面向資料同化的風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場特征分析及其質(zhì)控方法

王葉紅 2, 張偉 趙玉春

1 廈門市氣象局廈門市海峽氣象開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門 361012

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LASG)，北京 100029

3 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072

1 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)利用湍流大氣對雷達(dá)電磁波的散射作用，探測空氣運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)信號，可以反演出測站上空探測高度范圍內(nèi)時(shí)間（數(shù)分鐘）與空間分辨率（幾十米間距）均較高的大氣水平風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素的垂直廓線資料，可極大彌補(bǔ)常規(guī)探空觀測時(shí)空密度不足的缺陷。此外，與多普勒天氣雷達(dá)以降水粒子為示蹤物，對于無降水粒子的大氣測不出大氣流場的局限性相比，風(fēng)廓線雷達(dá)是以大氣折射指數(shù)（湍流塊）為示蹤物，可以測量出邊界層到中層大氣的流場，其探測的主要對象是晴空或多云大氣，對降水天氣也有一定的探測能力。美國國家海洋大氣局（NOAA）評估結(jié)果表明，風(fēng)廓線雷達(dá)的時(shí)間和空間分辨率較高，可以展示出大氣波動(dòng)等天氣系統(tǒng)的連續(xù)詳實(shí)變化過程（Benjamin et al., 2004b）。風(fēng)廓線雷達(dá)無人值守、可全天候和全天時(shí)工作的特點(diǎn)，以及可獲得連續(xù)、客觀、定量監(jiān)測的優(yōu)勢，使其越來越多地受到世界各國的重視，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域（Bluestein and Speheger, 1995; Muschinski et al., 1999; Bouttier, 2001; 何平, 2006; Zhang et al.,2016; 廖菲等, 2017）。

從20 世紀(jì)80 年代美國建立風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)以來（Strauch et al., 1984; Frisch et al., 1986），日 本、歐洲相繼建立了自己的風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)。我國也從20 世紀(jì)80 年代開始陸續(xù)開展風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)建設(shè)（馬大安等, 1989; 顧映欣和陶祖鈺, 1991, 1993），截止2016 年底，我國已投入業(yè)務(wù)使用的有83 部，目前中國氣象局規(guī)劃到2025 年將組建一個(gè)覆蓋我國全境的225 部風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)（張小雯等, 2017）。風(fēng)廓線雷達(dá)在大氣風(fēng)場觀測（王志春和植石群,2014）、大氣湍流結(jié)構(gòu)研究（Muschinski et al., 1999;阮征等, 2008）、中尺度天氣結(jié)構(gòu)研究（Bluestein and Speheger, 1995; Trexler and Koch, 2000）、中小尺度天氣系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)警（何平, 2006; 古紅萍等,2008; 周志敏等, 2010; 董保舉等, 2012）以及災(zāi)害性氣象服務(wù)（何平等, 2009; 汪學(xué)淵等, 2013）等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

風(fēng)廓線雷達(dá)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的作用也受到世界各國的廣泛關(guān)注，并已在歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）（Bouttier, 2001）、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（RUC）（Benjamin et al., 2004a）、日本氣象廳（JMA）（Kuo et al., 1987; Ishihara et al., 2006）、加拿大氣象中心（CMC）等國外主要全球數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)先后實(shí)現(xiàn)了風(fēng)廓線雷達(dá)資料在模式中的業(yè)務(wù)同化，并對模式預(yù)報(bào)性能的提高有正面影響。我國也在近年逐步開展了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化應(yīng)用研究（張勝軍等, 2004; 李妙英等, 2013; 余貞壽等, 2018），取得了一定進(jìn)展。張旭斌等（2015）針對廣東地區(qū)13部風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析方法進(jìn)行質(zhì)量控制研究，并將質(zhì)控后的資料同化到GRAPES_3DVAR 同化系統(tǒng)中，使短期降水預(yù)報(bào)得到了明顯改善。譚曉偉等（2016）通過觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSEs）對我國擬建風(fēng)廓線雷達(dá)觀測網(wǎng)內(nèi)的不同類型風(fēng)廓線雷達(dá)觀測資料在GRAPES_MESO 數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的可能影響進(jìn)行了研究，提出了選型建議。

總的來說，目前我國對風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化研究還很不充分，特別是與其密切相關(guān)的資料質(zhì)量分析和質(zhì)量控制研究。朱立娟（2015）對2015 年5 月實(shí)時(shí)上傳至國家氣象信息中心國家級氣象資料存儲(chǔ)檢索系統(tǒng)（MDSS）的28 部風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品按照P 波段對流層風(fēng)廓線雷達(dá)PA 和PB 型號、L波段邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)LC 型號分別進(jìn)行了面向資料同化的水平風(fēng)產(chǎn)品質(zhì)量分析，指出不同型號雷達(dá)水平測風(fēng)質(zhì)量相差較大，其中LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)質(zhì)量最差。李紅莉等（2013）將未經(jīng)質(zhì)量控制的LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行同化，增加了初始風(fēng)場的誤差；張旭斌等（2015）同化質(zhì)控后的LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場資料，明顯改善了短期降水預(yù)報(bào)。可見風(fēng)廓線雷達(dá)產(chǎn)品質(zhì)量分析和質(zhì)量控制是實(shí)現(xiàn)其在數(shù)值模式中有效應(yīng)用的關(guān)鍵。風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)質(zhì)量不僅與雷達(dá)型號有關(guān)，還受到徑向速度觀測值準(zhǔn)確程度與均勻風(fēng)假設(shè)條件等諸多因素的影響，同一型號雷達(dá)是否會(huì)由于選址不同而受到電磁干擾、地物回波等客觀因素影響以及受不同天氣系統(tǒng)影響而使不同雷達(dá)站水平測風(fēng)質(zhì)量產(chǎn)生較大差異值得關(guān)注。針對小范圍組網(wǎng)的每一部雷達(dá)詳細(xì)開展水平測風(fēng)在不同高度上的、有無降水等不同天氣條件下的質(zhì)量分析，一方面可為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供參考依據(jù)，另一方面，也可為制定差異化的風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)質(zhì)控方案提供參考依據(jù)。

截止2018 年8 月福建省已建成并業(yè)務(wù)使用15部L 波段風(fēng)廓線雷達(dá)，在彌補(bǔ)常規(guī)高空探測網(wǎng)時(shí)空密度上的不足、加強(qiáng)對天氣系統(tǒng)的識別和中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要作用（汪學(xué)淵等, 2015; 曾瑾瑜等, 2017）。然而，如何充分有效地發(fā)揮福建風(fēng)廓線雷達(dá)資料在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的同化應(yīng)用，開展面向資料同化的質(zhì)量分析和質(zhì)量控制研究至關(guān)重要，鑒于此，本文對福建風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)量分析，為科學(xué)合理的質(zhì)量控制方案及業(yè)務(wù)同化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，并為后期同化研究打下一定基礎(chǔ)。

2 資料與方法

2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)資料

截止2018 年，福建共有15 部L 波段風(fēng)廓線雷達(dá)投入業(yè)務(wù)使用，其中3 部（福鼎、晉江、秀嶼）于2017 年11 月之后陸續(xù)建成投入使用。本文對2017 年全年數(shù)據(jù)完整的12 部風(fēng)廓線雷達(dá)（武夷山、永安、福清、建甌、羅源、武平、建寧、連城、德化、平潭、平和、翔安，其中福清為移動(dòng)風(fēng)廓線雷達(dá)）進(jìn)行面向資料同化的水平風(fēng)場質(zhì)量分析（圖1）。這12 部雷達(dá)時(shí)間分辨率均為6 min。武夷山、永安、福清為L 波段CFL-03 系列邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)，起始和終止探測高度分別為60 m 和7080 m，武夷山和永安在600 m 高度以下以60 m 垂直分辨率進(jìn)行觀測（低模），之上則以120 m 垂直分辨率進(jìn)行觀測（高模）；福清站低模和高模探測的銜接高度則為840 m。其余9 部雷達(dá)為L 波段CFL-06 系列低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)，起始和終止探測高度分別為150 m 和10110 m，在4110 m 高度以下均以120 m垂直分辨率進(jìn)行觀測，之上則以240 m 垂直分辨率進(jìn)行觀測。為便于比較，將福清在600～840 m 間比武夷山和永安多的660 m 和780 m 兩層數(shù)據(jù)忽略，即在后續(xù)統(tǒng)計(jì)中，武夷山、永安、福清探測高度完全一致，其余9 站探測高度完全一致。需要說明的是，這12 部雷達(dá)均為頻率在1300 MHz 左右的L波段雷達(dá)，為了達(dá)到更高的探測高度，CFL-06 系列的9 部雷達(dá)在探測中進(jìn)行了功率加強(qiáng)，其探測高度通?？梢赃_(dá)到6～8 km，強(qiáng)降水等天氣條件下可以在10 km 高度獲得數(shù)據(jù)，達(dá)到了低對流層雷達(dá)的最大探測高度。為區(qū)別于P 波段低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)（頻率在440～450 MHz、最大探測高度8 km），這里將通過加強(qiáng)功率增加探測高度的CFL-06 系列的9 部雷達(dá)稱為L 波段低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)。

圖1 福建省風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)分布（WYS、YA、FQ、JO、LY、WP、JN、LC、DH、PT、PH、XA 分別代表武夷山、永安、福清、建甌、羅源、武平、建寧、連城、德化、平潭、平和、翔安，數(shù)字為各風(fēng)廓線雷達(dá)站海拔高度）Fig.1 Locations of wind-profiler radars in Fujian Province (WYS, YA, FQ, JO, LY, WP, JN, LC, DH, PT, PH, and XA indicate wind-profiler radars in Wuyishan, Yongan, Fuqing, Jianou, Luoyuan, Wuping, Jianning, Liancheng, Dehua, Pingtan, Pinghe, and Xiang’an, respectively. The values in meters indicate the altitudes)

