近，分別約為2000 m和2500 m，冬季有效探測高度最低，僅為1100 m左右；四季測風(fēng)質(zhì)量評估達標高度分別為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)向標準差的波動是影響測風(fēng)質(zhì)量評估的重要因素。

本文主要從邊界層風(fēng)廓線雷達探測對象的角度即大氣的不均勻性方面進行了分析，給出了邊界層風(fēng)廓線雷達測風(fēng)精度的評估結(jié)果，目前還只是依據(jù)雷達自身探測數(shù)據(jù)進行的評估，還缺乏來自其它觀測資料的佐證。另外，為了使結(jié)論更加客觀準確，還應(yīng)分析更長時間的觀測數(shù)據(jù)。