董丽萍,研究方向:大气探测技术及应用.Email:
以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大,风速可信度随探测高度的增加而降低。
This paper firstly uses the horizontal wind data detected by radiosonde as a standard to assess the credibility of the horizontal wind observed by wind profiler (WPR), finding that the horizontal wind observed by the national wind profiler under 700 hPa height has a good consistency with that of radiosonde. Secondly, the correlation analysis on the vertical speed got by the wind profile and the one hour rainfall observed by the same address ground automatic meteorological station (AMS) reveals that the vertical velocity magnitude can clearly reflect the onset, end and precipitation intensity of a rainfall event. Finally, comparative analysis on horizontal wind data from the national wind profiler network is carried out, and the results show that horizontal wind observed by wind profiler at 700 hPa height is credible, the credibility of the wind direction increases with the increase of probe height, and the wind speed credibility decreases with the increase of probe height.
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
近年来,气象装备组网研究受到广泛关注,未来地基大气遥感也将向综合集成方向发展。目前,我国已建成42部(截至2013年12月)固定式风廓线雷达,未来将规划建设上百部风廓线雷达,组成风廓线雷达网。本文主要对全国风廓线雷达探测到的水平风场信息和垂直速度大小的可信度进行分析,根据预报员使用习惯,在不同时刻分别取925、850、700和500 hPa高度附近的资料进行组网分析,并用08和20时(北京时,下同)高空风与之对比,测试风廓线雷达组网观测资料的可靠性及其实用意义。
使用2012—2013年全国业务上传的风廓线雷达资料和同时段常规探空组网资料进行对比。
对单站风廓线雷达水平风进行可信度分析时,选取了有探空站与风廓线雷达同址的新疆乌鲁木齐和江苏南京的资料分季节进行分析。乌鲁木齐取2012年12月至2013年11月一年的风廓线雷达1 h平均数据和与其同址的L波段探空雷达在850、700和500 hPa高度的探测资料(乌鲁木齐风廓线站点海拔高度为935 m,无925 hPa观测资料),江苏南京取同时段的风廓线雷达1 h平均数据和与其同址的L波段探空雷达在925、850、700和500 hPa高度的探测资料。
由于没有乌鲁木齐和南京的降水资料,所以本文在作垂直速度可信度分析时,站址选取北京、上海和广东等风廓线雷达比较密集的地方,采用2013年的10次降水过程中垂直速度1 h平均数据和同址地面自动气象站观测的小时雨量进行对比。
在风廓线雷达组网对比分析中,将风廓线雷达产品数据转换成MICAPS探空数据格式,使其能通过MICAPS与L波段探空资料同时显示。为了增加风廓线雷达与L波段探空雷达资料的可比性,在对全国风廓线雷达组网观测资料进行对比分析时,选取2013年3和4月局地天气较少的这两个月的风廓线雷达水平风1 h平均和这两个月L波段探空雷达在925~500 hPa高度之间08和20时的观测资料做分析。
考虑到风廓线雷达探测高度限制和预报使用习惯,本文在风廓线雷达组网对比分析时,选取风廓线雷达在925 hPa(取高度为700~900 m)、850 hPa (取高度为1400~1600 m)、700 hPa(取高度为2900~3100 m)和500 hPa(取高度为5400~5600 m)的水平风信息和垂直速度信息,时间密度为1 h,并将数据转化成MICAPS探空数据格式,可以很方便地用MICAPS软件将两种探测资料同时打开。
风廓线雷达探测是加强对灾害性天气监测能力和提高短时数值预报模式质量的重要手段,为了满足数值预报和业务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是非常重要的,国外在很早就开展过相关的研究。
在已业务上传数据的42部风廓线雷达中只有两个与L波段探空雷达同址的站点,分别是新疆乌鲁木齐站和江苏南京站,下面对这两个站分别进行分析。
(1) 新疆乌鲁木齐站
新疆乌鲁木齐站从2012年11月开始上传数据,按照季节即春(3、4、5月)、夏(6、7、8月)、秋(9、10、11月)和冬(12、1、2月)对2012年12月至2013年11月一年的资料进行分析,分别取风廓线雷达1 h平均产品的水平风
新疆乌鲁木齐风廓线雷达与同址探空雷达测风
The comparison of
季节 | 时次 | 高度/hPa | ||||||