按照資料采樣收集頻率，風(fēng)廓線雷達(dá)資料可分為實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)、半小時(shí)平均數(shù)據(jù)和小時(shí)平均數(shù)據(jù)，朱立娟（2015）研究發(fā)現(xiàn)，小時(shí)平均數(shù)據(jù)的平均偏差和離散度都要小于實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，前者在小時(shí)平均處理過程中濾除了大氣湍流瞬時(shí)的波動(dòng)，而該部分信息恰好是資料同化中無法反映的代表性誤差，因此，針對資料同化應(yīng)用，采用小時(shí)平均采樣數(shù)據(jù)相對更為恰當(dāng)。本文分析的水平風(fēng)產(chǎn)品為廠家可信度標(biāo)識達(dá)到100%的小時(shí)平均采樣風(fēng)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為前一小時(shí)資料的平均。

2.2 數(shù)值天氣預(yù)報(bào)背景場資料

采用的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)背景場資料為美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（National Centers for Environmental Prediction/Global Forecast System，NCEP/GFS）一 日4 次（00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)、18 時(shí)，協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）0.5°×0.5°分析資料，垂直方向從1000 hPa 至10 hPa 共26 個(gè)等壓面層。為了與GFS 背景場資料時(shí)間相匹配，選用相同時(shí)刻（00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)、18 時(shí)）的風(fēng)廓線雷達(dá)小時(shí)平均風(fēng)數(shù)據(jù)。另外，因?yàn)轱L(fēng)廓線雷達(dá)資料為站點(diǎn)等高度面資料，而GFS 資料為格點(diǎn)等壓面資料，因此，需進(jìn)行空間一致性匹配，將GFS 資料空間插值到風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)所在位置（其中垂直位置為風(fēng)廓線雷達(dá)站海拔高度加上各探測高度），包括水平方向插值和垂直方向插值，其中水平方向采用雙線性插值，垂直方向上首先將GFS 資料各等壓面層上的位勢高度轉(zhuǎn)換為幾何高度，然后線性插值到風(fēng)廓線雷達(dá)資料所在高度上。鑒于每部風(fēng)廓線雷達(dá)站海拔高度不同，因而盡管相同系列雷達(dá)的探測高度一致，但探測水平風(fēng)所在實(shí)際高度并不相同，為繪圖和分析方便起見，后文所指高度均為各雷達(dá)站探測高度，而非水平風(fēng)所在實(shí)際高度。

3 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料獲取率分析

數(shù)據(jù)獲取率是定量評估風(fēng)廓線雷達(dá)探測能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其定義為：各高度上，實(shí)際獲取的有效數(shù)據(jù)量與應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)總量之比（胡明寶等,2008）。福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)2017 年全年平均的數(shù)據(jù)獲取率如圖2 所示，可見同一部雷達(dá)資料獲取率在不同探測高度上不盡相同，總體趨勢為獲取率在邊界層和對流層低層較高，接近1，而在其上隨高度增加而逐漸減??；另外，不同系列雷達(dá)間、相同系列不同雷達(dá)間數(shù)據(jù)獲取率也存在較大差異。

CFL-03 系列的武夷山、永安、福清3 部雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率均表現(xiàn)為從底層至某一高度層（武夷山、永安和福清分別為1800 m、2520 m 和1920 m）保持在0.95 以上，隨高度變化不明顯；而在此高度之上，則隨高度增加而逐步減小至最低的0.2 左右。在1800 m 高度以上，三者數(shù)據(jù)獲取率逐漸出現(xiàn)顯著差異，其中永安最高，福清次之，武夷山最低；其差異在3840 m 處達(dá)到最大，永安和武夷山的數(shù)據(jù)獲取率分別為0.78 和0.32，兩者相差0.46。

圖2 福建風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率Fig.2 Availability of horizontal winds detected by wind-profiler radars in Fujian Province

CFL-06 系列的建甌、羅源、武平、建寧、連城、德化、平潭、平和及翔安9 部雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率具有如下特征：（1）與CFL-03 系列雷達(dá)類似，CFL-06 系列的9 部雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率也表現(xiàn)出從底層至某一高度層保持在0.95 以上，隨高度變化不明顯；而在此高度之上，則隨高度增加而逐步減小至最低的0.2 左右。這一高度在2910 m（德化）至3630 m（翔安）之間，普遍高于CFL-03 系列雷達(dá)。（2）這9 部雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率隨高度減小這一趨勢均在低、高模探測銜接高度4110 m 處出現(xiàn)中斷，該層數(shù)據(jù)獲取率較其緊鄰的3990 m 高度層上的數(shù)值平均偏大0.08 左右。該現(xiàn)象在圖2 中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)獲取率廓線在3990 m 與4110 m 之間折向左側(cè)的尖角，這與風(fēng)廓線雷達(dá)在3990 m 以下采用短脈沖發(fā)射（低模式）發(fā)射能量小、在4110 m 及其上采用長脈沖發(fā)射（高模式）發(fā)射能量大這兩種工作模式有關(guān)。同時(shí)注意到，在CFL-03 系列的3 部雷達(dá)中，數(shù)據(jù)獲取率廓線在低模向高模轉(zhuǎn)換的高度層并未出現(xiàn)“折角”現(xiàn)象，這與其低、高模兩種探測模式銜接高度（武夷山和永安為600 m、福清為840 m）遠(yuǎn)較CFL-06 系列的4110 m 低、因而風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號在600 m（840 m）高度減弱不明顯有關(guān)。（3）4110 m 高度之上CFL-06 系列的9 部雷達(dá)再次呈現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取率隨高度增加而減小的特征，并在9390 m 高度以上減小趨勢變緩。（4）CFL-06 系列不同雷達(dá)間數(shù)據(jù)獲取率相差也很大，德化明顯低于其余8 部雷達(dá)，在4110 m 高度以下及以上翔安和平潭則分別略有優(yōu)勢?？傮w上，CFL-06系列雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取率的差異（最大相差0.2）遠(yuǎn)小于CFL-03 系列雷達(dá)間的差異（最大相差0.46）。

可見，與CFL-03 系列雷達(dá)相比，CFL-06 系列雷達(dá)不僅探測高度更高，而且除1.8 km 高度以下兩者數(shù)據(jù)獲取率相差不大外，在1.8 km 以上的相同高度層，其數(shù)據(jù)獲取率顯著高于前者。

按照有效數(shù)據(jù)獲取率0.8 對應(yīng)的高度為風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度（何平等, 2009），各雷達(dá)站有效探測高度不盡相同（表1），其中武夷山、福清最低，分別為2400 m 和2760 m；永安次之，為3720 m；其余9 站有效探測高度在5070～6510 m，德化最低，平潭最高。

4 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)質(zhì)量分析

4.1 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)誤差特征

4.1.1 散點(diǎn)分布特征

不考慮有效探測高度、有無降水影響等因素，分別考察福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品相對GFS 背景場的誤差分布特征。圖3 所示為2017 年風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)（記為uo）相對于GFS 背景場（記為ub）的散點(diǎn)分布，可見12 部雷達(dá)u 風(fēng)誤差特征主要表現(xiàn)為：（1）散點(diǎn)分布的最基本特征為沿對角線成棒槌型分布。（2）各站均存在偏離對角線嚴(yán)重的點(diǎn)，分布特征不盡相同?？傮w而言，翔安、永安、武平u 風(fēng)誤差相對較小，散點(diǎn)基本沿對角線分布，偏離對角線嚴(yán)重的點(diǎn)明顯少于其他站；而福清、建甌、羅源、建寧、連城、德化、平潭、平和在uo=0 m s?1附近存在明顯“污染帶”現(xiàn)象，表現(xiàn)為ub為較強(qiáng)西風(fēng)，而uo卻在0 m s?1附近；武夷山則在ub=0 m s?1附近出現(xiàn)了較多異常偏差點(diǎn)。福清資料最差，棒槌型分布特征最不明顯，“零污染帶”現(xiàn)象最為顯著，異常偏差點(diǎn)明顯偏多。（3）棒槌型散點(diǎn)沿對角線分布并不完全對稱，普遍偏向于ub一側(cè)，說明ub大于uo的情況明顯多于其小于uo的情況。因此，風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)相對背景場存在明顯系統(tǒng)性負(fù)偏差，小于背景場，不滿足資料同化對背景場的無偏需求，需進(jìn)行偏差訂正。可將各風(fēng)廓線雷達(dá)站u 風(fēng)速均值作為偏差訂正值，各測站原始數(shù)據(jù)減去各自的偏差訂正值即可。

表1 基于水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率閾值（0.8）的福建風(fēng)廓線雷達(dá)有效探測高度Table 1 Effective detection altitude of Fujian wind-profiler radars based on the threshold (0.8) of horizontal wind availability

圖3 風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)速（uo）與GFS 背景場（ub）散點(diǎn)分布Fig.3 Scatterplots of u-wind speed detected by wind-profiler radars (uo) against GFS background (ub)

圖4 所示為2017 年風(fēng)廓線雷達(dá)探測v 風(fēng)分量（記為vo）相對于GFS 背景場（記為vb）的散點(diǎn)分布，可見v 風(fēng)誤差的主要特征也表現(xiàn)為散點(diǎn)基本沿對角線分布，各站也有明顯偏離對角線的點(diǎn)，但數(shù)量和偏離程度都遠(yuǎn)小于u 風(fēng)分量，其中福清和武夷山在vb=0 m s?1附近出現(xiàn)了 “污染帶”現(xiàn)象，但不顯著。綜合而言，v 風(fēng)質(zhì)量優(yōu)于u 風(fēng)。朱立娟（2015）在研究中指出風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)和v 風(fēng)與數(shù)值預(yù)報(bào)背景場相比在0 風(fēng)速附近都出現(xiàn)了較多異常偏差點(diǎn)。本文進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，u 風(fēng)“零污染帶”現(xiàn)象明顯甚于v 風(fēng)，且該現(xiàn)象不是在每部雷達(dá)中均出現(xiàn)，如翔安和永安等探測質(zhì)量較好的雷達(dá)站，在u、v 風(fēng)的0 風(fēng)速附近均未出現(xiàn)較集中的異常偏差點(diǎn)。

