測風雷達在超大城市綜合觀測中的探測效能評估

魯峻麟，黃惺惺，顧桃峰，張志堅，賈寧遠

（1.廣州市突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣州 511430；2.廣東省氣象公共安全技術支持中心，廣州 510641）

引言

氣象領域傳統(tǒng)的測風手段有風杯風速計、常規(guī)探空氣球等［1］，隨著測風手段的更新以及對氣象設備認同度的提升，風廓線雷達也逐漸被氣象部門所接納［2－3］，成為日常的風場測量設備。傳統(tǒng)的風速計和風向標只能實現(xiàn)單點測量，借助測風塔后實現(xiàn)對應高度層的風場信息檢測，但這類傳統(tǒng)裝置易受冰凍天氣影響，測風塔的搭建和維護也需要花費大量的人力物力，還存在移動困難和前期征地手續(xù)復雜等問題［4－7］。微波雷達常用波長主要為厘米波，與大氣中的大尺寸粒子（如云、雨、冰等）相互作用產(chǎn)生回波，無法與大氣中的分子或氣溶膠顆粒產(chǎn)生作用，而晴空時大氣中大尺寸粒子較少，因此微波雷達在晴空天氣條件下將出現(xiàn)探測盲區(qū)，此外微波雷達還具備龐大的收發(fā)系統(tǒng)也導致其移動的困難［8－9］。因此，迫切需要補充新型的風場測量手段替代傳統(tǒng)測風裝置實現(xiàn)大氣風場信息的測量。

掃描型多普勒測風激光雷達系統(tǒng)是一種小型、全自動、無環(huán)境電磁干擾的多普勒激光雷達，實現(xiàn)全天候、不間斷的三維低空風場探測［10－11］，通過配置多臺激光測風雷達組網(wǎng)觀測業(yè)務軟件平臺，實現(xiàn)風廓線、垂直氣流及PPI／RHI／水平風場的組網(wǎng)探測及業(yè)務分析功能。測風激光雷達采用人眼安全1550nm激光波段、近紅外激光探測等技術，具有時空分辨率高、自動化程度高、安裝簡單易維護、移動便攜性好等優(yōu)勢，因此成為了最具前景的風場信息測量手段。近年來激光測風雷達已在氣象、風電、民航和環(huán)保等領域有越來越多的成熟應用案例［12－14］，在多種不同的氣象環(huán)境中驗證了雷達風場探測的可靠性和準確性。

在廣州超大城市綜合觀測建設中，需連續(xù)空間上觀測城市上空邊界層內(nèi)風分布狀況，獲取典型天氣過程特征風數(shù)據(jù)。本文通過對比分析3 部不同測風雷達的探測效能，為綜合觀測建設提供依據(jù)，提高廣州超大城市綜合氣象觀測資料的本地化應用水平，為探索建立業(yè)務化應用提供參考依據(jù)。

1 觀測設備及數(shù)據(jù)來源

1.1 觀測試驗及設備性能

自2019 年廣州超大城市綜合氣象觀測試驗啟動以來，為驗證超大城市綜合觀測試驗設備觀測數(shù)據(jù)的可靠性，選擇3 部不同的測風雷達與清遠探空站資料進行對比觀測，為保護廠家信息，將3部測風激光雷達分別以L、W、Y 表示，各性能參數(shù)見表1。

表1 三部測風激光雷達性能參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

選取2020 年6 月1 日—7 月6 日的觀測資料作為有效對比資料。在對比評估中主要基于探空資料，把三部測風雷達的可探測高度、垂直分辨率作為參考，分析評估觀測高度上的風向、風速，包括數(shù)據(jù)可用率（非缺測率）、風向／風速準確率、風向／風速平均絕對誤差以及風向／風速均方根誤差。具體計算公式如下：

式中，xi表示某一高度測風雷達觀測值，yi表示對應高度的探空觀測值，m、n 表示該高度上有效樣本數(shù)。

2 觀測試驗數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)可用率

根據(jù)觀測資料，統(tǒng)計觀測日期內(nèi)探空施放球時間（北京時07 時、19 時）內(nèi)3 部測風雷達的數(shù)據(jù)可用率，得出100m 以下L 雷達探測效能最優(yōu)，數(shù)據(jù)可用率達100%；W 雷達次之，數(shù)據(jù)可用率為80%；Y測風雷達數(shù)據(jù)可用率僅75%。100～1000m，L 和Y 雷達相當，數(shù)據(jù)可用率均為100%，W 雷達從80%逐漸下降到70%。1000～2000m，Y 雷達最優(yōu)，數(shù)據(jù)可用率在90%以上，L 雷達數(shù)據(jù)可用率從90%逐漸下降，W雷達從70%下降到55%左右。2000m 以上，L 雷達數(shù)據(jù)可用率從70%逐漸下降，W 雷達從50%逐漸下降，Y 雷達數(shù)據(jù)可用率為0。

