基于非线性滤波的风廓线雷达数据处理

针对实际工程中风廓线雷达风向、风速随高度分布取值的非线性特性以及非气象干扰因素,基于非线性化方法——扩展卡尔曼滤波法,对风廓线雷达探测数据进行滤波处理.先利用泰勒展开式的一次项对非线性方程作线性化处理,再结合经典的卡尔曼滤波进行滤波估计,将非线性滤波问题转化为一个近似的线性滤波问题.仿真实验结果表明,该方法可以有效去除风场数据中掺杂的噪声干扰,很好地发挥了其非线性特性,滤波效果优于传统的卡尔曼滤波,具有一定的工程应用前景.     

雷达风廓线反演在云南强降水预报中的应用

利用VAD(Velocity Azimuth Display)方法反演多普勒雷达垂直风廓线,并将反演风场应用于云南强降水过程的诊断预报。通过反演风廓线资料与探空实况、NCEP再分析资料的对比分析,发现VAD方法反演的风廓线与实况资料具有较好的一致性,表明该方法在云南是可行的;通过反演风廓线资料可以较为精细地监测和分析大气垂直方向上水平风场的不连续性,由此得到低空切变、温度平流和低空急流等系统的厚度和强度演变特征。相对于时、空分辨率不足的常规探空资料,雷达反演风廓线具有较高的时间和垂直分辨率,能够更为详细地揭示强降水天气过程中起重要作用的天气系统的主要特征和演变过程。因此,VAD风廓线产品对云南强降水天气过程的预报具有较好的参考价值和应用前景。     

丘陵地区大气边界层风廓线雷达适用性分析

本文利用2010年夏季福建省三明市开展的大气扩散实验资料,研究了大气边界层风廓线雷达在福建丘陵地区的适用性,并探讨了风廓线雷达探测的误差特征和修正方法。结果表明：大气边界层风廓线雷达水平风场的探测结果在300~2 000 m高度范围的偏差与高度和风速具有一定统计关系;通过与100 m气象铁塔水平风场资料对比,说明风廓线雷达对丘陵地区低层大气风场的探测具有一定局限性。经过修正的风廓线雷达探测结果可以较好地反映实验区域大气边界层水平风场的垂直结构。     

风廓线雷达产品数据置信度研究

随着风廓线雷达技术的发展,高空风探测参量越来越多,数据精度不断提高,探测能力得到了极大提升。评估风廓线雷达数据置信度是风廓线雷达应用中需要解决的重要问题。本文基于径向数据和风场合成两个阶段,在风廓线雷达数据反演过程中形成数据置信度算法,并引入噪声电平。同时,利用南京同站址风廓线雷达和探空1 a的资料进行匹配比对,对置信度算法性能进行评估,结果表明该置信度算法可行。将置信度算法植入风廓线雷达数据处理软件中,能实时输出含置信度的风廓线雷达产品数据,有利于预报人员合理使用置信度较高的风廓线雷达产品数据。对于置信度较差的产品数据进行分析,可有助于及时发现雷达的潜在故障。     

风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。     

OIQC技术在雷达反演VAD廓线资料退模糊中的应用研究

多普勒天气雷达在强风速天气条件下经常出现的速度模糊误差,严重限制了风场信息的广泛应用,如反演VAD廓线等。本文将最优插值客观分析质量控制技术(OIQC),应用于雷达反演VAD廓线资料中速度模糊的质量控制。对用于反演VAD风廓线的那些格点圈层上的资料,以简化的多变量统计插值技术(Cressman插值),为被检查的资料提供一个对比分析的参考值,从而确定折叠次数,修正模糊速度。根据多普勒雷达径向速度资料的特点,水平方向采用非各向同性的单变量背景场误差协方差函数,垂直方向协方差函数取为高斯型。修正模糊速度后运用VAD技术得到水平风的垂直廓线。对强龙卷天气过程的数值试验结果表明,OIQC技术应用于雷达资料质量控制,无需引入外界风场,有能力修正模糊速度。结合VAD方法,可以从存在严重折叠的雷达资料中反演出较为准确的风廓线。     

基于Hybrid EnSRF-En3DVar的雷达资料同化研究

基于WRF模式构建了Hybrid En SRF-En3DVar同化系统,该系统使用En SRF方案直接更新集合扰动。利用构建的同化系统针对台风"桑美"分别进行集合协方差权重敏感性试验和同化雷达不同观测资料的敏感性试验。集合协方差权重敏感性试验发现:当集合协方差权重分别为0.25、0.5和0.75时,同化效果优于3DVar试验,其中0.75的集合协方差权重试验得到了分析场的最优估计;当集合协方差权重为1.0时,分析场最差。同化雷达不同观测资料的敏感性试验表明,联合同化雷达径向风及反射率能有效改善大气湿度场和风场,但对风场的改善效果不如仅同化雷达径向风好。将En SRF集合扰动更新方案与扰动观测方案综合分析发现,扰动观测方案集合离散度较小,计算代价大,En SRF方案优于扰动观测方案。     