定量統(tǒng)計(jì)各雷達(dá)站探測u、v 風(fēng)相對GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差，可見各雷達(dá)站測風(fēng)質(zhì)量存在極大差異。CFL-03 系列的3 部風(fēng)廓線雷達(dá)中，永安風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)場質(zhì)量相對最優(yōu)，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.72 m s?1（2.95 m s?1）；武夷山次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為3.69 m s?1（3.70 m s?1）；福清最差，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差高達(dá)7.34 m s?1（5.13 m s?1）。CFL-06 系列的9 部風(fēng)廓線雷達(dá)中，翔安風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)場質(zhì)量相對最優(yōu)，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.73 m s?1（2.58 m s?1）；武平次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.86 m s?1（2.78 m s?1）；建甌、建寧、德化、羅源、平潭、平和、連城依次再次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差范圍為3.36～5.42 m s?1（2.76～4.66 m s?1）。因此，綜合而言，翔安和永安風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)質(zhì)量相對最優(yōu)，武平次之，建甌、建寧、德化、羅源、平潭、平和、連城依次再次之，福清最差。福清風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)質(zhì)量遠(yuǎn)差于其他雷達(dá)站，可能與其是移動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)，雷達(dá)性能參數(shù)不同有關(guān)，其中雷達(dá)探測五波束方向與其他雷達(dá)極大不同：其余雷達(dá)均為垂直方向波束指向天頂方向，即垂直方向波束與鉛垂線夾角為0°，東西、南北方向波束與鉛垂線的夾角對稱；而福清雷達(dá)垂直方向波束則偏離天頂方向，因而其垂直方向波束與鉛垂線夾角不為0°，東西、南北方向波束與鉛垂線的夾角并不對稱，東西向不對稱程度甚于南北向。此外，對各時(shí)次風(fēng)廓線雷達(dá)探測和GFS 背景場水平風(fēng)的垂直廓線及其在不同等高面上的水平分布進(jìn)一步考察后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)存在較大偏差的時(shí)次，往往大氣在風(fēng)廓線雷達(dá)探測的水平范圍內(nèi)是不均勻的，此時(shí)已不符合風(fēng)廓線雷達(dá)計(jì)算水平風(fēng)的均勻的假設(shè)條件，因此改進(jìn)非均勻水平風(fēng)條件下的風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品的反演算法，可能是提高風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖4 風(fēng)廓線雷達(dá)v 風(fēng)速（vo）與GFS 背景場（vb）散點(diǎn)分布Fig.4 Scatterplots of v-wind speed detected by wind-profiler radars (vo) against GFS background (vb)

4.1.2 資料偏差隨高度分布特征

為進(jìn)一步分析風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品相對數(shù)值預(yù)報(bào)背景場的偏差在垂直方向上的分布特征，考察了12 部風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)相對于GFS 背景場的偏差分布散點(diǎn)圖（圖5），發(fā)現(xiàn)不同雷達(dá)站u 風(fēng)偏差隨高度的分布特征具有極大差異。

武夷山、永安和福清為同一系列雷達(dá)，但u 風(fēng)偏差隨高度的分布卻差異極大。永安u 風(fēng)偏差值在各高度分布比較均勻，偏差絕對值大于10 m s?1的異常點(diǎn)相對較少，并主要集中在600 m 以下的邊界層。武夷山站偏差較大的點(diǎn)則相對永安有所增加，特別是在600 m 以下低層和6720 m 以上的高層，后者偏差值異常大，極大值超過?60 m s?1。因此，可以確定圖3 中武夷山站偏離對角線的點(diǎn)主要位于這兩個(gè)高度層。圖3 中福清站偏離對角線的散點(diǎn)相對較多，從圖5 偏差隨高度分布可見這些異常點(diǎn)分布于各高度，其極大值達(dá)±70 m s?1左右。此外，永安和武夷山站u 風(fēng)偏差相對集中于±10 m s?1范圍內(nèi)，而福清站偏差則集中于?40～20 m s?1范圍內(nèi)。因此可見，盡管上述3 個(gè)雷達(dá)站系列相同，但測風(fēng)質(zhì)量卻相差很大，相較而言，永安質(zhì)量最佳，武夷山次之，而福清最差。

圖5 風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)速（uo）與GFS 背景場（ub）偏差垂直分布Fig.5 Vertical distributions of u-wind speed bias of wind-profiler radar products (uo) against GFS background (ub)

建甌、羅源、武平、建寧、連城、德化、平潭、平和及翔安同為L 波段CFL-06 系列雷達(dá)，同樣的，其u 風(fēng)質(zhì)量也相差很大。與圖3 所示的翔安站u 風(fēng)散點(diǎn)基本沿對角線分布特征一致，其偏差隨高度分布相對均勻，異常點(diǎn)較少（圖5），主要分布于1.5 km 以下及7～9 km，異常程度比其他測站小得多，在這9 部雷達(dá)中測風(fēng)質(zhì)量最優(yōu)。武平次之，其偏差異常點(diǎn)主要集中在5～7.5 km 高度上，主要為負(fù)異常偏差，正是該范圍內(nèi)的負(fù)異常偏差點(diǎn)造成了圖3 武平站uo風(fēng)在0 風(fēng)速附近的“污染帶”現(xiàn)象。德化與武平比較類似，但異常點(diǎn)有所增多，集中分布在5～9 km 高度上，也主要為負(fù)異常偏差，這些負(fù)異常偏差點(diǎn)引起了圖3 中德化站uo風(fēng)在0 風(fēng)速附近的“污染帶”現(xiàn)象。而建寧、建甌、羅源、平潭、連城、平和站u 風(fēng)異常偏差點(diǎn)則依次增加得更多，導(dǎo)致其uo風(fēng)在0 值附近“污染帶”現(xiàn)象的異常偏差點(diǎn)則依次分布在4.5～10 km、4～10 km、3.5～10 km、4～7.5 km、4～10 km 及4～10 km 高度上。其中平和站是該系列9 部雷達(dá)中測風(fēng)質(zhì)量最差的，其異常偏差點(diǎn)最多，值相對較大，可達(dá)?70 m s?1的負(fù)偏差。此外，建寧、建甌、羅源和平潭均在1.5 km 高度以下存在相對集中的正偏差異常點(diǎn)，而這些異常點(diǎn)則對應(yīng)于圖3 中各雷達(dá)站對角線上方偏離對角線的那些點(diǎn)。

總體而言，除翔安、永安各層u 風(fēng)偏差相差不大，未出現(xiàn)比較集中的偏差異常點(diǎn)之外，其余10 個(gè)站均有不同程度的偏差異常點(diǎn)，其分布高度、偏差異常程度不盡相同，并且高層偏差普遍大于低層的。

同樣的，對v 風(fēng)偏差隨高度的分布特征也進(jìn)行了考察（圖6），發(fā)現(xiàn)各雷達(dá)站探測的v 風(fēng)分量出現(xiàn)較大偏差的資料數(shù)明顯少于u 風(fēng)分量，且未呈現(xiàn)高層偏差顯著大于低層的特點(diǎn)，也即整體而言風(fēng)廓線雷達(dá)探測的v 風(fēng)與模式背景場的偏差要明顯小于u 風(fēng)的。對不同雷達(dá)站而言，則有所差異。與u風(fēng)類似，在相同系列的武夷山、永安和福清雷達(dá)中，永安雷達(dá)測風(fēng)質(zhì)量相對最優(yōu)，偏差異常點(diǎn)明顯少于其他2 部雷達(dá)，福清依然為最差，并可判斷其在圖4 中偏離對角線的點(diǎn)主要分布在3～4 km，極大值可達(dá)±60 m s?1。而在另外9 部系列相同的雷達(dá)中，翔安雷達(dá)探測v 風(fēng)質(zhì)量最優(yōu)，偏差范圍窄，集中分布在?10～10 m s?1；而連城雷達(dá)偏差分布范圍較廣，異常偏差點(diǎn)多，且高層偏差程度甚于低層。

圖6 風(fēng)廓線雷達(dá)v 風(fēng)速（vo）與GFS 背景場（vb）偏差垂直分布Fig.6 Vertical distributions of v-wind speed bias of wind-profiler radar products (vo) against GFS background (vb)

4.1.3 資料偏差概率密度分布

圖7 給出了12 部風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)與GFS 背景場在所有高度層上差值的概率密度分布，可見各雷達(dá)u 風(fēng)偏差概率密度分布均呈鐘型，中間高，兩端逐漸下降，左右不完全對稱，左側(cè)直方柱在其底部明顯高于右側(cè)。差值大部分集中在0 m s?1附近，其中永安、建寧、武平、平和4 部雷達(dá)u 風(fēng)差值在0 m s?1附近的概率密度相對較大，其值在18.18%至17.95%；翔安、建甌、武夷山、羅源4 部雷達(dá)相對次之，其值在17.41%至17.02%；德化雷達(dá)再次之，占16.08%，上述9 部雷達(dá)u 風(fēng)差值概率密度分布呈現(xiàn)出鐘型分布高聳的特征，其絕對值大于4 m s?1的差值相對較少，約占9.09%（翔安）～13.11%（羅源）。而平潭、連城和福清雷達(dá)u風(fēng)差值在0 m s?1附近的概率密度僅為13.19%、11.36%和8.64%，鐘型分布較永安等9 部雷達(dá)依次變得更加低矮、寬平，其絕對值大于4 m s?1的差值概率密度則依次增加到18.84%、23.42%和39.38%。

與u 風(fēng)類似，各雷達(dá)v 風(fēng)差值概率密度分布（圖8）也均呈鐘型，中間高，兩端逐漸下降，但與u 風(fēng)差值概率密度分布左側(cè)直方柱在其底部明顯高于右側(cè)不同，v 風(fēng)差值概率密度分布左右大致對稱。v 風(fēng)差值也大部分集中在0 m s?1附近，除福清站v 風(fēng)差值在0 m s?1附近的概率為12.22%，較其u 風(fēng)差值概率的8.64%增大較明顯外，其余雷達(dá)站v 風(fēng)差值在0 m s?1附近的概率與其u 風(fēng)差異不大。

