单部多普勒雷达反演三维风场涡度—散度方法的初步研究

涡度－散度反演三维风场的方法是在反演二维风场的涡度－散度方法基础上发展得到的。其基本做法是将垂直方向的涡度方程适当简化，结合涡度和散度的定义，再以连续方程为约束，计算出风场三个方向的分量以及涡度，散度，从而反演到三维风矢量场。初步的试验资料检验结果表明，它是一种具有实用前景的三维风场反演方法。2000年，作者考虑了降水粒子的下落速度对垂直速度的影响，将该方法进一步完善。     

单多普勒雷达径向风场反演散度场的一种新方法

为利用多普勒雷达的径向风速获得实际风场的信息,提出了一种由单多普勒雷达径向风场反演水平散度场的新方法。在二维平面内,以某个探测点为中心,建立一个分析面,在假设风场呈线性变化的前提下,直接由径向风速推导出此探测点的散度值。并对几种典型理想风场的散度场进行了反演试验,试验结果表明,反演的散度场与分析的散度场比较一致。并对反演场与分析场之间的差别进行了讨论。     

多普勒激光雷达风场反演方法研究

采用三维变分同化反演(3DVAR)、 四维变分同化反演(4DVAR) 对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究, 利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据, 反演了海面10 m高度处的风场, 并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析, 结果表明: 3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演, 并能反映出风向的变化, 反演风场与浮标数据基本一致, 在风速较大的天气情况, 3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况; 4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场, 使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场; 反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系, 反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系, 反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明, 这两序列之间具有一定差别, 在风速较小的天气情况下使用时需要注意。     

多普勒雷达积分VAP反演技术

单多普勒雷达风场反演技术对于扩大多普勒雷达的应用范围具有重要的作用。在传统的反演技术中,VAD和VAP技术操作简单,原理清晰,具有一定的实用价值。本文在提出“按方位角均匀假定反演关系”的基础上,进一步证明VAD和VAP技术是“按方位角均匀假定反演关系”的两种特殊应用,进而把这两个方法统一起来。在此基础上,提出采用“按方位角均匀假定反演关系”进行二维风场反演的积分VAP技术(IVAP),该技术与传统VAP技术不同的是在整个选定的反演区间上进行二维风场反演,而不是仅考虑反演区间的两个端点,因此IVAP技术具有滤波性能,而且可以根据需要调整反演区间以得到满足一定平滑性并能反映中小尺度信息的风场信息。采用I-VAP技术反演时可以不对原始资料进行平滑预处理,因此使用中更为方便。当IVAP反演中积分区间为整个扫描圆周时,反演结果与VAD技术一致,而当反演时采用相邻的方位角时,反演结果与VAP技术一致。IVAP技术的频率响应函数表明:IVAP技术对于小尺度扰动具有滤波作用,而且当反演中采用的方位角区间越大时,对较短波动的滤除能力越强,得到的反演风场越平滑。理想试验采用均匀西风叠加小幅随机扰动的流场得到雷达观测径向风,对比分别使用VAP和IVAP方法,用不同的方位角区间反演的西风风速表明,IVAP方法能明显滤去随机高频扰动,而且反演采用的方位角区间越大,反演得到的西风越接近平均值。该试验表明,IVAP方法具有滤除小扰动的特性。采用IVAP方法对线性分布风场得到的雷达观测径向风反演表明,当反演采用的方位角区间较小时,反演结果能反映风场的线性分布特征,当反演的方位角区间逐渐增大时,反演结果越接近平均风场,即与VAD方法的反演结果越接近。该试验表明IVAP方法能得到较高分辨率的反演风场。     

一种新的单部多普勒雷达反演技术

基于一些发展较强的中小尺度天气系统往往与风场的旋转或辐合、辐散有关的事实，文章提出了一种单部多普勒天气雷达径向风场反演二维水平风场的新方法，即涡度-散度方法。文中对1994年7月12日的个例进行了反演处理，处理结果与天气实况进行了对比分析，认为该方法不失为一种具有实用价值的单部多普勒雷达反演水平二维风场的方法。     

单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法(Ⅰ): 方法与对比试验

利用构造的均匀和涡旋风场模拟了单多普勒雷达径向风资料,分析了VAP方法对不同类型风场的反演能力,发现VAP方法对均匀风场反演能力很强,而对涡旋风场反演效果较差,这主要与该方法局地均匀风假定有关。据此,针对不满足VAP方法假定条件的局地非均匀风场,提出了扩展VAP方法,并用模拟资料进行了对比试验,结果表明,扩展VAP方法能显著提高局地非均匀风场的反演能力,反演风场在风速大小和方向上都更趋于合理。通过实例反演以及与双多普勒雷达反演结果对比,进一步证实了扩展VAP方法的反演能力。     