相关系数 | 平均偏差 | 标准偏差 | 相关系数 | 平均偏差 | 标准偏差 | |||
春 | 08时 | 850 | 0.89 | -0.28 | 1.53 | 0.87 | -0.79 | 2.13 |
700 | 0.89 | 0.76 | 1.85 | 0.94 | -0.85 | 1.82 | ||
20时 | 850 | 0.85 | -0.31 | 1.61 | 0.84 | -1.66 | 1.77 | |
700 | 0.89 | 1.07 | 2.05 | 0.94 | -1.1 | 1.8 | ||
夏 | 08时 | 850 | 0.62 | -0.11 | 1.98 | 0.82 | -1.19 | 1.76 |
700 | 0.89 | 0.78 | 1.53 | 0.93 | -0.52 | 1.54 | ||
20时 | 850 | 0.86 | -0.3 | 1.49 | 0.86 | -0.85 | 1.69 | |
700 | 0.92 | 0.42 | 1.55 | 0.92 | -0.49 | 1.81 | ||
秋 | 08时 | 850 | 0.88 | -0.54 | 1.59 | 0.82 | -0.61 | 2.07 |
700 | 0.93 | 1.09 | 1.89 | 0.95 | -0.92 | 1.79 | ||
20时 | 850 | 0.85 | -0.73 | 1.37 | 0.9 | -0.55 | 1.45 | |
700 | 0.91 | 0.59 | 1.97 | 0.92 | -0.46 | 1.85 | ||
冬 | 08时 | 850 | 0.91 | -0.4 | 1.62 | 0.89 | 0 | 2.26 |
700 | 0.97 | 0.74 | 1.6 | 0.97 | -0.55 | 1.64 | ||
20时 | 850 | 0.86 | -1.29 | 1.79 | 0.89 | -0.08 | 2.35 | |
700 | 0.92 | 1.29 | 1.86 | 0.97 | -0.66 | 1.69 |
(2) 江苏南京站
与乌鲁木齐站一样,江苏南京站也对2012年12月至2013年11月一年的资料(缺9月22日至10月25日探空资料,舍弃这段时间的数据)分季节进行分析,分别取风廓线雷达1 h平均产品的水平风
江苏南京风廓线雷达与同址探空雷达测风
The comparison of
季节 | 时次 | 高度/hPa | ||||||
相关系数 | 平均偏差 | 标准偏差 | 相关系数 | 平均偏差 | 标准偏差 | |||
春 | 08时 | 925 | 0.92 | -0.53 | 2.72 | 0.91 | -0.81 | 2.28 |
850 | 0.93 | 0.53 | 2.16 | 0.94 | -0.69 | 2.21 | ||
700 | 0.89 | 0.99 | 3.04 | 0.8 | 0.25 | 3.39 | ||
20时 | 925 | 0.84 | -2.6 | 3.75 | 0.86 | -1.82 | 2.95 | |
850 | 0.86 | -1.12 | 3 | 0.73 | -2.28 | 3.93 | ||
700 | 0.67 | 0.23 | 4.7 | 0.61 | -1.19 | 4.75 | ||
夏 | 08时 | 925 | 0.97 | -0.4 | 2.15 | 0.85 | 0.83 | 2.68 |
850 | 0.97 | -0.18 | 1.96 | 0.83 | 1.53 | 2.8 | ||
700 | 0.94 | 0.27 | 2.41 | 0.83 | 1.67 | 2.56 | ||
20时 | 925 | 0.97 | -0.42 | 1.67 | 0.88 | 0.55 | 2.23 | |
850 | 0.97 | -0.09 | 1.79 | 0.89 | 0.8 | 2 | ||
700 | 0.96 | 0.37 | 2.09 | 0.85 | 0.63 | 2.25 | ||
秋 | 08时 | 925 | 0.82 | 1.42 | 2.37 | 0.92 | 1.1 | 1.75 |
850 | 0.96 | 0.91 | 1.43 | 0.92 | 1.16 | 1.59 | ||
700 | 0.93 | 2.08 | 2.45 | 0.88 | 2.77 | 1.83 | ||
20时 | 925 | 0.64 | 0.65 | 3.33 | 0.86 | 1.7 | 2.15 | |
850 | 0.55 | 1.9 | 3.69 | 0.84 | 2.41 | 2.33 | ||
700 | 0.77 | 4.38 | 3.96 | 0.81 | 3.96 | 2.95 | ||
冬 | 08时 | 925 | 0.92 | -0.09 | 3.12 | 0.95 | -0.62 | 2.26 |
850 | 0.9 | 1.52 | 2.62 | 0.93 | -0.37 | 2.35 | ||
700 | 0.82 | 4.24 | 3.81 | 0.94 | 1.94 | 2.42 | ||
20时 | 925 | 0.92 | -0.7 | 2.86 | 0.93 | 0.51 | 2.44 | |
850 | 0.89 | 1.6 | 3.27 | 0.93 | 0.18 | 2.81 | ||
700 | 0.93 | 1.35 | 2.54 | 0.88 | 1.85 | 3.37 |
由
