非线性VAD反演低层风廓线拟合阶数优化方法

结合理论和SoWMEX试验 (西南气流试验,Southwest Monsoon Experiment) 的连续多普勒天气雷达观测资料和广东省阳江雷达资料, 对非线性速度方位显示 (非线性VAD) 方法反演低层低于2 km垂直风廓线精度和能力进行定量分析。结果表明:非线性VAD基本能反演出低层风廓线在空间和时间上的演变。但当雷达径向速度数据在方位存在较大的连续性缺测、体积扫描仰角较少时,因传统非线性VAD采用的速度方位显示 (VAD) 方法拟合阶数和垂直拟合阶数过高,反演的低层风廓线会存在较大误差,造成不合理高风速区和风廓线不连续。通过实际观测资料统计分析反演参数对非线性VAD的影响,提出基于连续性数据缺测间隔和不同仰角的多少的VAD和垂直拟合阶数动态调整方法。同锋面降水和台风降水两典型个例的实际探空比对显示,调整后的非线性VAD显著改进低层风廓线反演精度,反演的风廓线结构和变化与实况相符,反演平均误差小于2 m·s-1。     

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。     

VAD反演风与探空资料的对比分析

本文利用中国15个相近的雷达站和探空站的观测资料,用统计学方法检验VAD方法反演的风相对于探空风的偏差。分别对风速、风向进行检验的结果表明:VAD方法反演的风向对于探空风的风向偏差较小(23.0%),风速偏差略大(51.6%),VAD风风速通常比探空风风速小(平均为-10.3%)。本文还对比了多站探空风和多站VAD风组成的风场,结果表明二者的风场基本一致。     

多普勒雷达VAD风廓线资料的质量评估

将2004—2007年浙江省温州多普勒雷达VAD风廓线和相邻洪家探空站同期经修正的探空风廓线资料进行对比统计,分析了两者之间的差异和相关性;对不同高度层以及三种不同降水系统中(大面积连续性降水、阵性降水、热带气旋降水)VAD反演方法的精度进行了研究,并分析误差来源。结果表明,VAD方法反演的风廓线与探空廓线之间具有较高的相关性。VAD方法对大面积连续性降水的风向和风速的反演质量最好,其次是热带气旋降水。风向、风速偏差最大的均为阵性降水。      

用非线性近似方法反演单多普勒雷达风场

回顾了近年来由单多普勒雷达观测反演风场的各种方法。这些方法大部分基于线性假设，因此风场的非线性交化经常影响反演结果，使得反演的风场误差增大。我们提出一种以非线性近似理论为基础的反演方法，该方法主要考虑了风场分片光滑的特点并充分利用了雷达的径向风场数据。我们把该方法应用到1998年淮河能量与水循环实验的两个个例中。通过同双多普勒雷达观测的结果比较，发现该方法能反演较高分辨率和淮确性的水平风场，反演的垂直风场也比较合理。     

基于多普勒雷达VAD算法的业务应用讨论

多普勒天气雷达垂直风廓线（V WP ）产品在业务预报中已有较广泛的应用,并得到了风廓线的某些特征结构与雷暴及强对流之间的对应关系。由于对多普勒径向速度反演得到风廓线产品的VAD算法缺乏了解,目前对VWP 及速度方位显示（VAD）产品的应用还存在一些误区。文章由单多普勒雷达反演水平风场的基本原理入手,回顾了VWP 及VAD产品在暴雨与强对流临近预报中的应用,并重点对VWP及VAD产品的业务应用误区进行了讨论。     

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.     

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。     

GVAD技术及其在新一代天气雷达中的应用

天气雷达中VAD技术可求取雷达站上空水平风垂直廓线,梯度VAD技术(简称GVAD技术)为克服传统VAD技术受速度模糊影响较大而被提出。文中首先从理论上对GVAD技术进行模拟分析,再将其应用于新一代天气雷达实际探测的台风与大范围强降水速度模糊个例,分析其应用效果。理论模拟表明,GVAD技术较传统VAD技术可有效克服速度模糊对反演水平风垂直廓线的影响,加入的模拟噪声,也通过低通滤波方法有效抑制;在两次实际应用个例中,GVAD技术可较好克服速度模糊影响,但方位径向速度中的小波动或者噪声会在径向速度方位梯度中放大,尽管利用低通滤波进行了平滑,但其对反演水平风精度有较大影响,尤其影响水平风速反演精度,在个例中GVAD技术反演风速较传统VAD技术平均偏弱2~3m·s~(-1),模拟部分方位缺失并不影响GVAD技术的反演精度。需进一步研究减少新一代天气雷达径向速度资料中小波动或者噪声对GVAD技术应用影响的方法。     

