祁凱 吳林林 張慶奎

(1 安徽省阜陽(yáng)市氣象局，安徽 阜陽(yáng) 236000；2 安徽省人工影響天氣辦公室，合肥 230000)

引 言

多普勒天氣雷達(dá)能夠測(cè)量其探測(cè)范圍內(nèi)任意點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度，通過(guò)速度方位顯示(Velocity Azimuth Display，VAD)算法[1-4]可以計(jì)算出風(fēng)的垂直廓線(Vertical Wind Profile，VWP)，由于算法的固有誤差和多普勒雷達(dá)探測(cè)的自身局限，如果少于25個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)或者均方根誤差超過(guò)5 m·s-1時(shí)，就沒(méi)有測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，所以VWP產(chǎn)品的可靠性和適用范圍仍是一個(gè)值得研究的課題[5-6]。

L波段雷達(dá)通過(guò)跟蹤自由上升探空氣球攜帶的探空儀，測(cè)得每秒鐘探空儀相對(duì)雷達(dá)的仰角、方位和斜距，然后根據(jù)氣球在某時(shí)段內(nèi)的位置變化，計(jì)算出相應(yīng)大氣層中的平均風(fēng)向風(fēng)速[7]；而多普勒雷達(dá)VAD風(fēng)測(cè)量的是以雷達(dá)為中心半徑30 km左右的平均風(fēng)[8]，且時(shí)間經(jīng)過(guò)一定的平滑處理，測(cè)風(fēng)原理不同會(huì)使兩者之間產(chǎn)生測(cè)風(fēng)偏差。由于長(zhǎng)期以來(lái)業(yè)務(wù)上以探空測(cè)風(fēng)作為高空風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)[9]，因此依據(jù)L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)檢驗(yàn)與多普勒雷達(dá)VAD方法反演風(fēng)之間的差距，對(duì)比分析兩者測(cè)風(fēng)的系統(tǒng)偏差。楊梅等[10]利用2002—2005年4—6月37次多普勒雷達(dá)風(fēng)廓線資料與探空資料進(jìn)行相關(guān)性分析，得出兩者具有較好的相關(guān)性。黃祖輝等[11]以一次天氣過(guò)程為例分析多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)的測(cè)風(fēng)誤差，討論了誤差的來(lái)源。裴麗絲等[12]利用2004—2007年的天氣雷達(dá)風(fēng)廓線資料和利用其他探空站通過(guò)多項(xiàng)式插值法計(jì)算得到本地探空資料進(jìn)行相關(guān)性分析。薛雙青等[13]利用15個(gè)相近的雷達(dá)站與探空站2009年6月的資料進(jìn)行偏差分析，得到風(fēng)向偏差為23.0%，風(fēng)速偏差為51.6%。以上分析的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)樣本都較少，或通過(guò)插值計(jì)算出測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，也僅進(jìn)行了相關(guān)性和偏差分析，對(duì)兩者測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)差異的系統(tǒng)性分析依然不夠。本文采用2012—2017年阜陽(yáng)多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)風(fēng)廓線資料進(jìn)行相關(guān)性和誤差分析，將兩者測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)在不同高度、不同天氣過(guò)程、不同速度區(qū)間和不同季節(jié)的方法進(jìn)行對(duì)比，分析誤差原因，檢驗(yàn)多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)的系統(tǒng)性偏差。

1 測(cè)風(fēng)資料的選取與匹配

1.1 多普勒雷達(dá)和L波段雷達(dá)站點(diǎn)選取

為了保證檢驗(yàn)資料可靠性，站點(diǎn)選取盡量滿足相同位置、相同時(shí)間、相同高度的原則[13]。相同位置：本研究選擇的資料來(lái)源于阜陽(yáng)國(guó)家高空氣象觀測(cè)站和阜陽(yáng)多普勒雷達(dá)站，兩者相距8 km，間距小于30 km。相同時(shí)間：阜陽(yáng)高空站每天觀測(cè)時(shí)間為07時(shí)15分(北京時(shí)，下同)和19時(shí)15分，而多普勒雷達(dá)的資料每6 min一組數(shù)據(jù)，將對(duì)比測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)采用靠近法進(jìn)行匹配時(shí)，兩者在同一測(cè)風(fēng)高度的時(shí)間盡量保持一致(時(shí)間差閾值后面作具體分析)。相同高度：阜陽(yáng)L波段雷達(dá)天線海拔高度為44 m，阜陽(yáng)多普勒雷達(dá)天線的海拔高度為67 m，高度差較小。綜上所述，選取阜陽(yáng)探空站和多普勒雷達(dá)站基本滿足對(duì)比要求。