綜上可見，福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)偏差不完全滿足資料同化所需的正態(tài)分布需求，而v 風(fēng)則相對較好。因此，做好各雷達(dá)站水平風(fēng)資料的質(zhì)量控制，使其滿足正態(tài)分布必須加以考慮。

4.1.4 相關(guān)系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差

圖9 給出了福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)探測的u 風(fēng)速與GFS 背景場的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的分布，可以更加直觀和定量地反映各雷達(dá)站在不同高度上的水平測風(fēng)質(zhì)量，由圖可見不同雷達(dá)站u 風(fēng)相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差廓線分布差異很大，具體表現(xiàn)為如下特征：

圖7 風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)速（uo）與GFS 背景場（ub）差值的概率密度分布Fig.7 Probability density distributions (PDF) of differences between u-wind speed detected by wind-profiler radars (uo) and GFS background (ub)

武夷山站從最低層至6600 m 高度u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差在2.1～4.3 m s?1，而在6720 m 以上的4 個(gè)高度層，其標(biāo)準(zhǔn)差從6.88 m s?1迅速增加到19.835 m s?1，可見，武夷山站u 風(fēng)偏差異常主要位于6720 m 高度以上。武夷山720 m 高度以下標(biāo)準(zhǔn)差雖然不大（最大3.171 m s?1），但相關(guān)系數(shù)相對較?。ㄆ渲捣秶鸀?0.04～0.62），而且越接近地面其值越小，說明該范圍內(nèi)風(fēng)廓線雷達(dá)探測的u 風(fēng)風(fēng)向與背景場可能存在不協(xié)調(diào)，而之所以在標(biāo)準(zhǔn)差上表現(xiàn)不明顯則可能因?yàn)榈蛯语L(fēng)速小，即使出現(xiàn)風(fēng)向的反向也不會(huì)帶來較大的風(fēng)速誤差。為驗(yàn)證這一推斷，普查了武夷山站風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)與GFS 背景場的分布，發(fā)現(xiàn)在720 m 高度以下的邊界層，確實(shí)較常出現(xiàn)兩者風(fēng)向不協(xié)調(diào)甚至反向的情況，而此時(shí)兩者的風(fēng)速都相對較小，因此風(fēng)速誤差并不大。通常在進(jìn)行資料同化時(shí)，一般會(huì)將觀測背景差絕對值大于3～5倍觀測誤差（往往以觀測資料的標(biāo)準(zhǔn)差作為觀測誤差）的數(shù)據(jù)作為“壞”數(shù)據(jù)剔除掉（仲躋芹等,2017），而對于此類數(shù)據(jù)，雖然其風(fēng)向反向但風(fēng)速較小，其觀測背景差往往并未超出3～5 倍觀測誤差的范圍，因而無法將其剔除。但結(jié)合相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，則可以將該高度范圍列為不可靠數(shù)據(jù)高度而予以剔除。在840～6600 m 高度上，武夷山站相關(guān)系數(shù)較高，標(biāo)準(zhǔn)差較小，u 風(fēng)數(shù)據(jù)可信度較高；而在6720 m 以上相關(guān)系數(shù)小、標(biāo)準(zhǔn)差大，u 風(fēng)數(shù)據(jù)可信度較低。

翔安站測風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量最優(yōu)，除最低層u 風(fēng)相關(guān)系數(shù)小于0.8（其值為0.735）外，其余各層相關(guān)系數(shù)在0.81～0.99，除最高層10110 m 標(biāo)準(zhǔn)差為5.21 m s?1相對較大外，其余層次u 風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差在1.91～4.1 m s?1，表明翔安站整層數(shù)據(jù)的可信度相對較高。而福清站測風(fēng)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對最差，u 風(fēng)的相關(guān)系數(shù)范圍為?0.02～0.75，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為3.71～14.99 m s?1。因此，福清站整層數(shù)據(jù)的可信度均較差，而這些數(shù)據(jù)均是通過了廠家質(zhì)檢達(dá)到可信度100%的數(shù)據(jù)，很顯然，在未經(jīng)過進(jìn)一步質(zhì)量控制的情況下，該站數(shù)據(jù)質(zhì)量并不理想，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

相對而言，永安風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)相對較好，其標(biāo)準(zhǔn)差從最低層到6720 m 取值范圍為1.64～3.60 m s?1，僅在6840 m 及其上3 個(gè)高度層標(biāo)準(zhǔn)差略大，分別為4.73、4.57、5.69 m s?1；永安站960 m高度以下相關(guān)系數(shù)較低（其值范圍為0.07～0.66），在其上相關(guān)系數(shù)相對較大（其值范圍為0.71～0.97）。武平雷達(dá)探測u 風(fēng)的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的廓線分布與永安較為類似，其標(biāo)準(zhǔn)差除在最高層10110 m 達(dá)4.99 m s?1相對較大外，其余各層u 風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差在1.47～4.35 m s?1；類似地，武平站u風(fēng)相關(guān)系數(shù)也在低層較低，630 m 高度以下相關(guān)系數(shù)較小（取值范圍為0.178～0.641），在其上相關(guān)系數(shù)較大（其值范圍為0.70～0.98）。

圖8 風(fēng)廓線雷達(dá)v 風(fēng)速（vo）與GFS 背景場（vb）差值的概率密度分布Fig.8 Probability density distributions of differences between v-wind speed detected by wind-profiler radars (vo) and GFS background (vb)

建甌、羅源、建寧、連城、德化、平潭、平和各站u 風(fēng)相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的廓線分布各不相同，但總體特征為：低層標(biāo)準(zhǔn)差不大，但相關(guān)系數(shù)卻較??；在其上一定高度范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差相對較小、相關(guān)系數(shù)相對較大（大于0.8）；而在超過這一高度層后，標(biāo)準(zhǔn)差急劇加大、相關(guān)系數(shù)迅速減小。標(biāo)準(zhǔn)差相對較小而相關(guān)系數(shù)相對較大的高度范圍在不同雷達(dá)站不盡相同。如果以相關(guān)系數(shù)大于0.7 和標(biāo)準(zhǔn)差小于4.5 m s?1作為u 風(fēng)探測資料可信度較高的層次，那么建甌、羅源、建寧、連城、德化、平潭、平和各雷達(dá)站所在的層次分別為1110～6030 m、390～3990 m、750～7710 m、870～3750 m、510～4830 m、270～4110 m、510～5070 m。

圖9 風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)速與GFS 背景場相關(guān)系數(shù)（實(shí)線）與標(biāo)準(zhǔn)差（虛線，單位: 10 m s?1）的垂直分布Fig.9 Vertical distributions of standard deviations (dashed line, units: 10 m s?1) and correlations (solid line) between u-wind speed detected by windprofiler radars and GFS background

特別注意到，12 部風(fēng)廓線雷達(dá)探測的1 km 以下邊界層內(nèi)水平風(fēng)與背景場的相關(guān)系數(shù)均明顯低于其他層次，并在最低層達(dá)到極小值。這不難理解，一方面，因?yàn)樵娇拷孛?，風(fēng)的不均勻性越強(qiáng)，并且受地面遮擋物的影響更大，亂流現(xiàn)象也更為突出；另一方面，GFS 的模式地形可能對低層風(fēng)場特別是邊界層風(fēng)有較大影響，因而風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)與模式背景場的相關(guān)系數(shù)相對差于高層。為了探究不同雷達(dá)對低層風(fēng)的探測能力的差異，表2 給出了福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)探測的最低層水平風(fēng)與模式背景場的相關(guān)系數(shù)分布（鑒于CFL-03 系列雷達(dá)探測最低層高度為60 m，低于CFL-06 系列雷達(dá)的150 m，為便于對比，同時(shí)給出了相近高度層180 m 處的結(jié)果），可以發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：

（1）CFL-06 系列雷達(dá)探測的低層u 風(fēng)相關(guān)系數(shù)明顯大于CFL-03 系列雷達(dá)，前者9 部雷達(dá)探測150 m 高度u 風(fēng)的相關(guān)系數(shù)范圍為0.146～0.735，而后者探測60 m 高度u 風(fēng)的相關(guān)系數(shù)僅為?0.022～0.066，將探測高度增加到180 m 其相關(guān)系數(shù)也僅為?0.023～0.144。CFL-03 系列的3 部雷達(dá)中既有海拔超過200 m 的測站（武夷山、永安），也有51.9 m 海拔較低的雷達(dá)站（福清），而CFL-06 系列中也均有與之海拔接近的雷達(dá)站，因此該結(jié)果的得出已考慮了海拔的影響。不同雷達(dá)對低層v 風(fēng)探測能力相對u 風(fēng)而言差異減小。因此，總體而言，CFL-03 系列雷達(dá)低層測風(fēng)能力不及CFL-06 系列雷達(dá)。

表2 福建風(fēng)廓線雷達(dá)探測最低層水平風(fēng)與GFS 背景場的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlations of horizontal winds in the lowest level detected by Fujian wind-profiler radars with GFS background

（2）翔安風(fēng)廓線雷達(dá)探測低層風(fēng)與模式背景場的相關(guān)（u、v 風(fēng)相關(guān)系數(shù)分別為0.735 和0.847，均為最高）明顯優(yōu)于其他雷達(dá)站，這一方面得益于翔安站位于我國東南沿海，低層風(fēng)向風(fēng)速較內(nèi)陸地區(qū)變化更為均勻，而另一方面，則因其雷達(dá)良好的性能。注意到，平潭站亦為海島站，其地理位置、海拔高度與翔安接近，且雷達(dá)系列相同，但無論低層風(fēng)場的相關(guān)系數(shù)、整層數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)、散點(diǎn)分布特征，平潭站都遠(yuǎn)不及翔安站。

