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。     

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.     

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。     

单多普勒雷达反演风场的质量控制

利用扩展VAP方法,通过极值订正,时间和空间连续性订正等方法,对反演后的风场进行质量控制,并与双多普勒雷达风场反演结果进行了对比.结果表明,经过订正的反演风场中大部分有明显误差的点得到了修正,而且订正后的风场更合理,与双多普勒雷达风场反演结果更一致,提高了反演风场的质量.     

多种单多普勒雷达风场反演方法对比试验

采用典型风场资料对 4种单多普勒天气雷达风场反演方法进行了对比试验 ,这4种方法是 VAP方法 ,涡度 -散度法 ,简单伴随函数方法 ,动力方程组求解方法。试验结果表明 ,不同风场应采用不同反演方法。     

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.     

从单Doppler速度场反演风矢量场的VAP方法

从单Doppler速度场反演风矢量场的VAP(Velocity Azimuth Processing)方法是在假定相邻方位角的风矢量相等的前提下,从单部Doppler雷达所测得的各个距离圈上的径向速度随方位角分布的廓线推算风向和风速的方法。这个假定可以保证反演所得的风矢量场中仍保留次天气尺度的风场信息。 对VAP方法反演公式的误差分析表明,反演出的风向误差为20—30度,与常规测风的误差相近。风速误差一般为10~0m/s,但在某些特定的情况下可达到与风速相同的量级(10~1m/s)。 用VAP方法反演风矢量场前必须首先消除原始Doppler速度资料中的脉动。它可以通过简单的一维线性平滑实现。 文中给出了一个反演实例,从中可以分析出次天气尺度的切变线和辐合线。常规天气图和UHF雷达的风廓线观测表明,这些次天气尺度系统是存在的。它们与反射率因子分布的配置还表明这些次天气尺度系统是和降水相联系的。     

多源数据融合在强对流天气中地面风场的识别应用

利用多普勒天气雷达探测数据、常规观测资料和ERA5再分析资料,综合分析了2019年7月6日发生在江苏省的一次强对流天气过程的天气形势和雷达回波强度演变特征,并进行了多源数据融合的试验。试验通过VAP技术将雷达径向速度数据反演为矢量风场,并利用典型相关分析的方法（CCA）对雷达径向速度资料反演的风场、再分析资料的风场和气象自动站资料的风场进行数据融合。通过风场融合试验,获得了强对流系统更加丰富准确的地面风场信息,与雷达探测的特征对应,消除了反演风场的量级误差,填补了被过滤的风场信息,恢复了气流的旋转特征。强对流天气过程中,江苏省地区受高空冷涡影响,在高空冷槽、高空急流、低层切变线和地面辐合线的配置条件下,形成了上干冷、下暖湿的层结不稳定结构。通过融合风场的识别：强对流天气系统发展阶段,地面有气旋性辐合流场,包含中γ尺度气旋和辐合线,与反气旋和辐散相伴。气旋性气流对应着雷达回波中的入流缺口,辐合线位于风暴前沿（移动方向）。强对流天气系统强盛阶段,地面流场转变为强辐合弱旋转,灾害性天气发生。     

基于风向线性变化假定的单Doppler雷达风场IVAP反演技术

IVAP和扩展VAP技术是在常用的VAD和VAP技术基础上发展起来的单Doppler雷达风场反演技术.在IVAP和扩展VAP技术基础上,进一步改进IVAP技术,将IVAP技术反演假定从局地均匀扩展到局地风速均匀、风向随方位角线性变化,进而提高IVAP技术的反演能力.使用涡旋流场试验表明,改进后的IVAP技术对于风速稳定,而风向变化的风场的反演能力有明显提高.由于改进后的IVAP技术保持了IVAP技术反演时可不对原始资料进行平滑预处理,对于小尺度扰动具有滤波作用,其应用更为广泛.     

T-TREC方法反演登陆中国台风风场结构

在传统的基于天气雷达反射率因子的相关方法跟踪回波运动(TREC)技术的基础上,本研究发展出适用于台风环流反演的T-TREC方法.同传统的TREC技术相比,T-TREC根据台风环流呈逆时针方向旋转的特征,利用雷达观测资料客观选取台风中心,选取扇形网格单元,在以台风中心为原点的极坐标系下进行逆时针方向同波追踪.同时,该方法也利用雷达径向风资料客观选取切向的搜索范围并建立风场相关矩阵,以减少主观设定搜索区域造成的误差.通过利用中国新一代天气雷达网(CINRAD WSR-98D)观测的登陆台风桑美(0608)资料对方法进行验证,结果表明T-TREC方法可以更加准确估计强台风环流,反演的径向风平均误差小于4 m/s.其中径向风信息的引入明显提高了反演风场精度,特别是改善了在眼墙区因回波结构较均匀造成的风场低估.当台风靠近陆地时,因地物回波以及台风环流与地形相瓦作用激发对流的影响,使得低层风场反演误差增加.文中也探讨了台风中心、搜索网格单元大小等因子对反演精度的影响,结果显示,反演结果对于中心定化比较敏感,中心位置偏移4 km将造成反演的径向风平均误差增加约10%.而搜索单元大小对反演结果影响和台风尺度相关,若台风尺度较小,则较小的搜索单元反演效果较好.     