用非线性近似方法反演单多普勒雷达风场(英)

回顾了近年来由单多普勒雷达观测反演风场的各种方法。这些方法大部分基于线性假设,因此风场的非线性变化经常影响反演结果,使得反演的风场误差增大。我们提出一种以非线性近似理论为基础的反演方法,该方法主要考虑了风场分片光滑的特点并充分利用了雷达的径向风场数据。我们把该方法应用到1998年淮河能量与水循环实验的两个个例中。通过同双多普勒雷达观测的结果比较,发现该方法能反演较高分辨率和准确性的水平风场,反演的垂直风场也比较合理。     

利用多普勒天气雷达估算层状云的降水效率

通过多普勒天气雷达VAD(velocity-azimuth display)技术可以反演得到水平线性风场和非线性风场的平均散度。根据连续方程求出不同高度层面的垂直速度,再利用探空曲线计算水汽凝结率。假定云中凝结和凝华的水量全部降落到地面,结合地面雨量计实测资料可以估算其降水效率。用该方法计算华北地区降水性层状云两次降水过程的平均降水效率分别为68％和59％。     

VAD有关产品在临近预报中的应用

通过对多普勒天气雷达中VAD技术的深入剖析,指出它在揭示测站上空整层风切变、高低空辐合辐散场、含水量分布场中的作用,并结合具体实践应用,试图从雷达本身实时采集的资料中找出一些具有临近预报价值的信息.     

关于Doppler雷达VAD技术的讨论

Doppler雷达VAD技术可以从距离圈上的Doppler速度随方位角的分布廓线中提取背景风场的散度。但是，通常Doppler雷达观测到的距离圈上的Doppler速度一般都是不完整的。为了计算散度，必须插补上所有缺侧方位上的Doppler速度，这就使应用VAD技术得到的散度带有不客观的成分。该文利用Doppler速度随方位角的分布具有一阶简谐曲线的特点，提出了用对称法计算散度的方法，从而避免了对Doppler速度方位廓线进行人为插值。文中还针对用VAD技术计算出的不同高度上不同水平面积的散度量级不同的问题，提出了对散度进行面积修正的方法。     

两种VAD算法的比较及其应用

针对多普勒雷达速度资料非全方位均匀采样情况，选取了两种速度方位显示（VAD）算法：函数展开的Thomas算法和复数展开的Rabin算法。对于含有二阶谐波的线性风场，Thomas算法较为适用；对于不含二阶谐波的线性风场，Rabin算法对采样范围要求更小，适用性更强。实际应用中，针对不同情况，各算法得到的平均风向风速值与全方位资料结果的相对误差不超过10％。     

非线性风场的VAD分析初探

本文对非线性风场的 VAD技术 ,从理论上进行了比较详细的分析 ,并对非线性风场中的非线性判断、非线性模型建立以及提取测站上空风向风速做了讨论。分析表明 ,均方根误差 RMS可作为风场线性与否的判据 ,若用二阶及其以下谐波拟合 ,且拟合 RMS<1.5 m/ s,则认为该风场为线性 ,否则为非线性 ;而且RMS≤ 1.5 m/ s可以用来确定该非线性风场多项式描述的程度 ,这样从雷达距离较远的非线性风场得到的测站上空水平风风向风速与准确值有较好的一致性     

基于VAD技术的迭代法在实测多普勒速度缺测区域的填补研究

多普勒天气雷达径向速度场缺测区域的存在是影响速度二次产品算法精确度的重要因素,在实际风场为线性分布的假设条件下,文中详细介绍了一种基于VAD技术的迭代填补技术.在合理考虑迭代约束条件的情况下,应用实测多普勒速度数据,根据缺测区域类型随机制造非连续累积10°-180°缺口的缺测区域和连续累积10°-180°缺口的缺测区域...     

雷达VAD风廓线资料质量控制研究

多普勒天气雷达VAD（Velocity Azimuth Display）风廓线资料可以提供高时间分辨率的高空风场信息。本文针对中国雷达VAD风廓线资料，设计发展了面向资料同化应用的NMIC（国家气象信息中心）质量控制方案，该方案改进了NCEP（国家环境预报中心）方案中存在的问题。利用2020年2—8月的L波段秒级探空风场资料，分别对比质量控制前、经过NCEP质量控制方案、以及经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料，统计分析结果表明经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料最接近观测，准确度最高，并且在各个高度上其偏差和均方根误差最小，充分说明了NMIC质量控制方案的有效性。相对背景场偏差分析表明，经过NMIC质量控制方案的VAD资料偏差和均方根误差最小，与背景场的偏差更接近高斯分布，更能满足资料同化的要求。本文的研究有助于推进VAD风廓线资料在数值预报科研和业务中的应用。     

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明：相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。