北斗测风与L波段雷达测风的差异性分析_张明.pdf

2期引言无线电探空作为高空气象探测领域最普遍、最基本的手段1，其在大气各个高度上所探测的气压、气温、相对湿度和风等资料，是我国综合气象观测系统的基本气象资料之一2。探空作为综合气象观测系统中唯一能同时提供三维大气信息的观测系统，其探测资料不仅广泛应用于大中尺度的天气分析、预报及气候变化监测等36，同时也常被用于各种大气遥感观测资料、卫星反演资料等的校准检验711。目前，我国高空风探测主要依靠L波段雷达电子探空仪组成的探空系统，通过L对探空仪定位所获得的斜距、仰角、方位角和时间等参数，计算探空气球所携带的探空仪在大气中的水平移动速度和方向，即为对应高度的水平风向和风速12，其测风精度与雷达的定位精度有较大关系。然而雷达在低仰角下对斜距的测量精度较低，其定位精度受探空仪离测站距离的影响也较大13，同时雷达的维护标定水平亦会造成一定程度的测量误差14，而全球高空探测业务的主流产品导航型探空仪1在有4颗及以上卫星时既有较好的定位精度，同时还不受探空仪离测站距离的影响12，因此，相较于国际先进水平，我国高空风观测质量还有一定的差距14。随着继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后的第3个卫星导航系统（北斗卫星导航系统）在我国的研制及投入使用，中国气象局自2010年开始了北斗探空系统的研制，以缩小与世界高空探测技术的差距1。随着我国北斗卫星导航系统的逐步完善、北斗探空仪技术的不断成熟以及考虑探空经济成本和加密观测的进一步需求，郭启云等15指出我国探空业务将从L波段二次雷达测风逐步过渡到卫星导航测风，中国气象局气象探测中心亦在北斗导航探空技术的基础上研发了一种新型往返平漂式探空技术，实行对探空气球的一次施放，通过对上升段平流层平飘段下降段的多段观测，实现探空的间接加密16，可以有效弥补常规探空在时间和空间上的不足17。目前，我国北斗探空技术即基于北斗卫星导航系统的探空仪及地面接收系统仍处于完善阶段，无论是业务推广应用，还是球载式探空技术的发展都收稿日期：2022-09-10基金项目：宜昌市气象局2021年科技项目“三种新型探空仪的质量评估及风险应对措施”作者简介：张明（1987），高级工程师，主要从事综合气象观测技术与资料处理研究。*通讯作者：杜裕（1987），高级工程师，主要从事气象服务研究与应用。北斗测风与 L 波段雷达测风的差异性分析张明1，2，杜裕1，汤淼1（1宜昌市气象局，湖北 宜昌443000；2三峡国家气候观象台，湖北 宜昌443000）摘要：利用湖北省宜昌国家基本气象站获得的北斗（以下简称BD）测风和L波段雷达（以下简称L）测风资料，对获取的高频率采样秒数据，通过不同的滑动方式处理后，比较分析了BD与L的风向以及东风、北风风速的一致性及差异情况。结果表明，BD与L的东风、北风风速以及两者探测的风向差异均较小，具有较好的一致性，相关系数均能达到099；在具备足够多的试验资料时，采样数据的滑动处理对数据整体结果分析的影响较小，但对具体差异仍有一定影响，总体上，对测风差异结果的影响为：风向东风风速北风风速；在对较高采样频率的数据使用时，特别是在试验资料较少时，需正确选用合理的处理方式，以消除由于外界因素造成的虚假信息。关键词：L波段雷达；北斗；平均风速；滑动中图分类号：P412.25文献标识码：Adoi：10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.2.11张明，杜裕，汤淼北斗测风与L波段雷达测风的差异性分析J气象研究与应用，2023，44（2）：6368Zhang Ming，Du Yu，Tang Miao Difference Analysis between Beidou and Lband RadarJ Journal of Meteorological Research andApplication，2023，44（2）：6368第44卷第2期气象研究与应用Vol.44 No.22023年6月JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATIONJun.202344卷气象研究与应用面临着一个基础问题：其观测质量、探测性能如何，尤其是因定位方式以及探空仪的不同对测风性能所造成的影响如何？