1.2 測(cè)風(fēng)資料的匹配

通過(guò)探空業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理軟件導(dǎo)出阜陽(yáng)高空氣象觀測(cè)站2012—2017年測(cè)風(fēng)秒數(shù)據(jù)，包含全部對(duì)比高度層的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)測(cè)風(fēng)時(shí)間(精確到秒)。對(duì)阜陽(yáng)S波段多普勒雷達(dá)2012—2017年VWP原始風(fēng)廓線數(shù)據(jù)讀取，獲取在固定高度層(30層)的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)。將獲取的多普勒雷達(dá)VWP數(shù)據(jù)在某一高度上(0.3～15.2 km)的風(fēng)向風(fēng)速與L波段雷達(dá)測(cè)得同一高度的風(fēng)向風(fēng)速按時(shí)間因子匹配。由于多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)為每6 min一組，兩者同一高度的測(cè)風(fēng)時(shí)間不能完全一致；測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)匹配的規(guī)則按照時(shí)間差小于設(shè)定的閾值，從表1可以看出不同時(shí)間差匹配的數(shù)據(jù)對(duì)樣本數(shù)量影響較大，對(duì)分析結(jié)果影響較小，故這里選擇的匹配時(shí)間差閾值為3 min，在不影響對(duì)比結(jié)果的情況下可以獲得更多的對(duì)比樣本。

2 測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1 未剔除與剔除較大偏差測(cè)風(fēng)對(duì)比

當(dāng)兩者風(fēng)向方位角區(qū)間越過(guò)0°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)向差值絕對(duì)值大于180°的情況，會(huì)嚴(yán)重影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果(例如風(fēng)向分別為359°和1°的差值為358°，與實(shí)際2°的差值差距較大)，故在匹配時(shí)作剔除處理[12]，其剔除率為3.2%。通過(guò)上述方法匹配的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)對(duì)還存在一些較大偏差的離群值，Weber，et al[14]、吳蕾等[15]、王棟成等[16]在測(cè)風(fēng)對(duì)比中將誤差閾值確定為“三倍標(biāo)準(zhǔn)差”，將大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)作剔除處理。由于獲取的L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)資料是未經(jīng)過(guò)氣象資料業(yè)務(wù)系統(tǒng)質(zhì)控的原始探空數(shù)據(jù)，其測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)會(huì)由于雷達(dá)旁瓣跟蹤、探空儀回答信號(hào)弱、頻率失諧、電磁干擾和雷達(dá)故障等多種原因引起測(cè)風(fēng)斜距不能正常跟蹤[17]，導(dǎo)致部分測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大偏差和疑誤數(shù)據(jù)；并且獲取的多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)是通過(guò)PUP軟件回放雷達(dá)原始基數(shù)據(jù)得到的垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品，其中包含非線性風(fēng)場(chǎng)、速度模糊數(shù)據(jù)、基數(shù)據(jù)含有超折射回波和噪聲干擾等數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致垂直風(fēng)廓線產(chǎn)品出現(xiàn)較大誤差，這些較大偏差和疑誤數(shù)據(jù)不能反映多普勒雷達(dá)和L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)的系統(tǒng)誤差，故在匹配兩者風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)，將差值大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)作剔除處理，下文中沒(méi)有標(biāo)注未剔除的圖表默認(rèn)為剔除的測(cè)風(fēng)對(duì)比。經(jīng)過(guò)剔除后分別獲得有效風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)比數(shù)據(jù)為15 513對(duì)，其剔除率為3.58%。經(jīng)計(jì)算剔除部分的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，其風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差為97.07°，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為10.59 m·s-1，多普勒雷達(dá)風(fēng)速平均值為6.36 m·s-1，L波段雷達(dá)風(fēng)速平均值為10.55 m·s-1。

將未剔除和剔除大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分別繪制散點(diǎn)密度如圖1所示，剔除后風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別從0.95和0.90提高到0.97和0.94；風(fēng)向、風(fēng)速平均差分別由15.78°和2.23 m·s-1降低到13.15°和2.03 m·s-1，風(fēng)向和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差分別從27.05°和3.34 m·s-1降低到19.5°和2.65 m·s-1；平均差和標(biāo)準(zhǔn)差明顯降低是由于剔除了較大誤差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，剔除后得到的差值主要是由于兩者測(cè)風(fēng)原理不同和測(cè)量誤差造成的。