一种改进后的交叉相关法(COTREC)在降水临近预报中的应用

利用多普勒雷达资料,采用一种改进后的交叉相关法(COTREC)建立了一种降水临近预报方法。COTREC法的基本原理是对传统交叉相关法(TREC)反演的风场进行水平无辐散处理,得到COTREC风场,用新的风场外推得出的回波能够保持平滑连续的形状。但是这种方法也存在缺陷,由于采用水平无辐散限制,使得外推反演得到的风场在不同程度上受到削弱,从而外推后的回波略慢于实况观测的回波。通过引入数值预报平均风场作为TREC风场背景场,较好地解决了TREC风场受到削弱的问题,并用该方法对2007年6月23—24日强雷雨天气和2007年台风“圣帕”两次降水过程进行了预报试验,试验结果表明：采用改进后的交叉相关方法的降水临近预报与雷达实际观测比较一致,可作为台风、强对流等灾害性天气的降水临近预报方法之一。     

C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究

研究了双多基地多普勒雷达资料的配对方法、风场反演的区域和精度,并研制了基于三维变分方法的双多基地多普勒雷达系统的风场反演系统.利用安徽四创电子股份有限公司研制的一个主动雷达和两个侧向接收天线组成的双多基地多普勒雷达系统获取的外场试验资料,进行了风场反演试验.该风场反演方法利用主动雷达和被动接收系统测量的径向速度作为弱约束,用质量连续方程作为强约束,来反演三维速度场.利用Advanced Regional Prediction System(ARPS)模式模拟的一次龙卷过程的结果,进行了风场反演的模拟试验.结果表明:双多基地多普勒雷达系统能较准确再现龙卷的中尺度特征和强上升气流的结构,从上下两个方向进行垂直积分可以减小垂直速度的反演误差,利用两个侧向接收系统的资料能进一步减小径向速度随机误差对风场反演的影响,增大风场反演的范围.三个分系统单独获取的资料空间配对效果很好,利用不同雷达径向速度反演的风场比较近似,反演的风场与径向速度定性分析和速度方位显示方法(VAD)结果比较一致,该双多基地多普勒雷达系统同步观测技术设计合理,在实时探测三维风场特别是探测近地层风场方面有广泛的应用潜力.     

长沙机场阵列天气雷达风场验证

利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation,3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果,选取外场试验中10次降水过程,在阵列天气雷达的三维精细探测区内,采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明:在稳定性降水条件下,阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致;在对流性降水条件下,由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降,风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%,29%,水平风向差分别低于14.92°,26.35°,稳定性降水条件下阵列反演风场更优,误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征,水平风场空间分布和风速、风向非常接近。     

用EVAP方法反演冷流暴雪的风场及检验

EVAP(Extended VAP)雷达反演方法是在忽略空气垂直运动速度而考虑云雨粒子下落速度影响的条件下,导出从雷达多仰角多普勒速度资料产生不同高度上的水平径向速度计算公式,然后利用VAP方法来反演出等高面上的二维水平风场.利用烟台多普勒天气雷达资料,采用EVAP方法反演了2005年12月山东半岛两个风场背景条件和暴雪落区均有明显差异的冷流暴雪个例水平风场.将雷达实测的径向速度、反射率因子插值到各等高面上,并与反演的同等高面风场叠加显示,以此分析反演的风场是否与原始雷达数据相符.此外,还与地面自动站风场、高空风场等实测资料进行对比,综合检验反演结果的合理性和可靠性,并进一步分析了冷流暴雪的中尺度风场结构.结果表明,反演风场与实测资料相符;EVAP方法对强风和弱风的冷流暴雪个例都可反演出不同高度的中尺度风场结构,反演的西南风与东北风、西北风与东北风之间的切变线和强回波带相对应,揭示了暴雪产生的动力机制,说明EVAP方法对不同风场条件的暴雪中尺度系统都有一定的反演能力.高时空分辨率的EVAP反演风场弥补了天气图上仅能分析出山东半岛西北风的缺憾,且反演过程中一个体扫的计算时间不足1 min,因此EVAP反演的中尺度风场信息适合在冷流降雪的短时临近预报业务中应用.     

利用多普勒雷达定量估测降水试验

利用南昌多普勒雷达体扫资料和抚州市气象台站自记雨量资料,建立了定量估测降水方程,在抚河流域的不同区域进行了定量估测降水对比试验,据此给出了有利人工增雨作业的多普勒雷达产品判据。结果表明,综合利用多仰角基本反射率、回波顶高和垂直积分含水量进行定量估测降水,效果明显好于单独利用单仰角基本反射率估测定量降水。在降水量≤3 mm时,综合定量估测降水值、常规定量估测降水值与实测降水值比较吻合;在降水量>3 mm、特别是出现较大降水(>5 mm)时,与常规定量估测降水值相比,综合定量估测降水值更接近实测降水值。     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。     

