名山站探空资料与风廓线雷达资料的对比分析

刘思佳 ,卢 萍 ,刘金卿 ,黄小梅 ,曾 波

（1.中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072；2.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；3.湖南省气象台，长沙 410118；4.中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广州 510641）

引言

风廓线雷达应用多普勒原理观测得到水平风廓线、垂直风速、大气稳定度等气象要素随高度的变化情况，能够无人值守并24小时不间断的提供高时空分辨率的高空探测资料[1−5]，是对常规业务探空的重要补充，为研究暴雨、冰雹、雷暴、大风等中小尺度天气系统造成的强对流天气的发生发展过程提供了可能[6−7]。然而由于杂波、晴雨和温压湿等因素干扰影响，导致风廓线雷达观测数据的稳定性和准确性有待提高[8]。评估风廓线雷达资料的质量，确定风廓线雷达资料在不同天气条件下对风速、风向的探测误差，就显得非常重要。目前研究通常以探空资料为标准，与风廓线雷达作对比获得两者测风的系统偏差[9]。李晨光等[10]、王欣等[11]和孙旭映等[12]通过对比分析风廓线雷达资料和探空资料，发现在对应高度上两者所得的垂直风场有较好一致性，200m高度以上风廓线资料的可信度较高。杨梅等[13]发现随着高度增加，探空风向与雷达风向的相关度明显降低，风速的相关变化不大。赵兴炳等[3]发现风廓线雷达资料在高海拔地区仍具有较高的可靠性。董保举等[14]指出不同天气条件下低空的数据获取率差异不大，高空阴雨天的数据获取率和探测高度均优于晴天。万蓉等[9]提出由于风廓线雷达与探空在探测原理和方法上存在差异，无法对数据进行严格的对比，只能对误差设置一个范围，认为风廓线雷达资料在该误差范围之内时是可靠的。魏东等[4]研究发现风廓线雷达资料与探空资料的热动力物理参量在冰雹、雷暴大风和短时暴雨等强对流天气中的表现基本一致。

四川省风廓线雷达网络已经比较成熟，但是目前风廓线雷达数据的利用率较低。与探空资料相比，风廓线雷达资料的时间分辨率高，各物理参量的变化特征明显，能更详细地描述强对流天气发生前后大气状态的变化，该资料对强对流天气过程预报和研究具有重要作用。为了在科学研究和业务预报中更好地使用风廓线雷达资料，就必须对风廓线雷达资料的质量进行评估。以往关于风廓线雷达资料与探空资料的对比分析多集中在水平风u、v分量标准偏差和相关性等方面，而对于长期风向频率统计和平均风速等方面的研究较少。本文以四川省雅安市名山站为例，选取2015～2017年6月21日～7月31日每日四个时次西南涡加密探空资料和风廓线雷达资料，对比分析两者在对流层低层风探测上的差别，重点研究不同高度、不同时次以及有无降水产生的差异，以期为有效利用雷达数据提升局地强对流天气预报水平提供科学依据。

1 资料与方法

如图1所示，本文所用研究数据均在四川省雅安市名山站（站号：56280，经纬度为103.12°E、30.08°N，海拔高度691m）获取，其中包括：（1）中国气象局成都高原气象研究所实施的西南涡加密观测大气科学试验[15−16]提供的每日四个时次（01:15、07:15、13:15、19:15）高分辨率探空资料（简称探空资料）；（2）风廓线雷达ROBS产品数据（简称风廓线雷达资料）；（3）逐时地面降水观测资料。所有数据均采用北京时，时间长度为2015～2017年6月21日～7月31日。

图1 名山站风廓线雷达地理位置

为保证数据的可比性，以探空资料为标准，选取与探空记录在时间和空间上匹配的雷达风廓线资料进行对比分析。据统计，在2015～2017年6月21日～7月31日期间，风廓线资料和探空资料共有304个时次完整对应。以小时降水量>0.1mm为分类依据，将数据分为两类：一类是在观测过程中有降水产生，有53个时次；另一类则是无降水产生，有251个时次。参考万蓉等[9]人的数据处理方法，分别通过时间平均和空间平均对观测资料的时间和高度层进行线性差值计算，使数据统一到相同的时间和高度层上。对水平风先分解为u、v分量，再进行内插，最后合成得出各高度上的风向和风速。为分析风廓线雷达与探空资料之间的偏差，采用平均误差、均方根误差对两者水平风资料进行诊断分析，公式如下：