與福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)與模式背景場的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差廓線分布所呈現(xiàn)出的多種分布形態(tài)不同，v 風(fēng)相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的廓線分布特征則相對簡單（圖10），各雷達(dá)站相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的垂直廓線除邊界層低層外，呈現(xiàn)出明顯的近似對稱特征，即當(dāng)相關(guān)系數(shù)較?。ù螅r(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差則相對較大（?。?。在邊界層低層，與u 風(fēng)一樣，也表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)差較小、而相關(guān)系數(shù)相對較小的特征。翔安站則例外，從低層到高層，v 風(fēng)相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的變化幅度相對較小，在低層相關(guān)系數(shù)也較大，達(dá)0.732。福清和連城對v 風(fēng)的探測在12 部雷達(dá)中依然最差，標(biāo)準(zhǔn)差從低層到高層增加明顯，而其他雷達(dá)從低層到高層v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差變化的趨勢明顯小得多。整體而言，v 風(fēng)探測質(zhì)量優(yōu)于u 風(fēng)。

4.2 有、無降水風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)特征

4.2.1 資料獲取率

風(fēng)廓線雷達(dá)的探測高度除了與雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)有關(guān)之外，受天氣狀況的影響很大。當(dāng)有天氣系統(tǒng)過境、高空水汽增加時(shí)，伴有探測高度明顯增加現(xiàn)象（李晨光等, 2003; 汪學(xué)淵等, 2013），降水期間風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)平均探測高度可以增高2 km 以上（何平等, 2009），而強(qiáng)降水的強(qiáng)度與最大探測高度和增幅呈現(xiàn)出正相關(guān)的特征（陳紅玉等, 2016）。

為了進(jìn)一步確定福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)在有、無降水不同大氣條件下的探測能力，對兩種大氣條件下的風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中有降水定義為：在統(tǒng)計(jì)時(shí)刻的前、后3 h 之間地面觀測有降水；其余樣本則為無降水。圖11 為有、無降水不同大氣條件下分別統(tǒng)計(jì)的各站資料獲取率，可見：福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)均表現(xiàn)為從最底層至某一高度層有降水時(shí)的數(shù)據(jù)獲取率小于無降水時(shí)，而在此高度之上，有降水時(shí)的資料獲取率則顯著大于無降水時(shí)。各雷達(dá)有、無降水時(shí)數(shù)據(jù)獲取率相對大小發(fā)生轉(zhuǎn)變的這一高度層不盡相同，差異較大，CFL-03 系列的3 部雷達(dá)武夷山、永安、福清分別為1500 m、2700 m 和2200 m，而CFL-06 系列的9 部雷達(dá)在3100 m（連城）至4500 m（羅源）之間。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，有降水時(shí)風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度明顯增加，在相同數(shù)據(jù)獲取率下，有降水時(shí)探測高度一般會(huì)增加2～3 km，這與何平等（2009）研究結(jié)果一致。何平等（2009）解釋了降水天氣下風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)產(chǎn)品高度明顯增加的兩個(gè)可能原因：一是降水天氣來臨時(shí)，高層水汽含量增加，使得折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)加大，從而導(dǎo)致探測高度增加；另外，降水天氣來臨時(shí)，高層出現(xiàn)冰晶等粒子，易于產(chǎn)生有效的粒子散射信號，從而被雷達(dá)檢測到。

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差

圖12 給出了福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)與模式背景場的u 風(fēng)速在有、無降水條件下以及所有樣本下的標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的分布情況，可見，對永安、武平和翔安站而言，有、無降水u 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差廓線有差異，但相對其余9 部雷達(dá)而言小得多，差異一般在±1.5 m s?1范圍內(nèi)，在多數(shù)層次表現(xiàn)為有降水時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差略大于無降水時(shí)。而基于所有樣本統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差廓線則介于有、無降水兩者之間，并更接近于無降水時(shí)的廓線分布。這不難理解，因?yàn)?2 部雷達(dá)有降水的樣本數(shù)在總樣本數(shù)中占比僅為6.5%～14.8%，遠(yuǎn)低于無降水的。

圖10 風(fēng)廓線雷達(dá)v 風(fēng)速與GFS 背景場相關(guān)系數(shù)（實(shí)線）與標(biāo)準(zhǔn)差（虛線，單位: 10 m s?1）的垂直分布Fig.10 Vertical distributions of standard deviations (dashed line, units: 10 m s?1) and correlations (solid line) between v-wind speed detected by windprofiler radars and GFS background

有、無降水對其余9 部雷達(dá)u 風(fēng)質(zhì)量的影響則不同，一般在3～5 km 以下的中低層，有降水使u風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差增加，而在中高層，特別是每部雷達(dá)u風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯偏大的層次，有降水則使u 風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差大大降低，如羅源在3390～7470 m 21 個(gè)連續(xù)垂直層上，有降水時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差較無降水時(shí)降低了0.15～6.48 m s?1，標(biāo)準(zhǔn)差減小幅度很大；武夷山、福清、建甌、建寧、連城、德化、平潭、平和均表現(xiàn)出類似特征?？梢?，上述9 部雷達(dá)u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差異常偏大的層次，無降水情形下誤差偏大明顯甚于有降水情形。

有、無降水對各雷達(dá)站v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差的影響與u風(fēng)不同，各雷達(dá)站在大多數(shù)高度上有降水情形下的標(biāo)準(zhǔn)差都偏大于無降水的情形，其中翔安雷達(dá)站差異最不明顯（圖略）。

圖11 風(fēng)廓線雷達(dá)有降水（實(shí)線）、無降水（虛線）情形下水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率Fig.11 Availability of horizontal winds detected by wind-profiler radars under the condition with (solid line) and without (dashed line) precipitation

圖13 給出了有降水減無降水情形下風(fēng)廓線雷達(dá)u、v 風(fēng)相對GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差差值垂直分布，可以更加直觀地看到有、無降水對風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差的影響，可見：有降水對風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)有較明顯的影響，特別是對u 風(fēng)的影響更為顯著?？傮w而言，有降水使各雷達(dá)站各垂直層次上的v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差以增大為主，增幅絕大多數(shù)位于1 m s?1以內(nèi)；對u 風(fēng)而言，有降水使各雷達(dá)站3 km 以下層次的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差以增大為主，增幅絕大多數(shù)位于1 m s?1以內(nèi)，但對3 km 以上層次的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差則以減小為主，且減小幅度大幅提高。因此，對3 km以下的中低層風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)而言，降水使其整體質(zhì)量有所降低，但對3 km 以上的中高層風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)而言，降水對其影響較為復(fù)雜，一方面增加了v 風(fēng)的誤差，但另一方面又極大地降低了u 風(fēng)的誤差。

從整層數(shù)據(jù)平均來看，僅除羅源、連城和平潭的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差在有降水情形下小于無降水情形之外，其余雷達(dá)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差均大于無降水時(shí)。有降水情形下，各雷達(dá)站測量水平風(fēng)質(zhì)量仍與雷達(dá)性能密切相關(guān)，也即在無降水情形下測風(fēng)質(zhì)量較好的翔安、永安、武平站，在有降水情形下，測風(fēng)質(zhì)量仍是其中較好的。

圖12 風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)速與GFS 背景場標(biāo)準(zhǔn)差的垂直分布（藍(lán)線：有降水；黑線：無降水；紅線：所有樣本）Fig.12 Vertical distributions of u-wind speed standard deviations of wind-profiler radar products relative to GFS background (blue line denotes samples with precipitation, black line indicates samples without precipitation, and red line shows all samples)

5 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)質(zhì)量控制分析

5.1 風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)高可信度區(qū)間的確定

對福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)獲取率（圖2）、相對于模式背景風(fēng)場的散點(diǎn)分布（圖3，圖4）及其偏差隨高度的分布特征（圖5，圖6）等進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)：

（1）同為L 波段LC 型號風(fēng)廓線雷達(dá)，CFL-06 和CFL-03 系列雷達(dá)間差異明顯，前者在水平風(fēng)的最大探測高度、有效數(shù)據(jù)獲取率和探測低層水平風(fēng)的質(zhì)量等方面明顯優(yōu)于后者。

圖13 有降水減無降水情形下風(fēng)廓線雷達(dá)（a，b）u 風(fēng)速、（c，d）v 風(fēng)速相對GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差差值的垂直分布Fig.13 Vertical distributions of differences in standard deviations of (a, b) u-wind speed and (c, d) v-wind speed detected by wind-profiler radars against GFS background with and without precipitation

（2）在同一系列雷達(dá)中，探測水平風(fēng)質(zhì)量也存在巨大差異。如武夷山和永安均為CFL-03 系列雷達(dá)，其測風(fēng)模式、測風(fēng)起始和終止高度、低模和高模銜接層次等完全一致，且海拔高度相近，均為我國內(nèi)陸東南山地風(fēng)廓線雷達(dá)站，但兩者測風(fēng)能力相差較大，永安明顯優(yōu)于武夷山，表現(xiàn)在：永安水平風(fēng)數(shù)據(jù)獲取率明顯高于武夷山站；永安水平風(fēng)偏差值在各高度分布均勻，異常點(diǎn)較少，而武夷山站在600 m 以下低層和6720 m 以上的高層有較多異常偏差值，極大偏差值超過?60 m s?1；永安各層標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于武夷山，特別是6720 m 以上的高層。福清與武夷山、永安雷達(dá)低、高模銜接高度略有不同，但其測風(fēng)質(zhì)量卻明顯差于永安和武夷山，其水平風(fēng)偏差異常點(diǎn)多，異常程度高，并在各高度層均有分布，在風(fēng)廓線雷達(dá)水平0 風(fēng)速附近存在明顯的“零污染帶”現(xiàn)象。

（3）CFL-06 系列的9 部雷達(dá)中，探測水平風(fēng)質(zhì)量也存在巨大差異。如翔安和平潭測風(fēng)模式完全一致，且海拔高度相近，均為我國東南沿海風(fēng)廓線雷達(dá)站，但兩者測風(fēng)能力相差較大，翔安明顯優(yōu)于平潭，表現(xiàn)在：翔安水平風(fēng)場散點(diǎn)分布基本沿對角線分布，偏差在各層分布均勻，異常點(diǎn)較少；而平潭在風(fēng)廓線雷達(dá)水平0 風(fēng)速附近存在明顯的“零污染帶”現(xiàn)象，異常偏差點(diǎn)主要分布在4～7.5 km 高度，翔安各層標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于平潭。其他雷達(dá)站間差異也非常大。