登陆台风的多普勒雷达资料质量控制和水平风场反演

消除噪音和速度模糊、进行水平风场的反演并检验是正确使用和充分利用多普勒雷达探测资料的前提.对2005年8月山东烟台多普勒雷达探测到的0509号台风"麦莎"的存在速度模糊的径向速度资料首先进行噪音和速度模糊消除处理,检验结果表明对资料的退模糊处理是成功的;其次进行了水平风场的反演,并对反演的风场从雷达径向速度的特征、大尺度环境风场特征、与卫星云图云带的对比和以台风中心为圆心计算的径向风垂直剖面特征等方面进行检验.结果表明,利用单多普勒雷达探测资料得到的水平风场能够清晰地给出登陆热带气旋内部存在的中小尺度系统,及其水平和垂直结构,并表明与台风外围雨带强降水区域相对应的是明显的中尺度水平风场的切变与辐合区.反演风场也可以为进一步利用单多普勒雷达探测资料分析和研究登陆台风内部的中尺度结构提供高分辨率的可靠的分析资料.同时证明,使用的退速度模糊方法能够有效地应用于较完整资料的速度模糊的自动消除,以及VAP方法对于中小尺度风场分析的实用性.     

S波段双线偏振雷达KDP参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量的参数K_DP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测K_DP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制。探讨总结了K_DP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的K_DP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法K_DP计算的影响;同时研究了雷达实测K_DP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系显示,5 km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;同时,K_DP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用K_DP来估算反演降雨强度。     

S波段双线偏振雷达K_（DP）参数计算的初步研究

双线偏振多普勒雷达测量参数KDP在定量估测降雨强度和识别降水粒子相态方面都有着很重要的作用。鉴于雷达实测KDP值来源于S波段双线偏振雷达信号处理器（RVP8）的结果,没有具体的计算过程,不便于进行雷达资料预处理和质量控制,探讨了KDP的3种算法,通过实测数据,将雷达信号处理器（RVP8）观测的KDP作为参考值,进行了对比分析。结果表明：最小二乘法误差最小,精度最高;讨论了沿雷达径向,不同平滑距离对最小二乘法KDP计算的影响。同时研究雷达实测KDP与通过Z-R关系计算的降雨强度之间的关系表明5,km的距离长度既能起到足够的平滑作用,又能保持足够的气象信息,不至于影响测量降水效果;KDP与降雨强度之间存在较好的对应关系,在强降雨阶段尤为显著,可以利用KDP来估算反演降雨强度。     

QUALITY CONTROL OF SINGLE DOPPLER RADAR DATA AND RETRIEVAL OF HORIZONTAL WIND FOR A LANDING TYPHOON

The removal of noise and velocity ambiguity and retrieval and verification of horizontal wind field is a prerequisite to make the best and fullest use of Doppler radar measurements. This approach was applied to the Doppler radar data collected during August 2005 for a landing typhoon Matsa (0509) in Yantai, Shangdong Province, and the verified result shows that the quality control for this dataset was successful. The horizontal wind field was retrieved and then verified by studying the characteristics of the radar radial velocity and large-scale wind field and the vertical cross section of the radial velocity determined with the typhoon center as the circle center and comparing it with satellite imagery. The results show that the meso- and small-scale systems in Matsa and its horizontal and vertical structure could be clearly retrieved using the dataset collected by single Doppler radar, and a shear or a convergence was corresponding with a band of severe storm around Matsa. At the same time, the retrieved wind field from single Doppler radar is proved to be a reliable and high-resolution dataset in analyzing the inner meso-scale structure of Matsa. It is also proved that the method for removing the velocity ambiguity could be an effective approach for preliminary quality control of the Doppler radar data, and the VAP method could also be a reasonable solution for the analysis of mesoscale wind field.     

利用单多普勒雷达资料分析垂直面上二维流场和热力平流的两个例子

用单部多普勒雷达观测资料,使用Browning,Hobbs等人和Locattelli等人的方法,计算了冬季极地气团涡旋内中尺度雨带法向垂直面上的二维流场和热力平流。得到的结果定性地和雨带的存在及不同发展阶段一致,和探空仪观测的结果基本一致,但是在定量的意义上本文得到的垂直速度偏高,冷暖平流区也非全部一致。用不同的方法处理资料得到的二维流场有明显变化。     

单多普勒雷达径向风同化的改进

基于现有的单多普勒雷达径向速度资料直接同化和间接同化方法,提出了一种改进同化方法,通过引入反演方程组作为观测算子,将分析单元内径向风的空间变化信息作为同化变量。同时,根据模式的分辨率和精度要求调整分析单元大小,从而能够有效地弥补数据稀释化所带来的高分辨率数据遗失问题。相对于直接同化只同化雷达观测径向风,改进方法不仅包含径向风信息,而且包含径向风的空间变化信息;相对于传统的间接同化,改进方法不直接使用强约束求解析风场,避免了将反演风场完全等同于"观测风场",能够较大程度地克服反演误差对同化效果的影响。通过理想实验和观测系统模拟试验表明:改进方法对于传统的直接同化和间接同化具有一定的兼容性,应用灵活,具有积极的改进意义。