其中D为平均误差，RMSE为均方根误差，Xi为风廓线雷达资料；Yi为探空资料，N为样本个数。

2 风廓线雷达水平风数据获取率分析

为了定量评估风廓线雷达的探测能力，对风廓线雷达资料进行数据获取率的统计。其定义为：各高度上，实际获取的有效数据量与应获得的数据总量之比[17]。图2为名山站风廓线雷达2015～2017年6月21日～7月31日平均的水平风数据获取率随高度的变化。从图中可以看到，0～3400m的数据获取率保持在0.95以上，值随高度变化不明显；3400m以上，数据获取率随高度增加而逐步减小，最低值约为0.58。根据已有研究[18]，定义有效数据获取率0.8对应的高度为风廓线雷达有效探测高度，名山站有效探测高度约为4200m。

图2 名山站风廓线雷达水平风数据获取率随高度的变化

3 探空资料和风廓线雷达资料的对比分析

3.1 平均风向和风速垂直廓线

为了直观地体现探空资料与风廓线雷达资料的差异情况，在不考虑有效探测高度、有无降水影响等因素的前提下，根据风廓线雷达探测最大高度，绘制了名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同时次探空资料和风廓线雷达资料在4.8km以下的廓线分布。图3是两种资料的平均风速差和风向差垂直廓线。图4和图5分别是两种资料的平均风速和风向垂直廓线。

图3 名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同时次探空资料和风廓线雷达资料的平均风速差（a）和风向差（b）垂直廓线（均为探空数据减去风廓线雷达数据）

结合图3a和图4发现，探空和风廓线雷达测得的风速在低层稳定在2.5～4m/s，之后随高度的增加而快速增大，其中风廓线雷达测得的风速大多大于探空测风；两种资料中的风场廓线形状总体来说比较接近，两者的风速相关性较好，仅在个别层次和时次有一定偏差，风速的偏差大小与风廓线风速大小存在正相关关系。就每天四个时次而言，风廓线雷达在01:15和07:15测得的风速与探空测风最为接近，4000m以下两者的风速绝对误差均<1m/s；在13:15和19:15，2500m以下风速绝对误差普遍<1m/s，而2500m以上风速绝对误差普遍>1m/s且随高度上升逐渐增大。根据上述分析，在01:15、07:15的3800m以下和13:15、19:15的2300m以下高度，两种资料的风速差值均<1m/s，已有研究[9]指出风廓线雷达资料与加密探空资料风速偏差在3m/s范围的样本为有效样本，说明上述层次和时次风廓线雷达资料的风速有效。朱丽娟[19]研究雷达数据误差也得出了与本文一致的结论，即随探测高度增加，误差增大且错误资料增多，其原因可能是由于风廓线雷达接收到的信号通常随高度的增加而衰减，这从根本上影响了风廓线雷达的探测高度。而中午和晚上名山地区下垫面温度变化明显，产生局地湍流，进而引发垂直运动[20]，也可能是导致雷达探测高层误差较大的原因之一。

图4 名山站2015～2017年6月21日～7月31日不同时次探空资料（黑）和风廓线雷达资料（红）的平均风速垂直廓线（a.01:15，b.07:15，c.13:15，d.19:15）

结合图3b和图5发现，在07:15，500～4500m的风向差均<30°，1200m以下的风向差<20°，1200m以上的风向差在20°～30°之间；低层存在冷平流，风向随高度的增加呈逆时针旋转趋势，由偏南风变为偏东风；在1500m附近存在暖平流，风向随高度的增加变为顺时针偏转，由偏东风转为偏南风；风廓线雷达对风向的转变更加敏感，在比探空资料低500m的高度上就能反映出风向变化；风向随高度的差值与风速呈相反变化，中高层较弱，而低层较强；需要特别指出的是，在01:15，1500m以下风廓线雷达与探空测得的风向差值均大于其他时次，可能是凌晨局地湍流的扰动影响较大导致。根据万蓉[9]的研究结论“风廓线雷达资料与加密探空资料风向偏差在20°以内的样本为有效样本”可知，早晨的风廓线雷达资料在低层可靠性较好，中高层较差，其余三个时次2500～4500m的风向差<20°的雷达资料较为可靠。

