边界层风廓线雷达测风精度分析

吕 博，纪凡华，孙青然，李 楠，刘奇奇

（聊城市气象局，山东 聊城252000）

风廓线雷达（Wind Profiler Radar）作为一种新型的测风雷达，能够提供高时空分辨率的大气水平风速、风向和垂直速度等风场信息，与常规的气球测风相比，风廓线雷达在探测精度、垂直空间分辨率和探测时间分辨率等方面有着巨大的优势。目前风廓线雷达已在全球范围内广泛进入业务化应用阶段，我国也在进行风廓线雷达观测网的建设。鲁西北地区首部边界层风廓线雷达（CLC-11-D）于2015年11月顺利通过验收，目前已进入业务试运行阶段。为了解该型雷达观测资料的质量状况，更好地应用于边界层风场观测和预报预测等业务，对其探测数据的准确性进行深入分析是十分必要的。

国外从20世纪90年代开始相关研究，美国科学家Strauch等[1]利用风廓线雷达观测资料分析了晴空大气条件下风廓线雷达探测的准确性，得到晴空条件下的测风精度约为1.3 m·s-1，垂直速度较大时必须考虑垂直运动的影响；Wuertz等[2]利用UHF风廓线雷达观测的典型降水数据分析了风廓线雷达在降水条件下观测的准确性；McDonald等[3]对降水数据的垂直信号功率、垂直信号谱宽和信噪比进行了分析。国内学者在这方面也进行了大量地研究，阮征等[4]利用风廓线雷达对降水云体的结构进行了深入的研究；刘梦娟等[5]利用2014年6月美国国家环境预报中心（NCEP）的全球模式分析资料，对上海及周边地区组网的7部边界层风廓线雷达的水平测风数据进行了初步分析和比较，发现上海组网风廓线雷达测风资料质量与探空观测水平接近，有较高的可用性；孔照林等[6]利用浙江7部风廓线雷达探测资料，进行了不同相态降水粒子下落末速度的数据分析，得到了不同降水相态的下落速度阈值。贺文煌等[7-9]利用对流层风廓线雷达和GPS移动探空资料，以GPS探空观测值为参考，对对流层风廓线雷达的观测质量进行对比分析。

本文首先对该型风廓线雷达分别在晴空、稳定性降水和对流性降水条件下观测到的数据进行统计分析，看其是否符合风向误差≤10°，风速误差≤1.5 m/s的探测规范要求，其次对该型雷达春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月）各高度层的晴空观测数据进行了测风质量评估。

1 CLC-11-D型风廓线雷达简介及资料来源

1.1 CLC-11-D型风廓线雷达性能参数

本文数据来自布设在聊城市气象局的CLC-11-D型边界层风廓线雷达，该型雷达使用5波束进行观测，即垂直指向天顶波束以及东、西、南、北各偏离天顶角15°的4个斜波束，该雷达的主要技术参数见表1。

表1 CLC-11-D型边界层风廓线雷达主要技术参数和观测参数

聊城边界层风廓线雷达探测模式分为低探测模式（以下简称低模式，该模式下风廓线雷达探测高度范围100～3100 m，垂直高度分辨率60 m）、中探测模式（以下简称中模式，该模式下探测高度范围100～6100 m，垂直高度分辨率达到120 m）和高探测模式（以下简称高模式，该模式下探测高度范围100～12 100 m，垂直间隔为240 m），风廓线雷达每6 min获得一份5波束探测到的由低模式、中模式以及高模式组成的数据文件。

1.2 资料来源

对2016年3月1日—2017年2月28日期间的观测资料进行统计，将数据分为3大类：晴空数据，稳定性降水数据和对流性降水数据，降水数据样本延伸至降水前后1 h，挑选出8次稳定性降水过程和5次对流性降水过程，文中对共计7300个时次的晴空、1220个时次的稳定性降水过程和910个时次的对流性降水过程的资料分别进行了分析。

2 分析方法

CLC-11-D型风廓线雷达以5波束（东、南、西和北指向的斜波束以及一个垂直指向天顶的垂直波束）进行观测。对斜波束所测得的径向速度而言，在垂直速度水平均匀假设条件下，利用垂直波束所得的径向速度将垂直风和降水所带来的垂直分量的贡献去除，即可得到水平风分量[10]。计算如下：

其中，u和v分别代表东西风分量和南北风分量，VRE、VRW、VRS、VRN、VRZ分别为东、西、南、北、天顶 5 个方向波束获得的径向风，θ为斜波束天顶角（15°）。按照风廓线雷达观测规范，朝向雷达的径向风为正，东西水平风分量中取西风为正，南北水平风分量中取南风为正，垂直风向取向下的方向为正。由公式（1）可以得到：

进而可以推导出4组水平风速vh和风向φh：

根据公式（3）得到4组水平风速和水平风向值，分别计算其标准差δv和δφ，理想情况下4组水平风速和水平风向值应分别相等，此时δv和δφ为0，但由于径向速度测量误差的影响，会导致uW和uE，vS和vN之间的差异，通过对δv和δφ进行统计分析就可以评估风廓线雷达的测风精度。