张恩红1等在北斗探空系统研制初期通过短期的同球施放试验指出，由于北斗卫星部署的欠缺，其定位精度差，测风精度的提升还需要北斗系统的完善和发展；随着北斗系统的发展，2017年，郭启云15等将北斗探空仪与当时世界上测量性能较好的探空仪RS92进行了为期3d、共10次的同球施放比对试验，通过评估指出，北斗探空仪的测风准确度已接近RS92的探测准确度要求，具有较好的业务使用价值；王丹16等利用6个探空站开展的往返式平漂试验资料指出北斗探空测风基本满足WMO准确性要求，但由于试验中与业务探空的施放时间上存在约30min的差异导致风场测量差异较大。以上研究表明，随着北斗导航系统以及北斗探空仪、接收系统的完善，北斗探空系统的测风性能也在逐渐完善，但相较于常规高空业务，其测风一致性具体如何还未可知。为了回答这些问题，本文基于2021年宜昌高空气象观测站取得的施放时间较为一致的北斗测风和常规业务测风资料，深入分析北斗相较于常规业务L波段雷达的测风差异，以期为常规高空气象业务、往返平漂式探空技术的发展以及北斗测风资料的应用等提供参考。1资料来源与方法1.1资料来源北斗测风资料来源于2021年49月中国气象局大气探测中心在宜昌国家基本气象站（11136E，3074N，海拔2565m）开展的往返式探空试验，每日施放2次北斗探空仪，与现有业务探空放球时间一致、施放地点一致，时间间隔在5min以内，施放地点间隔在50m以内。L波段雷达测风资料来源于宜昌国家基本气象站同期开展的常规业务探空观测，由于常规业务探空仅有上升段资料，本文仅选用北斗探空仪上升段数据进行比较分析。1.2数据质控常规业务探空资料在日常业务中由观测员在探空气球施放中实时处理，主要包括跳变值的剔除以及数据曲线的平滑质控17；北斗测风资料质控参考王丹16等设计的质控算法流程，主要包括（1）僵值检查，即连续60s风速测量值不变，则表示其为僵直，予以剔除；（2）要素一致性检查，即有风向无风速或有风速无风向，则表示测风异常，予以剔除；（3）离群资料检查，由于测风不具备单调性，但考虑其与业务探空测风差异的一致性，本文针对离群值的检查主要包括以下几个步骤：（1）计算某高度下北斗与业务探空测风风速的差值形成不同高度的差值统计样本；（2）在该高度，定义风速差值超过该高度下差值统计样本3倍标准差的资料为离群值5，18-19；（3）针对该高度，找出离群值并予以剔除后形成该高度新的差值统计样本，再次重复寻找离群值并予以剔除，如此反复直至该高度无法找到差值离群值为止；（4）针对各高度筛选离群值并予以剔除。1.3分析内容与方法在资料选择的时间范围内，经过数据质控，共取得有效数据239组（每组有效数据包括各气压层常规业务测风和北斗测风数据）。同时，依据WMO使用的国际探空仪比对方法1，将各组风速分解为南北分量、东西分量，即北向风速（朝北为正、朝南为负）及东向风速（朝东为正、朝西为负），计算北斗（以下简称BD）与L波段雷达（以下简称L）探空测风各自的平均风向风速，以比较BD与L测风的一致性情况。由于卫星定位精度较高，探空仪在升空过程中随气球的摆动会造成探测的虚假风，为消除这种影响，提升BD与L测风数据的可比性，本文根据姚雯12等试验和提出的滑动处理风数据的方法，比较分析BD与L未经过处理的原始测风秒数据以及经过滑动处理后的测风数据。具体滑动处理方法包括：（1）对BD和L测风秒数据均进行30点（相当于30s）滑动平均（以下简称滑动法1）；（2）对L测风数据，在气球施放120min采用30点滑动平均，在2040min采用60点滑动平均，在40min后采用120点滑动平均，而对BD风数据，在气球施放140min采用30点滑动平均，40min后采用60点滑动平均（以下简称滑动法2）。2结果与分析2.1整体情况比较本节主要讨论滑动处理对BD与L测风差异性分析的效果。对于未经处理的原始测风数据以及经两种滑动方法处理后的测风数据，分别计算239组数据的平均东向风速、平均北向风速和平均风向。由图1可知，BD与L的东向、北向风速以及风向均具有较好的一致性，同时与姚雯12等使用23组试验结果不同是：在采样数据足够多的情况下，原始642期秒数据是否进行滑动处理，对两者整体比较分析的影响较小，无论是否经过平滑处理，两者总体的测风相关系数均达到了099（如表1）。