图5 同图4，但为平均风向

如图3所示，200m以下的风速偏差较大，500m以下的风向偏差较大，其主要原因可能是由于地物杂波和大气边界层湍流活动的共同影响[3,9]；而两种资料中4200m以上各个时次的风速差值没有明显的变化规律，这与上文分析得出的名山站有效探测高度为4200m相吻合。因此，下文中主要对500～4200m风廓线雷达资料与探空资料的差异进行分析。

3.2 风向频率

根据名山站2015～2017年6月21日～7月31日的探空和风廓线雷达资料，统计不同高度和不同时次的风向出现频次，分别绘制了主要高度层（500m、1500m、2500m、3500m）上四个时次的平均风频玫瑰图（图6）。如图所示，除01:15的500m高度外，两种资料反映出的主风向在其余时次和高度层上的观测结果一致性较好，主风向随高度的变化规律基本一致，其中3500m高度的一致性最好；主风向为偏东北风和偏西南风，在相同时次观测到的主风向从低层到高层由偏东北风变为偏西南风，这与3.1小节中得出的结论一致；值得注意的是，01:15和07:15的探空资料较风廓线雷达资料在500m高度对西风的敏感度更高。

图6 名山站2015～2017年6月21日～7月31日探空资料（红）和风廓线雷达资料（蓝）的平均风频玫瑰图（时次从上到下依次为01:15、07:15、13:15、19:15，高度从左到右依次为500m、1000m、2500m、3500m）

3.3 u、v风散点分布特征

散点分布图可以表征物理量之间的偏差情况，散点越集中于对角线，代表两个物理量之间的偏差越小。图7给出了名山站不同时次的500～4200m风廓线雷达资料U风（Ua）相对于探空资料U风（Ub）的散点分布。如图所示，U风散点分布的主要特征为沿对角线呈棒槌型，四个时次均存在严重偏离对角线的点，分布特征不尽相同；除了13:15以外，其余三个时次均在Ub=0m/s附近存在较多异常偏差点，多表现为较强西风（Ua>0）；19:15，U风散点分布的棒槌型特征并不显著，沿对角线分布不完全对称，明显偏向于Ua一侧，即Ua>Ub的情况偏多，说明风廓线雷达在夜间探测的U风分量相对探空资料存在明显的系统性正偏差。

图7 名山站不同时次的500～4200m风廓线雷达资料U风速（Ua）与探空资料U风速（Ub）的散点分布（a.01:15，b.07:15，c.13:15，d.19:15）

图8是名山站不同时次的500～4200m风廓线雷达资料V风（Va）相对于探空资料V风（Vb）的散点分布。如图所示，V风散点分布的主要特征也表现为基本沿对角线成棒槌型，四个时次均存在明显偏离对角线的点，但数量和偏离程度都远小于U风分量；除了13:15以外，其余三个时次也均在Vb=0m/s附近存在部分异常偏差。

图8 同图7，但为V风速

总的来看，风廓线雷达探测的V风质量优于U风，U风分量在Ub=0m/s附近存在异常偏差点的现象比V风分量显著，且该现象在四个时次中显著程度不尽相同，这与王叶红等[5]、朱立娟[19]的研究结论一致。