2.2 風向數(shù)據(jù)分析

基于3 部測風雷達探測高度，提取探空數(shù)據(jù)接近高度上的風向數(shù)據(jù)作為對比值，對測風雷達風向數(shù)據(jù)的準確率、絕對平均誤差以及均方根誤差進行分析。如果測風雷達所觀測風向與探空風向偏差小于10°則認為測風雷達數(shù)據(jù)準確。

2.2.1 風向觀測數(shù)據(jù)準確率分析

根據(jù)3 部測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)和清遠站探空數(shù)據(jù)，分析3 部測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)準確率，如圖1 所示。

從圖1 可看出，L 測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)準確率分布較不穩(wěn)定，在統(tǒng)計樣本量較小的高度范圍（1500～3000m）易出現(xiàn)準確率為0 的探測結(jié)果；在統(tǒng)計樣本量較大的高度上，200m 以下高度準確性較差，未超過60%，高層準確率基本維持在80%以上，個別高度風向探測準確率能達到100%。W 測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)準確率較差，2000m 高度以上層次探測數(shù)據(jù)準確率基本為0，2000m 高度以下層次準確率分布不穩(wěn)定，大部分高度上準確率低于50%。Y測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)準確率分布較穩(wěn)定，除在個別層次由于統(tǒng)計樣本量較小出現(xiàn)了準確率為0 的探測結(jié)果（800m 和1000m 高度）之外，在統(tǒng)計樣本量較大的高度上，風向準確率基本能達到60%以上。其中，400～1300m 之間是數(shù)據(jù)準確率較高，某些高度可達到90%以上的準確率，個別高度風向探測準確率能達到100%。

圖1 三部測風雷達風向數(shù)據(jù)準確率

2.2.2 風向觀測數(shù)據(jù)誤差分析

為進一步分析測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)的誤差分布情況，分別統(tǒng)計3 部測風雷達風向觀測數(shù)據(jù)的平均絕對偏差和均方根誤差隨高度的分布（圖2）。

圖2 三部測風雷達風向數(shù)據(jù)平均絕對誤差和均方根誤差分布

從風向探測數(shù)據(jù)看，3 部測風雷達對中層的風向探測誤差最小，L 測風雷達平均絕對誤差和均方根誤差控制在10°左右；W 測風雷達平均絕對誤差維持在15°左右。低層、高層探測誤差均較大。其中Y 測風雷達風向探測的平均絕對誤差基本上控制在20°以內(nèi)，除800m 和1000m 高度以外，其余層次平均絕對誤差基本在10°以內(nèi)，個別高度只有1～2°的誤差；風向探測的均方根誤差除60m 高度均方根誤差接近40°之外，其余高度均方根誤差基本控制在20°以內(nèi)，大部分高度均方根誤差都在10°左右。

比較3 部測風雷達的風向準確率以及誤差分布可以發(fā)現(xiàn)，Y 雷達除了近地面層準確率誤差穩(wěn)定性較低以外，其余高度準確率和誤差穩(wěn)定性均優(yōu)于L測風雷達和W 測風雷達，在高層2000m 以上，L 雷達較優(yōu)，W 雷達次之，Y 雷達最差。

2.3 風速數(shù)據(jù)分析

基于3 部測風雷達探測高度，提取探空數(shù)據(jù)接近高度上的風速數(shù)據(jù)作為對比值，對測風雷達風速數(shù)據(jù)的準確率、絕對平均誤差以及均方根誤差進行了分析。如果測風雷達所觀測風速與高度接近的探空風速偏差小于1m·s-1則認為測風雷達數(shù)據(jù)準確。

2.3.1 風速觀測數(shù)據(jù)準確率分析

根據(jù)3 部測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)和清遠站探空數(shù)據(jù)，分別分析測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)準確率（圖3）。