以上分析可見，福建12 部雷達(dá)同為L 波段LC 型號風(fēng)廓線雷達(dá)，但測風(fēng)質(zhì)量相差很大，其有效探測高度、偏差異常所在的高度、數(shù)據(jù)可信度高的層次各不相同。朱立娟（2015）對20 部LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)一個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析后，發(fā)現(xiàn)水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差在3 km 高度以上開始明顯遞增，因此將3 km 設(shè)定為該型號雷達(dá)的有效探測高度，從而將u、v 風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別由5.19 m s?1和3.95 m s?1減小為2.51 m s?1和2.59 m s?1，極大地降低了LC型號風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)入模式的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。王丹等（2019）則結(jié)合吳蕾等（2013）、朱立娟（2015）已有研究經(jīng)驗(yàn)將LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度設(shè)定為4 km 進(jìn)行質(zhì)量控制。本文分析表明，基于所有風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)資料分析得到的整體誤差特征，會(huì)掩蓋不同雷達(dá)誤差特征的差異性和多樣性。如以u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差大于4.5 m s?1所在的最低高度為例，福清站僅為840 m，而與其同系列的永安和武夷山站則分別可以達(dá)到6840 m 和6720 m；而在另一系列的9 部雷達(dá)中，最差的連城站為3870 m，最優(yōu)的翔安和武平站則能達(dá)到10110 m。因此，設(shè)定統(tǒng)一的高度作為LC 型號風(fēng)廓線雷達(dá)的有效探測高度來進(jìn)行質(zhì)量控制，一方面可能無法將某些質(zhì)量較差的測風(fēng)數(shù)據(jù)剔除，另一方面更為重要的是，可能會(huì)丟掉許多“好”的數(shù)據(jù)，從而無法最大限度地發(fā)揮探測資料的價(jià)值。因此，為了最大限度地使用探測資料，針對各風(fēng)廓線雷達(dá)站分別開展水平測風(fēng)質(zhì)量分析，制定差異化的質(zhì)量控制方案顯得尤為必要。

基于前文分析結(jié)果，以標(biāo)準(zhǔn)差不大于4.5 m s?1作為閾值來選取各雷達(dá)站水平風(fēng)可信度高的范圍，表3 列出了各站u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差小于4.5 m s?1的區(qū)間范圍，基于連續(xù)性考慮，一旦某高度層標(biāo)準(zhǔn)差大于閾值，即視為終止高度，其上再出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差小于閾值的高度層將不被采信。由表3 可見各雷達(dá)站u、v 風(fēng)可信度高的區(qū)間范圍各不相同，差異很大，如u 風(fēng)在福清站的可信度高的區(qū)間終止高度為720 m，而翔安站和武平站可達(dá)9870 m，其余9站則在3750～7710 m 不等；v 風(fēng)可信度高的區(qū)間終止高度差異也極大，從1680～9870 m 不等。u、v 風(fēng)可信度高的范圍并不完全一致，兩者重合的范圍即作為該雷達(dá)站水平風(fēng)可信度高的區(qū)間范圍（表3）。

表3 福建風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差小于4.5 m s?1 的高度Table 3 Heights with the standard deviation of horizontal winds detected by Fujian wind-profiler radars less than 4.5 m s?1

5.2 不同質(zhì)量控制方案的對比分析

朱立娟（2015）、王丹等（2019）采用固定有效探測高度的方法對LC 邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)進(jìn)行質(zhì)量控制，取得了較好效果，那么如果根據(jù)每部雷達(dá)特點(diǎn)制定差異化的質(zhì)量控制方案其效果又會(huì)如何呢？本文統(tǒng)計(jì)分析得到的福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)不同的有效探測高度（表1）及不同的水平風(fēng)高可信度區(qū)間（表3），是否可以作為制定差異化質(zhì)量控制方案的依據(jù)？與3 km 固定有效探測高度方案相比，其質(zhì)量控制效果如何？為回答上述問題，本文針對福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)開展以下三種質(zhì)量控制方案的對比分析。

方案1：固定有效探測高度（3 km）質(zhì)量控制方案，也即各雷達(dá)3 km 高度以上的數(shù)據(jù)將被剔除。

方案2：不同有效探測高度質(zhì)量控制方案，也即各雷達(dá)采用表1 所對應(yīng)的有效探測高度，其上高度的數(shù)據(jù)將被剔除。

方案3：不同高可信度區(qū)間質(zhì)量控制方案，也即各雷達(dá)根據(jù)表3 將不在高可信度區(qū)間范圍之內(nèi)的數(shù)據(jù)予以剔除。

圖14a–c 分別給出了采用上述三種方案質(zhì)量控制前后的水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差、平均誤差及剔除數(shù)據(jù)比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖中0 代表原始數(shù)據(jù)；1 代表剔除了3 km 以上高度的數(shù)據(jù)；2 代表剔除了數(shù)據(jù)獲取率小于80%所在高度層的數(shù)據(jù)；3 代表剔除了u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差≥4.5 m s?1所在高度層的數(shù)據(jù)。由原始數(shù)據(jù)的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，各雷達(dá)站u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差差異很大，永安和翔安站最小，分別為2.72 m s?1和2.73 m s?1，福清站最大，為7.34 m s?1。除永安、翔安和武平u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差在3 m s?1以下外，其余9 站均大于3.36 m s?1，5 站大于4.34 m s?1。v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差僅除武夷山和永安略大于u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差外，其余10 站均小于u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差。u 風(fēng)平均誤差在?0.67 m s?1（翔安）～?2.35 m s?1（福清）間，均為負(fù)偏差，除翔安（?0.67 m s?1）和德化（?0.96 m s?1）外，其余各站平均誤差均較大。v 風(fēng)平均誤差小于u 風(fēng)，數(shù)值在?0.06～?1.22 m s?1間，僅德化和平潭平均誤差超過?1 m s?1。

圖14 （a）方案1、（b）方案2 及（c）方案3 質(zhì)量控制前后福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差（STD）、平均誤差（ERR）及數(shù)據(jù)剔除率（PDR）（0 代表無質(zhì)量控制，1、2、3 分別代表方案1、方案2 和方案3）Fig.14 Standard deviations (STDs) and mean errors (ERR) of horizontal winds detected by 12 wind-profiler radars in Fujian Province against GFS background and their percentages of data rejection (PDR)before and after QC with schemes 1 (a), 2 (b), and 3 (c), respectively (0 indicates no QC. 1, 2, and 3 denote QC with schemes 1, 2, and 3,respectively)

采用方案1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖14a）可見，除翔安和永安原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差本來就不大，因而剔除3 km 高度以上數(shù)據(jù)后誤差無明顯變化外，大多數(shù)雷達(dá)站u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小，由原始數(shù)據(jù)的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差2.72～7.34 m s?1減小到2.25～5.35 m s?1，v 風(fēng) 標(biāo) 準(zhǔn) 差 則 由2.49～5.13 m s?1減 小 到2.33～4.12 m s?1，u 風(fēng)平均誤差由?0.67～?2.35 m s?1減小到?0.42～?1.23 m s?1，v 風(fēng)平均誤差由?0.06～?1.22 m s?1減小到0.2～?0.97 m s?1及0.13 m s?1，u、v 風(fēng)均值偏離0 m s?1的程度總體上有所減小，偏差值基本在0 m s?1附近。因此，將3 km 作為各雷達(dá)站的有效探測高度，剔除3 km 高度以上的數(shù)據(jù)后，確實(shí)極大地降低了風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均誤差，但福清雷達(dá)u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差（5.35 m s?1和4.12 m s?1）仍顯著偏大。同時(shí)注意到，各雷達(dá)站被剔除的數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)的比例為20.87%～51.04%，其中CFL-06 系列的9 部雷達(dá)數(shù)據(jù)剔除率均在50%左右。

采用方案2 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖14b）發(fā)現(xiàn)，該差異化的質(zhì)量控制方案，也能夠在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降低水平風(fēng)誤差，u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小到2.56～5.23 m s?1，v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小到2.28～4.29 m s?1，u 風(fēng)平均誤差減小到?0.26 ～?1.74 m s?1，v 風(fēng)平均誤差減小到?0.15～?1.13 m s?1及0.18 m s?1，各雷達(dá)站被剔除的數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)的比例為12.13%～34.83%，說明采用不同有效探測高度的差異化質(zhì)量控制方案也能夠在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降低水平風(fēng)的誤差，且剔除的數(shù)據(jù)相對較少，其中CFL-06 系列的9 部雷達(dá)數(shù)據(jù)剔除率降至12%～19%。同時(shí)注意到，盡管水平風(fēng)誤差與原始數(shù)據(jù)相比有所減小，但福清、羅源、連城、平潭等站誤差依然較大。

而采用方案3 的誤差對比（圖14c）分析表明，各雷達(dá)站剔除不同高可信度區(qū)間范圍之外的資料后，也能夠在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降低水平風(fēng)誤差，各雷達(dá)站u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小到了2.43～3.93 m s?1，v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差 減 小 到 了2.28～3.56 m s?1，u 風(fēng) 平 均 誤 差 為?0.63～?1.29 m s?1及1.36 m s?1，v 風(fēng)平均誤差為?0.14～?1.12 m s?1及0.92 m s?1，較原始數(shù)據(jù)誤差均明顯降低，各雷達(dá)站被剔除的數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)的比例為0.36%～78.3%，說明采用不同高可信度區(qū)間的差異化質(zhì)量控制方案也能夠在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降低水平風(fēng)的誤差，但剔除數(shù)據(jù)在不同雷達(dá)間存在明顯差異。