3.4 有无降水条件

为了具体研究在有无降水时风廓线雷达资料与探空资料风速和风向的差别，图9给出了有无降水条件下不同时次的两种资料中风速和风向的均方根误差垂直廓线。

如图9a～b所示，无降水时，风廓线雷达探测风速与探空之间的均方根误差随高度变化较小，四个时次均呈低层稳定、中层增大、高层混乱的变化特征；有降水时，风速均方根误差的变化在不同高度均波动较大。除19:15这一时次外，无降水时低层的风速均方根误差<3m/s，明显小于有降水时；有无降水条件下，中高层的风速均方根误差区别不大。在19:15这一时次，除极个别高度外，有降水时的风速均方根误差明显小于无降水时。在07:15这一时次，1750m是一个明显的分界点，在此高度以下无降水时的风速均方根误差小于有降水时，在此高度以上则相反。在07:15和13:15这两个时次的3800m以上，有降水时的风速均方根误差均小于无降水时，说明有降水产生时风廓线雷达探测高度更高，这与多项研究[10，18，21−22]得出“当有天气系统过境、高空水汽增加时，伴有探测高度明显增加现象，降水期间风廓线雷达水平风平均探测高度可以增加2km以上，降水强度与最大探测高度和增幅呈正相关”的结论基本一致。

如图9c～d所示，风廓线雷达探测的风向与探空之间均方根误差的变化与风速的表现完全相反，有无降水条件下均呈低层和中层逐渐减小、高层稳定的变化特征。无降水时，四个时次的风向均方根误差区别不大；除极个别高度外，风向均方根误差均<95°，其中01:15这一时次的风向均方根误差呈随高度减小的趋势，800m高度以下的风向均方根误差>110°。有降水时，不同高度的风向均方根误差波动较大，垂直方向上一致性较差，各个时次的变化规律都不一样。

4 结论与讨论

本文选取名山站2015～2017年6月21日～7月31日每日四个时次西南涡加密探空资料和风廓线雷达资料，对比分析两者在对流层低层风探测上的差别，重点研究不同高度、不同时次以及有无降水产生的差异，主要结论如下:

（1）名山站风廓线雷达资料有效探测高度约为4200m。0～3400m的数据获取率保持在0.95以上，随高度变化不明显；3400m以上，数据获取率随高度增加而逐步减小，最低值约为0.58。

（2）风廓线雷达和探空测得的风场廓线形状总体接近，两者的风速相关性较好，仅在个别层次和时次有一定偏差，风速的偏差大小与风廓线风速大小存在正相关关系，除去少数情况外风廓线雷达测得的风速均大于探空。两者风向差值随高度的变化规律与风速相反，在中高层较小，低层较大。07:15，风向在500～1200m高度为有效样本，其余三个时次在2500～4500m高度为有效样本。

（3）除01:15的500m高度外，风廓线雷达和探空测得的主风向在其余时次和高度上的观测结果一致性较好，主风向随高度的变化规律也基本一致，相同时次自低层到高层两者观测到的主风向由偏东北风变为偏西南风。

（4）U风和V风散点分布主要沿对角线呈棒槌型，在各时次均存在严重偏离对角线的点，V风的偏离点数量和偏离程度相对较小。除13:15外，其余三个时次均在Ub=0m/s附近存在较多异常偏差点，多表现为较强西风。在19:15，U风散点分布的棒槌型特征并不显著，沿对角线分布不完全对称，明显偏向于Ua一侧，说明风廓线雷达在夜间探测的U风分量相对探空资料存在明显的系统性正偏差。

（5）无降水时，风速均方根误差随高度变化较小，四个时次均呈低层稳定、中层增大、高层混乱的变化特征；有降水时，风速均方根误差的变化在不同高度均波动较大。在07:15和13:15，有降水时风廓线雷达探测高度更高；在19:15，除了极个别高度外，有降水时风速均方根误差明显小于无降水时。风向均方根误差的变化与风速的完全相反，有无降水时均呈低层和中层逐渐减小、高层稳定的变化趋势。无降水时，四个时次的风向均方根误差区别不大。有降水时，不同高度的风向均方根误差波动较大，垂直方向上一致性较差，各个时次的变化规律都不一样。

风廓线雷达探测的准确性受多方面因素影响，由于探空仪和风廓线雷达探测原理不同，探测目标在空间上存在一定偏差，本研究仅针对名山站2015～2017年6月21日～7月31日风廓线雷达资料进行分析，所得出的结论尚不全面，还有待进一步采集更多数据进行深入研究。