这可能是由于足够多组数据的平均处理，亦在一定程度上能够消除虚假风的影响。为进一步了解滑动处理对BD与L测风数据比较的影响情况，分别计算未经处理以及经滑动处理后两者测风的差值，并分别计算未经处理的平均差值与两种滑动方法处理后平均差值的拟合情况如图2，拟合斜率越接近1，说明滑动处理的影响越小，反之则影响越大，同时，斜率越小，滑动处理对两者测风差异的缩小程度越大。即滑动处理对风向结果的影响最大、东向风速次之、北向风速最小。由图2可知，总体上，滑动处理对风向的影响较大，两种滑动方法均对风向差异有一定的缩小，而对风速影响较小，特别是北向风速，差值拟合斜率均接近1（如表2）；同时东向风速及风向在经过滑动法2处理后，较滑动法1进一步缩小了BD与L之间的图1BD与L的测风平均数据比较、o分别为BD和L测风数据a1、b1、c1（a2、b2、c2；a3、b3、c3）分别为原始秒数据、滑动法1处理、滑动法2处理的平均东向风速（北向风速、风向）原始数据 滑动法 1 滑动法 2 东向风速 0.99982894 0.99984838 0.99986795 北向风速 0.988638531 0.98881553 0.98894448 风向 0.997559228 0.99785307 0.99816001 表1不同处理方法下BD与L总体测风数据的相关系数图2BD与L测风的平均差值（a）东向风速；（b）北向风速；（c）风向气压/hPa10005000-30-20-1001020风速/ms-1气压/hPa10005000-30-20-1001020风速/ms-1气压/hPa10005000-30-20-1001020风速/ms-1气压/hPa10005000-2风速/ms-102468气压/hPa10005000-2风速/ms-102468气压/hPa10005000-2风速/ms-102468气压/hPa10005000100风向/150200250300气压/hPa10005000100风向/150200250300气压/hPa10005000100风向/15020025030050张明，杜裕，汤淼：北斗测风与L波段雷达测风的差异性分析(a)(b)(c)滑动处理-风速差/ms-10.5滑动处理-风速差/ms-1滑动处理-风向差/-0.50-11-1.5-1.5-1-0.500.51-0.4-0.6-0.8-1-0.200.20.40.60.8-0.4-0.6-0.8-1-0.200.20.40.60.8151050-5-10-10-505106544卷气象研究与应用差异。综上可知，在采样次数足够的情况下，尽管探测数据是否经过滑动处理对最终的整体结果影响较小，但仍有一定的影响，同时不同的滑动处理对不同要素的影响有所不同。2.2各探测时次测风的比较由前面可知，在采样次数足够多的情况下，无论是否平滑对BD与L测风数据的整体比较影响较小。为了考察平滑处理具体对各探测时次数据比较的影响，本节根据239组测风数据，主要讨论未经处理以及经滑动处理后，BD与L测风数据的差值变化情况。对239次施放气球的测风数据，分别计算未经处理的原始秒数据以及经滑动处理后BD与L之间的东向风速差的拟合斜率如图3。由图可知，滑动处理后的斜率绝大部分在09以下，一定程度上缩小了BD与L测风之间的差异，同时滑动法2较法1又进一步缩小了两者之间的差异，斜率差主要集中在0103。BD与L的北向风速以及风向未经处理与经平滑处理后的差值数据拟合亦存在同样的情况（图略）。2.3滑动处理的不同影响个例从图3斜率差值的变化情况可以看到，仍有部分探测时次的斜率差接近0，即使用两种滑动方法处理对测风比较性的提升程度较为接近，如4月9日19时（图4a）、5月11日07时（图4b）、5月11日19时（图4c）等，可以看到滑动方法2对两种测风数据的差异，较滑动方法1处理后的变化较小。以上结果表明，在该部分探测时次，使用30点滑动处理的方式即能较好的进行两种测风数据的比较，查询数据发现此种情况主要是由于探测资料不足40min所致。同样，亦存在使用滑动方法2后能进一步缩小两种测风数据差异的探测时次，如4月1日19时（图5a）、6月20日07时（图5b）、9月22日07时（图5c）等。