风廓线雷达能直接得到探测站点上空垂直速度随高度的分布。由风廓线雷达的探测原理可知:在大气为晴空状态时垂直速度反映的是大气的垂直运动速度,当有云或降水时垂直速度反映的是云中粒子或降水粒子的垂直运动速度。由于降水粒子对电磁波的散射强度远大于晴空大气的散射强度,垂直速度可以反映降雨的开始、结束以及降雨的强度。有研究表明,在降水的情况下,风廓线雷达探测到大于4 m·s-1(定义垂直速度向下为正)的垂直速度时,反映了降水的开始,且由于降水强度与降水粒子的大小、下落末速度有关,因此可以认为垂直速度越大降水越强(
本文通过分析北京、上海、广东等地在2013年的10次降水过程,得出风廓线雷达探测到的垂直速度与自动气象站1 h雨量有很好的对应关系,能清楚地反映降水发生的开始和结束时间。下面以北京海淀2013年7月1日的一次降水过程和广州从化2013年3月28日的一次降水过程为例分析。
2013年7月1—2日北京降水海淀风廓线雷达所测垂直速度与同址自动站1 h雨量关系图
The graph of vertical velocity observed by WPR and 1 hour rainfall observed by the same address AMS in Haidian, Beijing from 1 to 2 July 2013
2013年3月27—29日广州从化降水的风廓线雷达所测垂直速度与同址自动站1 h雨量关系图
The graph of vertical velocity observed by WPR and 1 hour rainfall observed by the same address AMS in Conghua, Guangzhou from 27 to 29 March 2013
通过10次降水过程定性地分析得出:风廓线雷达探测到的垂直速度能比较清楚地反映出降水的开始、结束以及降水的强度,与自动气象站观测到的1 h雨量累计值有很好的相关关系。
通过以上分析可以看到,在500 hPa高度以下,新疆乌鲁木齐和江苏南京的风廓线雷达探测到的水平风与同址的L波段探空雷达探测到的水平风的一致性都很好。现已投入业务使用的风廓线雷达中只有6部对流层风廓线雷达,大部分风廓线雷达探测高度都有限,在6000 m高度以上基本无数据,所以本文在进行风场组网时只取925、850、700和500 hPa这4个高度。风廓线雷达高时空分辨率资料可以弥补常规探空资料时空分辨率不高的缺点,为了弥补高空探测时间密度上的不足,本文在风廓线雷达组网风场对比分析时,时间上采取1 h一次组网,并且加入了垂直速度信息,这是探空资料无法获得的。
对单站的风廓线雷达水平风的可信度进行分析之后,对全国风廓线雷达探测的水平风组网可信度做一个定性的分析。取已转换成MICAPS格式的两个月的(2013年3和4月)全国风廓线雷达探测到的水平风1 h平均资料,分别在不同高度(925、850、700和500 hPa)上与L波段探空雷达08和20时探测到的资料进行对比,可以发现两种探测资料在相同时间、相同高度上的风场基本一致。
2013年3月21日08时700 hPa全国风廓线雷达与L波段探空雷达所测水平风
The horizontal wind observed by national WPR and L-band sounding radar at 700 hPa height at 08:00 BT 21 March 2013
为了对组网风场有一个定量分析,分别取与各个风廓线雷达站点最近的L波段探空雷达站(两站之间的距离均在200 km以内)的资料,对2013年3和4月08和20时水平风风向和风速的偏差做统计分析。根据
2013年3—4月风向、风速偏差统计结果
The deviations of wind direction and wind speed between March and April in 2013
高度/hPa | 风向偏差 | 风速偏差 | |||||
所有数据 | 有效值 | 有效值所占比例 | 所有数据 | 有效值 | 有效值所占比例 | ||
925 | 2763 | 1713 | 0.620 | 3188 | 1949 | 0.611 | |
850 | 3053 | 1988 | 0.651 | 3411 | 2201 | 0.645 | |
700 | 2669 | 1991 | 0.746 | 2710 | 1641 | 0.606 | |
500 | 942 | 799 | 0.848 | 825 | 402 | 0.487 | |
925~500 | 9427 | 6491 | 0.689 | 10134 | 6193 | 0.611 |
从
风廓线雷达与L波段探空雷达所测风向、风速的偏差分布情况
The deviations of wind direction and wind speed observed by national WPR and L-band sounding radar
本文以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到以下结论:
(1) 风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度。
(2) 将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出风廓线雷达组网探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大,风速可信度随探测高度的增加而降低,为评估风廓线雷达布网提供了参考依据。
(3) 为了适应业务不同的需求,在进行风廓线雷达组网时可以在空间和时间上进行加密处理,比如空间上,在每隔200 m或更密的高度分辨率上进行组网;时间上,根据需要可以取6 min间隔的实时数据或6 min以上的平均数据进行组网观测。
另外,本文中只对风廓线雷达探测到的水平风组网应用进行了分析,为了更好地将风廓线雷达组网观测资料应用于业务预报中,还需开发新的组网产品,有待于进一步的研究。
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