以上分析表明，采用3 km 固定有效探測高度、不同有效探測高度及不同高可信度區(qū)間等三種質(zhì)量控制方案，均能夠在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上降低水平風(fēng)誤差，但各方案誤差減小幅度不同，剔除數(shù)據(jù)比例亦不同。為進(jìn)一步了解三種質(zhì)量控制方案的特點(diǎn)和差異，下面對比分析三種不同質(zhì)量控制方案對每一個(gè)雷達(dá)站的影響（圖15），發(fā)現(xiàn)了以下特征：

圖15 三種不同質(zhì)量控制方案下風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差及數(shù)據(jù)剔除率（STD 代表標(biāo)準(zhǔn)差；PDR 代表數(shù)據(jù)剔除率；數(shù)字代表相應(yīng)的質(zhì)量控制方案）Fig.15 Standard deviations of horizontal winds detected by windprofiler radars against GFS background and their percentages of data rejection with three different QC schemes (STD denotes standard deviation. PDR indicates percentages of data rejection. Numbers i ndicate the corresponding QC scheme)

（1）對翔安、永安、武平、武夷山、建甌、建寧、德化等原始數(shù)據(jù)水平風(fēng)誤差相對較小的雷達(dá)站，三種質(zhì)控方案誤差差異不大，但兩種差異化質(zhì)量控制方案極大地降低了固定有效探測高度方案對“好”數(shù)據(jù)的剔除，尤其是不同高可信度區(qū)間方案，效果更為顯著。

具體而言，翔安風(fēng)廓線雷達(dá)原始數(shù)據(jù)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.73 m s?1（2.58 m s?1），采用方案1、方案2 及方案3 等三種不同質(zhì)控方案后則分別減小為2.72 m s?1（2.50 m s?1）、2.64 m s?1（2.49 m s?1）和2.71 m s?1（2.57 m s?1），三種方案誤差差異不大，但數(shù)據(jù)剔除率卻相差極大，方案1 高達(dá)50.09%，方案2 降低為17.08%，方案3 則進(jìn)一步降低，僅為0.36%。也即采用方案1 翔安有一半的數(shù)據(jù)被剔除掉，而這些數(shù)據(jù)質(zhì)量并不差；采用方案2 和方案3 僅剔除17.08%和0.36%的數(shù)據(jù)即達(dá)到了與方案1 剔除了50.09%的數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)男Ч?。類似的還有永安站，原始數(shù)據(jù)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.72 m s?1（2.95 m s?1），采用方案1、方案2 及方案3 進(jìn)行質(zhì)控后u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.52 m s?1（3.05 m s?1）、2.56 m s?1（3.05 m s?1）和2.67 m s?1（2.94 m s?1），u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差均有所下降，v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差除了方案3 有所下降外，其余兩個(gè)方案略有上升。同樣的，三種方案誤差差異不大，但數(shù)據(jù)剔除率卻相差極大，方案1 高達(dá)37.56%，方案2 降低為26.38%，而方案3 則僅為1.38%。武平站原始數(shù)據(jù)、采用方案1、方案2 以及方案3 后u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.86 m s?1、2.47 m s?1、2.65 m s?1和2.85 m s?1；v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.78 m s?1、2.66 m s?1、2.63 m s?1和2.77 m s?1，三種質(zhì)控方案下水平風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)差均有所降低，其中方案3 誤差減小的最少。三種方案標(biāo)準(zhǔn)差都小于3 m s?1，均在可以接受的范圍之內(nèi)，但方案1 卻以剔除了48.71%的數(shù)據(jù)為代價(jià)，方案2 將該比例降低為19.04%，而方案3 則進(jìn)一步降低為0.32%。因此，對于翔安、永安和武平風(fēng)廓線雷達(dá)站而言，三種質(zhì)控方案水平風(fēng)誤差相差不大，但數(shù)據(jù)剔除率差異巨大：方案1 數(shù)據(jù)剔除率在37.56%～50.09%，方案2 為17.08%～26.38%，方案3 則為0.32%～1.38%。

武夷山、建甌、建寧、德化站，采用方案2 和方案3 的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差高于（方案2 下武夷山除外）、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差低于（武夷山、建甌、建寧）或接近于（德化）方案1 的標(biāo)準(zhǔn)差，三種方案u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差差值絕對值范圍在0.01～0.29 m s?1，相對而言相差不大，并且除武夷山站v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差仍然大于3 m s?1外，其余均小于3 m s?1，但方案2 和方案3 的資料剔除率相較方案1 明顯減少，其中方案2下武夷山、建甌、建寧、德化站的資料剔除率分別減少了?9.98%、31.11%、31%和27.36%；方案3則分別減少了16.57%、34.44%、43.69%和25.55%，除方案2 武夷山站資料剔除率略有增長外，其余均減小，且方案3 較方案2 資料剔除率減小的幅度更大（德化除外）。注意到，盡管武夷山站方案2 較方案1 數(shù)據(jù)剔除率增加了9.98%，但方案2 的u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差較方案1 均有所減少；而德化站方案3較方案2 資料剔除率增加了1.81%，但方案3 的u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差較方案2 均有所降低。

以上分析表明，對于翔安、永安、武平、武夷山、建甌、建寧、德化而言，不同高可信度區(qū)間方案最優(yōu)，不同有效探測高度方案次之，3 km 固定有效探測高度方案再次之。

（2）對福清等原始數(shù)據(jù)水平風(fēng)誤差相對極大的雷達(dá)站，采用固定有效探測高度方案后誤差依然較大，但兩種差異化質(zhì)控方案可進(jìn)一步剔除“壞”數(shù)據(jù)，使誤差進(jìn)一步有所下降，尤其是不同高可信度區(qū)間方案，效果更為顯著。具體而言，福清站原始數(shù)據(jù)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為7.34 m s?1（5.13 m s?1），采 用 方 案1 后u（v）風(fēng) 標(biāo) 準(zhǔn) 差 降 至5.35 m s?1（4.12 m s?1），誤差仍然非常大；采用方案2 后u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)一步降至5.23 m s?1（3.97 m s?1），但仍較大；采用方案3 后u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差降至3.93 m s?1（3.16 m s?1），誤差較前兩種方案明顯降低。方案1 數(shù)據(jù)剔除率為30.93%，方案2 增加為34.83%，而方案3 則進(jìn)一步增加為78.3%，說明不同高可信度區(qū)間方案有效地實(shí)現(xiàn)了差異化的質(zhì)量控制目標(biāo)，效果非常顯著。以上分析表明，對福清站而言，不同高可信度區(qū)間方案最優(yōu)，不同有效探測高度方案次之，3 km 固定有效探測高度方案再次之。

（3）對羅源、連城、平潭、平和等原始數(shù)據(jù)水平風(fēng)誤差相對較大的雷達(dá)站，不同高可信度區(qū)間方案最優(yōu)，3 km 固定有效探測高度方案次之，不同有效探測高度方案再次之。具體而言，羅源、連城、平潭、平和站，u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差在4.34 m s?1（羅源站）～5.42 m s?1（平和站），如圖15 所示可見方案1 與方案3 分別將羅源、平和站的u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差降到了2.79 m s?1和2.43 m s?1以下，其中方案3 較方案1 的資料剔除率分別降低了17.93%和27.35%；而方案2 則不同，雖然其較方案1 的資料剔除率降低幅度更大（分別為36.87%和34.48%），但其u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.92 m s?1和3.23 m s?1，仍然較大。對連城站而言，原始數(shù)據(jù)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為4.88 m s?1（4.66 m s?1），采用方案1 后數(shù)據(jù)剔除率為50.96%，標(biāo)準(zhǔn)差降至3.45 m s?1（3.54 m s?1），誤差仍較大；采用方案3 后數(shù)據(jù)剔除率提高為57.07%，標(biāo)準(zhǔn)差則進(jìn)一步降至3.42 m s?1（3.38 m s?1），進(jìn)一步說明了不同高可信度區(qū)間質(zhì)量控制方案的優(yōu)越性。對平潭站而言，原始數(shù)據(jù)u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為4.81 m s?1（3.19 m s?1），方 案1 將 標(biāo) 準(zhǔn) 差 降 至3.28 m s?1（2.91 m s?1），資料剔除率51.04%；方案3 則進(jìn)一步將標(biāo)準(zhǔn)差降至3.11 m s?1（2.72 m s?1），誤差明顯降低，但數(shù)據(jù)剔除率卻降低為33.29%，表明對平潭站而言，相較于不同高可信度區(qū)間的質(zhì)控方案，固定有效探測高度方案剔除了更多的資料，誤差卻不降反升，表明許多“好”數(shù)據(jù)被剔除了。對連城和平潭站而言，方案2 數(shù)據(jù)剔除率低于另外兩種方案，但其未將誤差降至合理區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)差仍然高達(dá)4.66 m s?1和4.83 m s?1，說明不同有效探測高度方案對連城和平潭站質(zhì)控效果不好。

綜上所述，對福建12 部風(fēng)廓線雷達(dá)而言，均是不同高可信度區(qū)間方案最優(yōu)；其中對翔安、永安、武平、福清、武夷山、建甌、建寧、德化等8 部雷達(dá)而言，不同有效探測高度方案優(yōu)于3 km 固定有效探測高度方案；而對羅源、連城、平潭、平和等4 部雷達(dá)而言，則反之。以上分析表明，采用差異化的質(zhì)量控制方案，特別是不同高可信度區(qū)間方案，不同雷達(dá)站的水平測風(fēng)數(shù)據(jù)得到更加充分和有效的識別，一方面減少了不必要的資料損失，另一方面則可將質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)進(jìn)一步加以剔除。

5.3 有降水時(shí)水平風(fēng)場質(zhì)量控制方案

基于4.2.2 節(jié)統(tǒng)計(jì)的各雷達(dá)站在有降水情形下u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差隨高度的分布特征，同樣以標(biāo)準(zhǔn)差不大于4.5 m s?1作為閾值得到了各雷達(dá)站水平風(fēng)可信度高的連續(xù)區(qū)間范圍（表4），與不區(qū)分有無降水所有樣本統(tǒng)計(jì)得到的高可信度區(qū)間范圍（表3）相比，可見永安、建甌、羅源、德化、平潭和平和站在有降水情形下的高可信度區(qū)間范圍更大，翔安站范圍相同，而武夷山、福清、武平、建寧和連城站范圍則略有減小。