ERROR COMPARISON OF WIND FIELD RETRIEVAL FROM SINGLE AND DUAL-DOPPLER RADAR OBSERVATIONS

The error distributions of the wind fields retrieved from single and dual-Doppler radar observations are given inthis paper.The results indicate that the error of dual-Doppler retrieval depends on the position in the scan region of thedual-Doppler radar.The error of single-Doppler retrieval by using velocity azimuth processing(VAP)technique de-pends on the angle between the directions of wind and the radar beam.Generally,the winds retrieved from single Doppl-er radar are close to those retrieved from dual-Doppler radar.But,the error distribution of the single-Doppler retrievalis different from the dual-Doppler retrieval.We simulate the retrievals of single Doppler observation by the use of theoutput wind data from a 3-D numerical model of severe convection.The comparison of the simulated single-anddual-Doppler retrievals shows that the VAP may be a suitable technique for the operational analysis of mesoscale windfields.It can also be used as a supplement to wind field retrieval in the field experiment.     

单多普勒雷达反演热带气旋近中心风场的VAP扩展应用方法

在尝试运用VAP方法和扩展VAP(EVAP)方法,对"韦帕"台风期间移动天气雷达(CINRAD/CCJ)观测基数据进行单雷达风场反演时,发现部分区域出现风向、风速不合理的情况.分析认为,在热带气旋近中心区域风向风速变化均较剧烈,而上述两种算法的假定条件难以准确代表风场的实际变化.根据热带气旋发展成熟阶段的气旋环流近似轴对称的特点,文中提出一种新的假定条件,即在与热带气旋中心等距离的圆周上局地风速不变、风向均匀变化,对VAP方法进行扩展应用,称为EVAPTC(EVAP for Tropical Cyclone)方法.对理想模型流场试验及对实际个例的反演结果表明,EVAPTC方法简便,反演误差相对较小,能够基本反映出台风近中心的环流特点,尤其是螺旋云带上的风场特征.例如"韦帕"台风螺旋云带内侧有明显的辐合气流进入螺旋云带,螺旋云带尾部的外围气流绕着云体移动,螺旋云带上的强回波区存在着风场扰动等.     

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.     

Dynamical and Microphysical Retrieval from Simulated Doppler Radar Observations Using the 4DVAR Assimilation Technique

Based on a cloud model and the four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation method developed by Sun and Crook (1997), simulated experiments of dynamical and microphysical retrieval from Doppler radar data were performed. The 4DVAR data assimilation technique was applied to a cloud scale model with a warm rain parameterization scheme. The 3D wind, thermodynamical, and microphysical fields were determined by minimizing a cost function, defined by the difference between both radar observed radial velocities and reflectivities and their model predictions. The adjoint of the numerical model was used to provide the gradient of the cost function with respect to the control variables. Experiments have demonstrated that the 4DVAR assimilation method is able to retrieve the detailed structure of wind, thermodynamics, and microphysics by using either dual-Doppler or single-Doppler information. The quality of retrieval depends strongly on the magnitude of constraint with respect to the variables. Retrieving the temperature field, cloud water and water vapor is more difficult than the recovery of the wind field and rainwater. Accurate thermodynamic retrieval requires a longer assimilation period. The inclusion of a background term, even mean fields from a single sounding, helped reduce the retrieval errors. Less accurate velocity fields were obtained when single-Doppler data were used. It was found that the retrieved velocity is sensitive to the location of the retrieval domain relative to the radars while the other fields have very little changes. Two radar volumetric scans are generally adequate for providing the evolution, although the use of additional volumes improves the retrieval. As the amount of the observations decreases, the performance of the retrieval is degraded. However, the missing observations can be compensated by adding a background term to the cost function. The technique is robust to random errors in radial velocity and calibration errors in reflectivity. The boundary conditions from the dual-Doppler synthesized winds are sufficient for the retrieval. When the retrieval is mainly controlled by the observations in the regions away from the boundaries, the simple boundary conditions from velocity azimuth display (VAD) analysis are also available. The microphysical retrieval is sensitive to model errors.     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.