风廓线雷达资料与NCEP再分析资料对比分析

董丽萍，吴 蕾,2

（1．成都信息工程学院 电子工程学院 ，四川 成都 6102252；2．中国气象局气象探测中心 北京 100081）

风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品，其基本数据产品有水平风廓线、垂直风廓线以及反映大气湍流状况的折射率结构常数Cn2廓线等[1]。

风廓线雷达的探测方式为连续的无人值守的遥感方式，其观测资料不但种类多，而且具有很高的时间和空间分辨率。时间分辨率一般为5～6分钟，空间高度分辨率一般为几十米到一百米左右，这是其他探测手段很难达到的高时空分辨率。这种探测优势和资料特点为其进入数值预报模式带来极大方便，并对天气发生发展机理的认识、精细化天气预报质量的提高产生明显效果[2-5]。目前天气预报使用的高空观测数据主要来自间距100～200 km、每天两次的常规探空，风廓线雷达资料是除探空资料之外高空风资料最直接的来源，可以弥补高空探测网时空密度上的不足，提供时间和高度分辨率都非常高的水平风垂直廓线和垂直速度廓线，是加强对灾害性天气监测的能力的重要手段，是提高数值天气预报模式质量的重要手段。

为了满足数值预报和天气预报业务对风廓线雷达网的需求，充分了解和分析风廓线雷达探测资料的可信度显得非常重要。国内外对此做了很多研究，主要都以L波段探空雷达资料为标准对风廓线雷达探测资料做评估。

有研究表明，由于风廓线雷达与探空雷达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[6]，所以本文在对风廓线雷达测得的水平风做可信度分析时采用NCEP1o×1o再分析资料，在经、纬度和海拔高度3个方向上分别做插值处理，将风廓线雷达资料与NCEP1o×1o再分析资料在空间上严格对应，得出相应的结论。

1 数据来源

文中利用NCEP1o×1o的每6小时的零场资料分别与边界层风廓线雷达（LC）、对流层I型风廓线雷达（PA）和对流层II型风廓线雷达（PB）这3种不同类型的风廓线雷达探测到的水平风资料作对比，对风廓线雷达探测到的水平风资料质量进行评估。数据采用2013年3月和7月这两个月投入业务使用的全国风廓线雷达08时水平风资料和同时间的NCEP再分析零场资料。风廓线雷达资料均采用水平风可信度为100%的一小时平均数据，NCEP再分析资料采用每6小时一次的FNL 1o×1o的零场资料，且考虑到地杂波等因素的影响，在分析时舍弃500 m高度以下的数据。

文中只对NCEP再分析资料中水平风与风廓线雷达探测到的水平风进行对比，由于FNL文件中包含多种气象信息，所以在做对比之前要对FNL文件进行处理，提取出水平风信息。首先通过GrADS软件对FNL文件解码，将其转换成二进制文件，然后从中提取出水平风数据。这里的水平风为1o×1o的格点数据，为了能更好的与风廓线雷达探测到的水平风作对比，减少不必要的误差，本文分别在水平（对经度和纬度分别做插值）和垂直高度方向对其进行插值处理，对应到风廓线雷达站点所在的经纬度和水平风所在的高度上。

2 对比分析

2.1 边界层风廓线雷达（LC）

图1是2013年3月和7月全国边界层风廓线雷达探测到的水平风的u、v分量与经过插值处理后的FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图。从3月u、v分量的对比图中可以看出两种探测资料的u分量和v分量都集中在y=x这条线上，只有极少数的数据存在较大偏差，说明u分量和v分量的一致性都比较好。同3月份一样，将2013年7月份全国边界层风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与NCEP再分析资料的水平风u、v分量分别作散点图进行分析。可以看出两种资料的u分量和v分量都具有较好的一致性，整体来看，3月份两种资料的一致性比7月份的好。

图1 2013年3月和7月边界层风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量对比图Fig. 1 Scatter diagram of horizontal wind u、v components respectively detected by boundary layer wind profiler radars and got from NCEP reanalysis data in March and July 2013

以上是对两种资料u、v分量比较直观的对比，为了对风廓线雷达探测到的水平风资料可信度有一个定量分析，下面对两种资料u、v分量的偏差做统计分析。根据前人所做的研究[7-8]，本文取两种资料的u、v分量偏差在2.5 m/s以内为有效值。表1是2013年3月和7月两个月边界层风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度上的分布情况。通过计算分析得出：0～4 km高度之间两种资料的u分量和v分量的偏差在2.5 m/s以内所占的比例分别为68%和70.3%，4 km以上探测资料非常少，特别是6 km以上几乎没有数据，4～8 km高度之间两种资料的u分量和v分量的偏差在2.5 m/s以内所占的比例分别为47.8%和57%。

表1 边界层风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度的分布Tab. 1 Deviation of horizontal wind u、v components respectively detected by boundary layer wind profiler radars and got from NCEP reanalysis data

2.2 对流层I型风廓线雷达（PA）

图2（上）是2 0 1 3年3月对流层I型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图，图2（下）是2 0 1 3年7月对流层I型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图。由于目前投入业务使用的只有广州萝岗一部对流层I型风廓线雷达，所以探测资料较少。从这两组图可以看出：2 0 1 3年3月对流层I型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的一致性非常好，都集中于y=x这条线；2 0 1 3年7月对流层I型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的一致性也比较好，相对于7月，3月的一致性更好。

图2 2013年3月和7月对流层I型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量对比图Fig. 2 Scatter diagram of horizontal wind u, v components respectively detected by tropospheric wind profiler radar type I and got from NCEP reanalysis data in March and July 2013