基于功率谱的风廓线雷达回波强度定标方法

风廓线雷达已在我国得到大范围的业务布网应用,现有业务产品主要为风场信息。为了充分发挥风廓线雷达的作用,获取更多的天气过程信息,该文提出仅使用风廓线雷达返回信号功率谱进行数据定标（DCNP）的方法。使用雷达系统噪声功率对返回信号功率谱单位幅度进行标校计算,基于标校后的雷达探测功率谱分布数据计算回波强度功率谱密度分布、回波强度、大气折射率结构常数。利用2017年北京风廓线雷达、2016年南京风廓线雷达和2018年梅州风廓线雷达观测数据,对我国业务运行的3种主要型号风廓线雷达进行算法评估试验。定标方法的计算结果稳定,风廓线雷达不同探测模式之间的一致性较好。使用每个测站定标结果与相邻天气雷达数据进行比较,风廓线雷达回波强度定标结果与天气雷达也有较好的一致性。DCNP方法与基于信噪比（SNR）的强度计算方法进行比较,与SNR方法相比,DCNP方法定标结果更加稳定可靠。     

风廓线雷达水平风数据质量控制

基于九龙站风廓线雷达实时水平风数据制定了水平风数据的质量控制方法，首先求取中位数水平风场，其次构建实际观测风场和中位数风场的差值序列，然后求取差值序列的均方差，再根据差值均方差得到质控判别式，最后试验求取质控判别式中的质控阈值。通过对九龙站2017年风廓线雷达水平风数据质量控制发现，实测风向数据有2044185个，25721个没有通过质控，未通过质控的风向数据占总观测的比例是1.258%，风向数据在近地层通过质控的数据最多，随高度增加通过质控的数据量有所下降。实测风速数据有2044185个，18296个没有通过质控，未通过质控的风速数据占总观测的比例是0.895%，风速数据在2000～4000 m出错的最少，近地层次之，4500～7000 m出错的数据最多。质控后风廓线雷达和探空观测风数据的均方根误差减小，相关系数增加，风向数据质量在500～7000 m提升明显，风速数据在1500～8000 m之间提升明显。     

基于WebGL的风廓线雷达风场三维可视化技术与实现

风廓线雷达二维显示系统无法显示三维风场,针对此问题,本文研究了基于WebGL的风廓线雷达风场的三维可视化方法。文中介绍了基于WebGL的三维图形渲染技术的原理和优势,详细阐述了风廓线雷达风场的三维建模和渲染方法,在此方法的基础上,开发了B/S模式的风廓线雷达风场三维可视化系统,并介绍了系统的功能特点和优势。相对于风廓线雷达二维显示系统,三维可视化系统以更直观、逼真的形式展现了风场的空间分布,用户能够以任意视角观察三维风场,便于气象工作者分析风场辐合(辐散)、边界层辐合线,为强对流天气监测预报工作提供一种有效的技术手段。     

浙江多源资料高空风对比分析

使用浙江探空数据对EC再分析数据评估发现两者风场存在较好的相关性,可用EC再分析数据取代探空数据对风廓线数据进行评估。评估结果显示当无降水时,风廓线雷达数据与EC再分析数据相关系数在0.85～0.9之间;当有降水时,两类数据相关系数在0.7～0.8之间。统计结果还显示,无降水时风廓线雷达数据在中层2～4 km与EC再分析数据相对误差较小,在低层和高层由于相关资料的缺测造成相对误差较大。有降水时风廓线雷达数据与EC再分析数据相对误差随高度变化特征不明显。通过对台风个例的风力演变特征分析发现,雷达资料的时空完整性都比较好,相对探空数据可以观察到系统演变过程中更精细的风力结构。     

系留气艇探测风速的误差订正及其应用评估

使用系留气艇探空系统在常州、苏州、南京市区对边界层风速、温度、湿度廓线进行了观测,原始数据表明探测结果存在明显的系统误差。本文主要讨论风速订正问题,分析发现风速误差与高度和风速有关,据此提出了依据高度和依据风速的两种订正方案。对比结果表明:两种方案都能有效修正系留气艇测量风速的系统误差,高度订正方案表现更好。本文还用订正后的系留气艇探测结果与苏州市气象局的风廓线雷达资料进行对比,结果显示风廓线雷达探测结果在500 m以下系统偏小。     