圖1 (a、b)未剔除三倍標(biāo)準(zhǔn)差和(c、d)剔除三倍標(biāo)準(zhǔn)差風(fēng)向和風(fēng)速散點(diǎn)密度:(a、c)風(fēng)向(單位: °);(b、d)風(fēng)速(單位: m·s-1)

2.2 按高度變化測(cè)風(fēng)對(duì)比

由圖2a可以看出，兩者風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差在7 km以下隨高度增加呈降低趨勢(shì)，在7 km左右標(biāo)準(zhǔn)差最小，8 km以上有小幅度增加趨勢(shì)。主要原因是由于大氣高層比近地層較為穩(wěn)定均勻，隨著高度升高和風(fēng)速增大，L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)精度也會(huì)降低[18](表2)，并且隨著探空氣球的水平漂移距離增大(華東地區(qū)探空氣球上升高度達(dá)到12 km左右時(shí)水平漂移距離在冬季會(huì)超過(guò)30 km)[19]，導(dǎo)致兩者測(cè)風(fēng)采樣時(shí)空差異增大，故在8 km以上風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差增大。如圖2b所示，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨著高度的增高呈增大趨勢(shì)，主要是由于隨著高度的增高風(fēng)速值增大，L波段雷達(dá)的測(cè)風(fēng)誤差增大，并且隨著探空氣球水平漂移距離增大，兩者測(cè)風(fēng)采樣時(shí)空差異也增大，導(dǎo)致其標(biāo)準(zhǔn)差增大；風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在10 km以下均值為2.58 m·s-1，10 km以上均值為3.41 m·s-1。

圖2 (a)風(fēng)向和(b)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨高度變化(風(fēng)向單位: °; 風(fēng)速單位: m·s-1)

表2 L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)精度

如圖3a所示，風(fēng)速差值隨高度增加呈遞增趨勢(shì)，總體風(fēng)速差值平均為2.21 m·s-1。風(fēng)速相對(duì)偏差在8 km以下呈遞減趨勢(shì)，8 km以上呈遞增趨勢(shì)，在8 km左右差值最低，總體風(fēng)速相對(duì)偏差平均為24.48%。由圖3b可知，風(fēng)向具有較好的相關(guān)性，風(fēng)向相關(guān)系數(shù)均較高且隨高度變化幅度較小，其均值為0.97。風(fēng)速相關(guān)系數(shù)隨高度增加基本呈增大趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)除近地面偏低以外，其他高度相關(guān)系數(shù)均較高，均值為0.94。主要原因是近地面受中小尺度擾動(dòng)或下墊面影響較大，多普勒雷達(dá)VAD算法計(jì)算的平均風(fēng)與實(shí)際風(fēng)存在較大誤差[20-21]，導(dǎo)致近地面風(fēng)速相關(guān)系數(shù)偏低。

圖3 (a)風(fēng)速差值和相對(duì)偏差與(b)風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)系數(shù)隨高度變化

2.3 測(cè)風(fēng)對(duì)比差值分布

風(fēng)向和風(fēng)速差值直方分布(圖4)表明，多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)的風(fēng)向、風(fēng)速差值分布基本呈正態(tài)分布，風(fēng)向和風(fēng)速差值分布與正態(tài)分布的擬合度分別達(dá)到97%和94%。多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)風(fēng)向風(fēng)速總體差值平均分別為-0.48°和-0.72 m·s-1，總體上多普勒雷達(dá)風(fēng)速小于L波段雷達(dá)，其中風(fēng)向差值91%集中在-30°～30°，風(fēng)速差值90%集中在-4～4 m·s-1。

圖4 (a)風(fēng)向和(b)風(fēng)速差值分布直方分布

2.4 按風(fēng)速分組測(cè)風(fēng)對(duì)比

將測(cè)風(fēng)按風(fēng)速大小分成4組分別計(jì)算兩者相關(guān)系數(shù)、平均差和標(biāo)準(zhǔn)差，如表3所示。風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在風(fēng)速大于30 m·s-1時(shí)偏低，其他速度區(qū)間均較高；風(fēng)向平均差和標(biāo)準(zhǔn)差隨風(fēng)速增大顯著減小。風(fēng)速相關(guān)系數(shù)隨著風(fēng)速增加相關(guān)系數(shù)呈增大趨勢(shì)；風(fēng)速平均差隨速度增加也呈增大趨勢(shì)，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在小于10 m·s-1時(shí)最低，其他速度區(qū)間均偏高。