依照高可信度區(qū)間方案對有降水情形下的各風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量控制，也即在有降水情形下，各雷達(dá)按照表4 將高可信度區(qū)間范圍之外的數(shù)據(jù)予以剔除。圖16 給出了有降水情形下各雷達(dá)站質(zhì)量控制前后的水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差分布，可見，有降水情形下原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的各雷達(dá)站水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差差異很大，u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為3.12 m s?1～7.88 m s?1，v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.83 m s?1～5.54 m s?1，經(jīng)初步質(zhì)量控制后，u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小為2.93 m s?1～4.33 m s?1，v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小為2.71 m s?1～4.20 m s?1，各雷達(dá)站u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差經(jīng)質(zhì)量控制后均有所減小，其中翔安、武平、永安等3 部水平風(fēng)質(zhì)量較好的雷達(dá)在質(zhì)量控制后u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差降低幅度較小，其余9部雷達(dá)質(zhì)控后u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差均有較大幅度的減小，特別是福清、羅源、連城、平潭、平和等站，水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差減小幅度最高達(dá)到了51%。

表4 有雨情形下福建風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差小于4.5 m s?1的高度Table 4 Heights with the standard deviation of horizontal winds detected by Fujian wind-profiler radars less than 4.5 m s?1 under precipitation condition

圖16 有降水情形下不同高可信度區(qū)間方案質(zhì)量控制前后風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)與GFS 背景場的標(biāo)準(zhǔn)差（0 代表有降水樣本；3 代表有降水樣本中剔除了u、v 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差≥4.5 m s?1 所在高度層的數(shù)據(jù)）Fig.16 Standard deviations of horizontal winds detected by windprofiler radars against GFS background before and after quality control with schemes of different high-confidence ranges under precipitation conditions (0 denotes all samples with precipitation, and 3 denotes samples whose data at heights with standard deviations of u and v greater than 4.5 m s?1 are rejected under precipitation conditions)

以上分析可見，基于有降水情形風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的不同高可信度區(qū)間的質(zhì)量控制方案也對有降水情形下水平風(fēng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制取得了較好的效果。

6 結(jié)論與討論

以2017 年1～12 月逐日四個(gè)時(shí)次（00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)、18 時(shí)）GFS 全球預(yù)報(bào)分析場作為數(shù)值預(yù)報(bào)背景場，結(jié)合地面降水資料，面向資料同化分析了福建12 部L 波段LC 型號邊界層和低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)產(chǎn)品的質(zhì)量特征，并初步探討了三種質(zhì)量控制方案的影響差異，結(jié)果表明：

（1）L 波段風(fēng)廓線雷達(dá)CFL-06 系列和CFL-03 系列差異明顯，前者在水平風(fēng)的最大探測高度、有效數(shù)據(jù)獲取率和探測低層水平風(fēng)的質(zhì)量等方面明顯優(yōu)于后者。

（2）福建相同系列的不同風(fēng)廓線雷達(dá)站探測水平風(fēng)的數(shù)據(jù)獲取率、有效探測高度、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)及偏差的垂直分布特征等存在極大差異，該差異的原因與地理位置（沿?；騼?nèi)陸）、海拔高度等并無直接關(guān)系。地物雜波、間歇性干擾、降水干擾、地磁干擾、雷達(dá)性能參數(shù)、雷達(dá)儀器靈敏度、均勻風(fēng)的假定、雷達(dá)的信噪比等均是影響風(fēng)廓線雷達(dá)測風(fēng)精度的因素，然而究竟是哪些因素在福建12 部雷達(dá)探測水平風(fēng)的數(shù)據(jù)獲取率、有效探測高度、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)及偏差垂直分布特征的差異性中起到了關(guān)鍵性作用，值得進(jìn)一步開展研究。

（3）相同系列的不同風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)質(zhì)量存在極大差異。CFL-03 系列的3 部風(fēng)廓線雷達(dá)中，永安風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)場質(zhì)量相對最優(yōu)，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.72 m s?1（2.95 m s?1）；武夷山次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為3.69 m s?1（3.70 m s?1）；福清最差，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差高達(dá)7.34 m s?1（5.13 m s?1）。CFL-06 系列的9 部風(fēng)廓線雷達(dá)中，翔安風(fēng)廓線雷達(dá)探測水平風(fēng)場質(zhì)量相對最優(yōu)，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.73 m s?1（2.58 m s?1）；武平次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.86 m s?1（2.78 m s?1）；建甌、建寧、德化、羅源、平潭、平和、連城依次再次之，u（v）風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差范圍為3.36 m s?1～5.42 m s?1（2.76 m s?1～4.66 m s?1）。

（4）福清、建甌、羅源、建寧、連城、德化、平潭和平和站均在風(fēng)廓線雷達(dá)u 風(fēng)0 風(fēng)速附近出現(xiàn)較多異常偏差點(diǎn)，其背景風(fēng)往往為較強(qiáng)西風(fēng)，異常偏差點(diǎn)所在高度相對集中，但不同雷達(dá)站不盡相同。其中福清異常偏差點(diǎn)明顯多于其他站，各高度層均有分布。

（5）各風(fēng)廓線雷達(dá)站探測u 風(fēng)速相對背景場存在明顯系統(tǒng)性負(fù)偏差，小于背景場，不滿足資料同化對背景場無偏的需求，在資料同化中需經(jīng)過偏差訂正去除該系統(tǒng)偏差；而v 風(fēng)則相對較好。

（6）不同風(fēng)廓線雷達(dá)站探測水平風(fēng)的能力相差很大，針對不同雷達(dá)制定差異化的質(zhì)量控制方案十分必要。本文提出了不同高可信度區(qū)間和不同有效探測高度兩種差異化質(zhì)量控制方案，并與固定有效探測高度方案進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，本文提出的兩種差異化質(zhì)量控制方案具有明顯優(yōu)勢，特別是不同高可信度區(qū)間方案，表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性：差異化質(zhì)量控制效果顯著，不同雷達(dá)站的水平測風(fēng)數(shù)據(jù)得到更加充分和有效的識別，一方面減少了雷達(dá)資料不必要的損失，另一方面可將質(zhì)量差的數(shù)據(jù)進(jìn)一步剔除。

（7）降水對風(fēng)廓線雷達(dá)水平風(fēng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)獲取率和測風(fēng)質(zhì)量均有較明顯的影響。有降水使數(shù)據(jù)獲取率在中低層有所減小，在中高層則大幅提高。對3 km 以下的中低層風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)而言，降水使其整體質(zhì)量有所降低，但對3 km 以上的中高層而言，降水對其影響較為復(fù)雜，一方面增加了v 風(fēng)的誤差，但另一方面又極大地降低了u 風(fēng)的誤差。根據(jù)有降水情形下各雷達(dá)站水平風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差垂直分布特征確定的不同雷達(dá)站高可信度區(qū)間的質(zhì)量控制方案，在有降水情形下也得到了較好的效果。

翔安風(fēng)廓線雷達(dá)站水平測風(fēng)質(zhì)量明顯優(yōu)于其他測站，是什么原因?qū)е孪嗤吞栂嗤盗胁煌走_(dá)站水平測風(fēng)質(zhì)量出現(xiàn)極大差異？翔安、平潭風(fēng)廓線雷達(dá)均位于沿海，且均為L 波段低對流層風(fēng)廓線雷達(dá)CFL-06 系列，兩者的低模和高模工作模態(tài)也完全一致，但兩者測量水平風(fēng)能力差異較大，與GFS全球背景風(fēng)場相比，翔安明顯優(yōu)于平潭，特別是在4～7.5 km 高度上，是什么原因引起的兩者在該高度上水平測風(fēng)能力的極大差異尚不清楚，需要進(jìn)一步探討。翔安風(fēng)廓線雷達(dá)站在建設(shè)中是否有什么經(jīng)驗(yàn)使得其數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)？在后續(xù)建設(shè)雷達(dá)站時(shí)是否可以借鑒其經(jīng)驗(yàn)？這些都需要進(jìn)一步深入分析。

另外，總體而言，福建風(fēng)廓線雷達(dá)探測u 風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)差明顯大于v 風(fēng)，并且u 風(fēng)偏差明顯大于v 風(fēng)偏差的點(diǎn)幾乎全部集中于高模探測高度上，是什么原因?qū)е碌脑摤F(xiàn)象尚不清楚，而統(tǒng)計(jì)分析風(fēng)廓線雷達(dá)探測高度上水平風(fēng)場不均勻性的總體特征、并詳細(xì)了解風(fēng)廓線雷達(dá)站各種探測模式的雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)，可能有助于理解u、v 風(fēng)探測質(zhì)量的差異。

需要指出的是，本文對有降水情形下的風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)數(shù)據(jù)采用不同高可信度區(qū)間質(zhì)量控制方案取得了較理想的效果，但由于本文定義的有降水情形為統(tǒng)計(jì)時(shí)刻前、后3 h 之間地面觀測有降水，因此實(shí)時(shí)應(yīng)用該方案時(shí)，對統(tǒng)計(jì)時(shí)刻及之前3 h 地面觀測無降水、但統(tǒng)計(jì)時(shí)刻后3 h 地面觀測出現(xiàn)降水的情形無法準(zhǔn)確判別為有降水情形。

不同風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)質(zhì)量相差極大，針對每一部風(fēng)廓線雷達(dá)開展詳盡的質(zhì)量分析，尋找其誤差分布特征，進(jìn)而制定差異化的質(zhì)量控制方案是最大最優(yōu)化利用好風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)數(shù)據(jù)的有效途徑。本文提出的不同高可信度區(qū)間質(zhì)量控制方案在風(fēng)廓線雷達(dá)水平測風(fēng)數(shù)據(jù)資料同化中的應(yīng)用效果如何，需開展數(shù)值試驗(yàn)研究，將另文討論。