3 结果分析

3.1 不同类型气象条件下测风精度分析

图1为低模式、中模式和高模式下不同类型天气数据（晴空、稳定性降水和对流性降水）水平风速和水平风向的标准差分布频数图，其中x轴表示水平风速、风向标准差值的划分范围（刻度值“＜2.5”表示 2 m/s＜水平风速标准差 δv≤2.5 m/s，刻度值“＜30”表示25°＜水平风向标准差 δφ≤30°，其它依次类推）；y轴表示不同类型降水条件下相应标准差范围占总样本的百分比。可以看出，在低模式下3类天气数据（晴空、稳定性降水和对流性降水）δv≤1.5 m/s所占百分比分别为 52%，21%，14%；δv≤1.0 m/s所占百分比分别为41%，7%，6%；在中模式下，δv≤1.5 m/s所占百分比分别为44%，10%，5%；而在高模式下δv≤1.5 m/s所占百分比分别为39%，12%，8%。表明在各类观测模式下边界层风廓线雷达对晴空的风速测量精度都要优于稳定性降水和对流性降水天气；同时对晴空探测数据来说，低模式下的风速测量精度较高，优于中模式和高模式。

由图1可以看出，低模式下3类天气数据（晴空、稳定性降水和对流性降水）δφ≤15°所占百分比分别为 63%，36%，25%；δφ≤10 °所占百分比分别为49%，20%，14%。中模式下3类天气数据δφ≤15°所占百分比分别为 43%，27%，20%；δφ≤10 °所占百分比分别为38%，18%，15%。高模式下3类天气数据δφ≤15 °所占百分比分别为 46%，27%，21%；δφ≤10 °所占百分比分别为36%，14%，12%。不难发现，3种观测模式下风廓线雷达对晴空探测的风向测量精度都是最高，而对稳定性降水与对流性降水过程的风向测量精度较差，其中稳定性降水稍优于对流性降水过程；对晴空探测数据而言，低模式下的风向测量精度要高于中模式和高模式。

图1 不同探测模式下水平风速、水平风向标准差分布频数

降水出现前后环境大气扰动较大是导致稳定性降水和对流性降水天气下风廓线雷达风速和风向测量精度较差的主要原因。

3.2 各高度层测风质量评估

根据我国风廓线雷达功能需求设计规范[11]，要求边界层风廓线雷达风速测量精度≤1.5 m/s，风向测量精度≤10°，同时由三种探测模式下不同类型天气数据测风精度分析的结果可知，该型边界层风廓线雷达对晴空数据的风向和风速的测量精度最高，本文利用4组水平风速和水平风向计算出的标准差对该型边界层风廓线雷达观测的晴空数据进行了质量评估。为使各高度层的测风评估更量化直观，特制定边界层风廓线雷达数据测风质量等级评估阈值（表 2）。

对共计7300时次的晴空数据按照四季进行了划分：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）和冬季（12—2月），分别对其测风质量进行评估，评估结果见图2。

由图2可以看出，150 m以下的水平风数据评分多在2分以下，这是由于雷达布设地点周围地物对信号造成了污染，使数据可信度下降，难以通过质量控制，造成低空探测缺测较严重[12]。

表2 边界层风廓线雷达测风评估等级

从有效探测高度来看，春季平均有效探测高度约2000 m，夏季平均有效探测高度可达6300 m，秋季平均有效探测高度为2500 m左右，而冬季平均有效探测高度则降至1100 m左右。这与雷达所在地的气候背景有关，聊城地处鲁西平原，属半干旱大陆性气候，春季干旱多风、夏季湿热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷干燥，而由风廓线雷达的探测原理可知，大气中的水汽含量能够直接影响雷达的探测性能，通常湿度愈大对雷达探测愈有利，因为潮湿空气的反射系数变化更大，有利于风廓线雷达的信号接收[13]。

从质量评估达标区域（评分值＞6分）来看，春季达标区域为900 m左右，900 m以上高度评分多在4分以下，这与春季气候干燥多风影响风廓线雷达的信号获取，且水平风速与风向标准差波动较大有关；夏季由于大气环境湿度较大，风廓线雷达有效探测高度增加的同时，质量达标高度也达到了4000 m左右，4000 m以上的高度数据缺测较多且水平风速、风向标准差的变化较为复杂，导致评分较低；秋季有效探测高度虽与春季较为接近，但评估达标区域要高于春季，可达2200 m左右；冬季寒冷干燥，有效探测高度为四季中最低，但由于冬季聊城多静稳天气，水平风速和风向标准差波动非常小，故在150 m以上的有效探测高度内评分大多高于8分，甚至500～700 m之间的评分达到了10分。

4 结论

（1）利用CLC-11-D型边界层风廓线雷达的5波束观测数据构造出4组水平风速和水平风向，进而得出可描述垂直波束空间内大气运动不均匀性的水平风速和水平风向标准差。当风速测量精度≤1.5 m/s，风向测量精度≤10°时，水平风探测数据结果可信。

（2）对比分析了晴空、稳定性降水和对流性降水等不同类型气象条件下边界层风廓线雷达的测风精度，发现在晴空条件下大气均匀稳定，水平风速和风向测量精度要优于稳定性降水和对流性降水天气。降水出现前后环境大气扰动较大是导致稳定性降水和对流性降水天气下测风精度较差的原因。

（3）对聊城边界层风廓线雷达2016年3月1日—2017年2月28日共计7300时次的晴空观测资料进行了测风质量评估，结果表明：150 m以下近地层高度的测风质量较差，与地杂波干扰较强有关；夏季有效探测高度最高可达6300 m，春秋季有效探测高度比较接近，分别约为2000 m和2500 m，冬季有效探测高度最低，仅为1100 m左右；四季测风质量评估达标高度分别为900、4000、2200 m和1100 m。大气环境的湿度条件和水平风速、风向标准差的波动是影响测风质量评估的重要因素。

本文主要从边界层风廓线雷达探测对象的角度即大气的不均匀性方面进行了分析，给出了边界层风廓线雷达测风精度的评估结果，目前还只是依据雷达自身探测数据进行的评估，还缺乏来自其它观测资料的佐证。另外，为了使结论更加客观准确，还应分析更长时间的观测数据。