表3 按風(fēng)速分組多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)測(cè)風(fēng)對(duì)比

2.5 按降水與非降水分組測(cè)風(fēng)對(duì)比

依據(jù)阜陽(yáng)國(guó)家基本氣象站2012—2017年每日累積小時(shí)降水量(基本氣象站與多普勒雷達(dá)站直線距離500 m)，將匹配的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)分為降水和非降水時(shí)段分別進(jìn)行對(duì)比。由表4可知，風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)系數(shù)在非降水期間略有降低；風(fēng)向在降水期間的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差比非降水期間分別偏低21.7%和19.3%；風(fēng)速在降水期間的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差比非降水期間的分別偏低16.3%和16.4%。

表4 按降水與非降水分組測(cè)風(fēng)對(duì)比

2.6 按季節(jié)分組測(cè)風(fēng)對(duì)比

將剔除和未剔除大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)季節(jié)分布如圖5所示，可見(jiàn)，風(fēng)向和風(fēng)速的四季相關(guān)系數(shù)均較高，其變化趨勢(shì)不明顯，剔除較大偏差數(shù)據(jù)后風(fēng)向和風(fēng)速相關(guān)系數(shù)略有增加。風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差在春、冬季較低，在夏、秋季較高，在剔除大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)后總體風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差平均減少7.55°；風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在夏季最低，剔除大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)后總體風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差平均減少0.59 m·s-1。

圖5 按季節(jié)分組測(cè)風(fēng)對(duì)比:(a)風(fēng)向相關(guān)系數(shù);(b)風(fēng)速相關(guān)系數(shù);(c)風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差(單位: °);(d)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差(單位: m·s-1)

3 結(jié)論

(1)為了更真實(shí)的反應(yīng)多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)的系統(tǒng)偏差，不受疑誤和較大偏差數(shù)據(jù)的影響，將差值大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)剔除后，得到多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)風(fēng)向、風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.97和0.94，平均差分別為13.15°和2.03 m·s-1，標(biāo)準(zhǔn)差分別為19.5°和2.65 m·s-1。其中相關(guān)系數(shù)優(yōu)于楊梅等[10](風(fēng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.75)、裴麗絲等[12](風(fēng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)分別為0.787和0.788)和薛雙青等[13](風(fēng)速相關(guān)系數(shù)0.61)的計(jì)算結(jié)果。

(2)風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差在7 km以下呈遞減趨勢(shì)，8 km以上有小幅增加趨勢(shì)。風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差隨高度增高呈增大趨勢(shì)，風(fēng)速差值隨高度增加呈遞增趨勢(shì)，總體風(fēng)速差值平均為2.21 m·s-1。風(fēng)速相對(duì)偏差在8 km以呈遞減趨勢(shì)，8 km以上呈遞增趨勢(shì)，在8 km左右達(dá)到最低，總體風(fēng)速平均相對(duì)偏差為24.48%，低于薛雙青等[13]計(jì)算的15個(gè)站點(diǎn)總體風(fēng)速平均相對(duì)偏差51.6%和阜陽(yáng)單站相對(duì)偏差36.2%；其中風(fēng)速差值隨高度變化趨勢(shì)與裴麗絲等[12]計(jì)算結(jié)果基本一致。

(3)多普勒雷達(dá)與L波段雷達(dá)的風(fēng)向與風(fēng)速總體差值平均分別為-0.48°和-0.72 m·s-1總體上多普勒雷達(dá)風(fēng)速小于L波段雷達(dá)，與薛雙青等[13]分析結(jié)果一致。

(4)風(fēng)向平均差和標(biāo)準(zhǔn)差隨風(fēng)速增大顯著減?。伙L(fēng)速平均差隨速度增加呈增大趨勢(shì)，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差在小于10 m·s-1時(shí)最低為2.36 m·s-1，其他速度區(qū)間均偏高。

(5)多普勒雷達(dá)VAD風(fēng)廓線數(shù)據(jù)在降水期間的測(cè)風(fēng)偏差小于非降水。風(fēng)向在降水期間的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差比非降水分別偏低21.7%和19.3%；風(fēng)速在降水期間的平均差和標(biāo)準(zhǔn)差比非降水期間的分別偏低16.3%和16.4%。