综上可知，在使用的探测试验次数较少时，需充分考虑相关数据处理的方式，不同的处理方式会对数据使用结果造成一定的影响。差值拟合斜率 滑动法 1 滑动法 2 东向风速 0.9642297 0.91157404 北向风速 0.9890506 0.97381634 风向 0.7578445 0.61865849 表2不同处理方法下的测风差异与原始秒数据测风差异的拟合斜率图3两种滑动方法处理后的差值与原始秒数据差值的拟合斜率（O、分别为滑动法1、滑动法2处理后与未经处理的BD与L东向风速差值之间拟合斜率；为滑动法1与滑动法2的拟合斜率差值）图44月9日19时、5月11日07时以及5月11日19时BD与L探测的东向风速差值在不同处理方式下的比较(a)(c)滑动处理-风速差风速/ms-1-1123-2-30-4-2024-6-4-2024不滑动处理-风速差/ms-1不滑动处理-风速差/ms-1不滑动处理-风速差/ms-1(b)-1.5-1-0.500.511.5滑动处理-风速差风速/ms-1-2-1012-6024-8-4-2滑动处理-风速差风速/ms-1-8差值拟合斜率次序662期3结论与讨论本文利用湖北省宜昌国家基本气象站获得的同期BD及L测风资料，分别使用经高度匹配的原始秒数据以及经两种滑动方法处理后的数据，比较分析了BD与L测风的一致性，并对不同处理方式下造成的差异结果进行了比较，主要结论如下：（1）BD与L测风的东向、北向风速以及风向均具有较好的一致性，测风相关系数均能达到099。（2）在试验次数足够多的情况下，滑动处理对采样频率较高的测风数据整体一致性分析结果影响较小，但对具体差异结果仍有一定的影响，总体上，对风向结果的影响最大，东向风速次之，北向风速最小。（3）滑动处理在一定程度上缩小了BD与L测风之间的差异，且滑动方法2较方法1能更进一步缩小两者之间的差异。因此，在使用具有较高频率的采样数据时，需充分考虑相关数据处理的方式，以消除由于外界因素造成的虚假数据。但在试验次数较少的情况下，需关注滑动处理对数据差异结果的不同影响，以确定合适的处理方式。北斗探空系统作为我国探空未来发展的趋势，其较L波段雷达可以减少设备标定误差以及降低低仰角、探测距离等对探测结果的影响，但依托北斗卫星的北斗探空仪的探测性能是影响其业务推广和资料应用的重要因素。本文研究表明BD与L测风具有较好的一致性，探测结果基本一致，同时，针对采样频率较高的测风数据，在试验次数较少的情况下，需关注滑动处理对数据差异结果的不同影响，既不能过渡平滑，又要充分利用频率较高的采样资料。参考文献：1 张恩红，曹云昌，朱彬北斗探空系统研发及其测风性能初步分析J应用气象学报，2013，24（4）：4644712 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correlation coefficient reaching 099With sufficient test data，the sliding processing of the sampled data has little influence on the overall resultanalysis，but still has some impact on the specific differences Generally，wind direction has the greatest effect onthe results of wind measurement discrepancies，followed by the east wind speed，and the north wind speed hasthe least effect，especially when there is less test information，and a reasonable processing method needs to becorrectly chosen to eliminate false information due to external factorsKey words：LBand Radar；Beidou；mean wind speed；sliding68