由圖3 可知，L 測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)準確率分布與風向準確率基本相同，呈現(xiàn)較不穩(wěn)定的趨勢。在統(tǒng)計樣本量較小的高度范圍（1500～3000m）易出現(xiàn)準確率為0 的探測結(jié)果。在統(tǒng)計樣本量較大的高度上，200m 以下高度準確性較差，未超過60%，高層準確率基本維持在80%以上，個別高度風速探測準確率能達到100%；W 測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)準確率較差，2000m 高度以上層次探測數(shù)據(jù)準確率基本為0，2000m 高度以下層次準確率分布不穩(wěn)定，大部分高度上準確率低于50%；Y 測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)準確率分布較穩(wěn)定，除在個別層次由于統(tǒng)計樣本量較小出現(xiàn)了準確率為0%的探測結(jié)果（1100m和1360m 高度）之外，在統(tǒng)計樣本量較大的高度上，風速準確率基本能維持在60%左右，個別高度風向探測準確率能達到100%。

圖3 三部測風雷達風速數(shù)據(jù)樣本數(shù)與準確率

2.3.2 風速觀測數(shù)據(jù)誤差分析

為進一步分析3 部測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)的誤差分布情況，分別統(tǒng)計了3 部測風雷達風速觀測數(shù)據(jù)的平均絕對偏差和均方根誤差所高度的分布，如圖4 所示。

圖4 三部測風雷達風速數(shù)據(jù)平均絕對誤差和均方根誤差分布

從風速探測數(shù)據(jù)來看，3 部測風雷達對中低層的風速探測誤差最小，L 測風雷達平均絕對誤差和均方根誤差分別為0.69m·s-1和0.80m·s-1；W 測風雷達平均絕對誤差和均方根誤差分別為2.08m·s-1和2.37m·s-1；Y 測風雷達平均絕對誤差和均方根誤差分別為0.83m·s-1和0.99m·s-1。高層探測誤差均較大，高層探測誤差較大的原因有可能由于探空氣球飄移距離較遠所致。

比較三部測風雷達的風速準確率以及誤差分布可以發(fā)現(xiàn)，在中低層（2000m 以下）Y 測風雷達和L測風雷達準確率和探測誤差較為接近，W 雷達較差。

2.4 逐日誤差分析

通過分析3 部測風雷達逐日所有觀測高度的平均絕對誤差（MAE）評估測風雷達在觀測期間的穩(wěn)定性。從風向的絕對平均誤差值來看，W 測風雷達誤差明顯高于L 和Y 測風雷達，L 和Y 測風雷達風向觀測誤差較為接近。

從風速的絕對平均誤差值來看，W 測風雷達誤差明顯高于L 和Y 測風雷達，L 和Y 測風雷達風速觀測誤差較為接近，但在觀測前期Y 測風雷達風速觀測還是略低于L 測風雷達風速觀測。

3 結(jié)論與討論

（1）在數(shù)據(jù)可用率方面，Y 測風雷達數(shù)據(jù)可用率除60m 高度較低外，其余高度數(shù)據(jù)可用率均達到90%以上，在同樣高度層次上優(yōu)于L 測風雷達數(shù)據(jù)可用率和W 測風雷達數(shù)據(jù)可用率；其中W 測風雷達數(shù)據(jù)可用率表現(xiàn)最差。2000m 以下Y 雷達數(shù)據(jù)最優(yōu)，L 雷達次之，W 雷達最次，2000m 以上L 雷達數(shù)據(jù)最優(yōu)，W 雷達次之，Y 雷達基本為0。

（2）從測風雷達的風向探測數(shù)據(jù)來看，3 部測風雷達對中層的風向探測誤差最小，低層次之，高層探測誤差均較大。比較3 部測風雷達的風向準確率可以發(fā)現(xiàn)，在中層（2000m 以下），L 雷達觀測數(shù)據(jù)的平均絕對誤差和均方根誤差控制在10°左右，L 雷達與Y 雷達較優(yōu)，W 雷達較差。

（3）從測風雷達的風速準確率以及誤差分布來看，在中層（2000m 以下），L 雷達和Y 雷達較優(yōu)，W雷達次之。在低層（1000m 以下）Y 測風雷達和L 測風雷達準確率和探測誤差較為接近，探測效果最好；W 測風雷達對風速的探測效果最差。

（4）從逐日三部測風雷達的風向、風速平均絕對誤差分布可以看出，L 和Y 雷達的逐日風速、風向誤差較為接近，但Y 雷達觀測誤差還是略低于L 雷達，W 測風雷達誤差明顯高于L 和Y 測風雷達。

本研究所取的時段較短，樣本較少，研究結(jié)果可能有一定的局限性。且由于探空氣球在上升過程中會存在飄移情況，而測風雷達進行垂直探測，因此在對高層數(shù)據(jù)的評估中無法剔除由于探空氣球飄移動所產(chǎn)生的誤差。