L波段探空雷达测风质量控制方法研究

以美国NCEP的FNL再分析场和我国GRAPES初估场为参考对北京探空雷达测风从平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根差等多参数进行评估。基于评估结果对雷达测风资料进行质量控制,并再次求解参数进一步评估质量控制效果。结果表明：L波段探空雷达测风质量较高,平均偏差基本在±1 m/s内,其与参考标准一致性随气压减小而减小;风的东西分量和南北分量的一致性基本保持一致;四个季节中夏季数据一致性最高;基于FNL的评估结果优于GRAPES,即基于FNL的所有参数相对于GRAPES的参数更接近最优值。基于评估结果质控后的测风一致性得到提升,保留了原有特征。该质量控制方法能够有效地消除季节性差异,且质控后两个背景场的评估结果差距缩小。     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达探空测风资料对比研究

采用统计、相关分析等方法,对2014年济南站边界层风廓线雷达观测资料和L波段雷达探空资料进行了长期时空变化规律的对比,进而研究了地面无降雨、有降雨时段两者的风向、风速数据的相关关系及差值。结果得出全年有降雨、无降雨时段两者的风向、风速总体一致性较好,相关性较高,并具有较好可比性和互补性的结论,对了解固定式边界层风廓线雷达探测的准确性,改进观测资料质量控制方法等具有很好的参考价值。     

面向资料同化风廓线雷达水平风产品质量初步分析

为了实现我国风廓线雷达资料能尽快应用到业务数值预报同化系统,以改善数值预报模式初始场,文章对风廓线雷达水平风产品质量特点进行分析,为质量控制和同化应用提供依据。通过该类资料与数值预报背景场的对比并结合探空和降水等资料,分析了风廓线雷达水平风产品数值预报应用的质量特点并明确了质量控制需要关注的问题。分析的风廓线雷达水平风产品的数据来源是国家气象信息中心国家级气象资料存储检索系统(MDSS),分析资料时间时段为2012年5月1—31日。结果显示：针对资料同化应用,小时平均采样风优于实时采样风;现有风廓线雷达水平风产品包含大量超过有效探测高度的数据,这些数据相对数值预报背景场偏差异常偏大;在各自设定有效探测高度范围内的资料,PA型号雷达水平风产品相对数值预报背景场偏差最小,PB型号次之,LC型号最大;在设定有效探测高度范围内的资料相对数值预报背景场基本无偏,偏差在一倍标准差范围内的数据量达到89%以上,二倍标准差范围内的数据达到97%以上,三倍标准差数据达到98%以上;降水是影响资料质量的重要原因,应用时需针对降水进行细致分析与质控。     

基于变分技术的天气雷达速度退模糊算法的改进研究

为有效地识别和提取多普勒天气雷达风场信息,对Gao和Droegemeier提出的基于变分技术的多普勒雷达径向速度数据退模糊方法进行了改进。原方法中将背景风场、方位和径向速度距离梯度信息同时作为约束条件,对Nyquist数进行校正。但是该方法在迭代过程中使用了大量的数值分析和偏微分方程计算,造成径向速度场过度平滑和数据失真。针对这个问题,改进算法在得到径向速度分析场后,结合原始径向速度观测场,通过图像变化检测法,自动识别存在速度模糊的区域及计算需要校正的Nyquist数,对观测场的模糊区域进行校正。利用强对流天气和台风过程的雷达体扫数据验证了改进算法的可行性,并与原始算法及业务应用的WSR-88D算法对比。结果表明:改进算法有效地解决了原始算法中的不足,恢复真实的风场结构和分布特征,改善了退速度模糊的质量,从而得到更为合理的径向速度观测场;并且该算法退模糊效果优于WSR-88D算法,有助于为科研和业务应用服务。     

中小尺度强对流天气雷达径向风精细化定量特征与预警信息研究

采用天气雷达径向风场基数据,提取其所含数值特征定量信息,并构建几种强对流指标。采用对区域流场特征表达能力良好的流函数与势函数计算,并运用合适的边界条件及计算处理方案,由泊松方程迭代求出满足区域无辐散条件的特解,进一步通过逆运算重建径向风场及运用交叉相关统计方法,检验重建效果,显示由所用边界处理方案解出的区域流函数与势函数是收敛的,能够清晰表达径向风场特征。并运用径向风数值信息以及它们与局地强对流的密切关系,构建区域强对流时空预警指标方程,依托预警指标,提供径向风场分区精细化预警区位和时间演变状态。根据局地暴雨的径向风特征,运用矩阵转换技术开发了径向风辐合线客观自动识别方法,可提供径向风辐合线的具体地理位置,尺度大小,走向分布,覆盖范围以及动态追踪等定量信息。进一步地将径向风辐合线与径向风定量信息背景场叠加,获得直观的精细化局地强对流中小尺度系统时空预报预警方法。