表2是2013年3月和7月两个月对流层I型风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度上的分布情况。从表中可以看出，两种资料中水平风u分量的偏差小于2.5 m/s所占的比例高达92.3%，而v分量在2～4 km和4～6 km高度层上偏差小于2.5 m/s的数据占的比例较小，分别为54.8%和48.0%，总体情况较好。

表2 对流层I型风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度的分布Tab. 2 Deviation of horizontal wind u、v components respectively detected by tropospheric wind profiler radar type I and got from NCEP reanalysis data

2.3 对流层II型风廓线雷达（PB）

图3（上）是2013年3月对流层II型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图，从图中可以看出，u分量出现很大的偏差，分析其原因是广东湛江风廓线雷达探测到的水平风的风速偏小。将广东湛江的数据去除之后得到的对流层II型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图如图4所示，发现u分量和v分量的一致性都比较好。图3（下）是2013年7月对流层II型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的散点图，可以看出：对流层II型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与FNL零场资料中水平风u、v分量的一致性比较好。

图3 2013年3月和7月对流层II型风廓线雷达探测到的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量对比图Fig. 3 Scatter diagram of horizontal wind u, v components respectively detected by tropospheric wind profiler radar type II and got from NCEP reanalysis data in March and July 2013

图4 去除广东湛江数据之后3月u、v分量散点图Fig. 4 Scatter gram show u, v component after removal of Zhanjiang data in March 2013

表3是2013年3月和7月两个月对流层II型风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度上的分布情况。从表中可以看出在2～6 km高度之间两种资料u分量和v分量偏差在2.5 m/s以内所占的比例很大，通过计算可以得到：0～2 km、2～4 km、4～6 km和6～8 km 4组数据中u分量的偏差在2.5 m/s以内所占的比例分别为65.8%、66.7%、78.7%和42.9%，v分量的偏差在2.5 m/s以内所占的比例分别为52.6%、66.7%、66.0%和81.0%，8 km以上数据较少。

表3 对流层II型风廓线雷达测得的水平风u、v分量与NCEP再分析资料中水平风u、v分量偏差在不同高度的分布Tab. 3 Deviation of horizontal wind u、v components respectively detected by tropospheric wind profiler radar type II and got from NCEP reanalysis data

3 结 论

文中利用NCEP再分析资料中的水平风与风廓线雷达探测到的水平风进行对比分析，对风廓线雷达探测资料可信度进行评估，得到以下结论：春季风廓线雷达探测到的水平风的u、v分量与NCEP再分析资料中水平风的u、v分量的一致性比夏季两种资料的一致性好；本文中用于对比分析的对流层I型风廓线雷达只有1部，结论可能不具代表性，其探测到的水平风u分量与NCEP再分析资料中水平风u分量偏差在0～2.5 m/s内的比例较高，而v分量在2～6 km的偏差在0～2.5 m/s和2.5～5 m/s范围内的比例都很大；对流层II型风廓线雷达（5部）在8 km以上探测资料很少，且可信度较低，在2～6 km的可信度较高；边界层风廓线雷达（36部）在4 km以上探测资料非常少，在4 km以下资料的可信度较高。

[1]何平 ． 相控阵风廓线雷达 [M]． 北京 : 气象出版社 , 2006．

[2]翟亮． 北京奥运期间一次暴雨过程风廓线资料特征[J]． 气象,2008, 34: 26-31．ZHAI Liang. The characteristics of wind profiler data in a rainstorm during the Beijing Olympic Games[J]. Meteorological Monthly,2008, 34: 26-31.

[3]郭虎, 王令, 时少英，等． 国庆60周年演练中一次降水过程的短时预报服务 [J]． 气象 , 2010, 36（10）: 21-28．GUO Hu， WANG Ling， SHI Shao-ying ，et al. Very shortrange forecast service of a rainfall event during the national day celebration rehearsals[J]. Meteorological Monthly, 2010, 36（10）: 21-28.

[4]郑媛媛, 姚晨, 郝莹,等． 不同类型大尺度环流背景下强对流天气的短时临近预报预警研究[J]． 气象, 2011,37 （7）:795-801．ZHENG Yuan-yuan,YAO Chen, HAO Ying ,et al. The short-time forecasting and early-warning reasearch on severe convective weather under different types of large-scale circulation background[J]. Meteorological Monthly, 2011,37（7）:795-801.

[5]吴志根． 边界层风廓线雷达在降水时段中的在线分析应用研究 [J]． 气象 , 2012, 38 （7）:758-763．WU Zhi-gen. On-line analyses and studies of boundary wind profilers during the precipitation period[J]. Meteorological Monthly, 2012, 38 （7）:758-763.

[6]万蓉, 周志敏, 崔春光，等． 风廓线雷达资料与探空资料的对比分析 [J]． 暴雨灾害 , 2011,30(2):130-136．WAN Rong, ZHOU Zhi-min, CUI Chun-guang， et al.Comparing wind profiler data with radiosonde data and analyzing[J]. Torrential Rain and Disasters, 2011,30(2): 130-136.

[7]吴蕾, 陈洪滨, 康雪．风廓线雷达与L波段雷达探空测风对比分析 [J]． 气象科技 ,2014,42(2):187-192．WU Lei, CHEN Hong-bin, KANG Xue. Comparison between wind profiler and L band upper-airmeteorological sound ing system[J]. Meteorol ogic al Sc ienc e and technology,2014,42(2):187-192.

[8]Weber B L, Wuertz D B,Comparison of rawinsonde and wind profiler radar measurements[J]. Atmos. Oceanic Technol.,1990(7):157-174.