台风“碧利斯”的雷达反演及改进

利用两步变分反演方法,研究2006年第4号台风“碧利斯”,对照单部雷达资料和两部雷达资料的反演结果。结果表明：利用单部雷达资料不能很好的反演出台风的风场结构特征,而两部雷达资料在第一步反演背景场时,可以看出台风的涡旋特征。通过检验发现,此次台风过程的水平切向风在最大风速半径内部与Rankine模型相近,外部与Chen 3模型接近。为了更有效地利用单部雷达的观测信息准确定位台风的移动路径,故在单部雷达资料第一步反演背景场时加入模型弱约束。反演结果表明,加入模型弱约束后,反演的背景风场就能看出台风的涡旋特征,通过第二步反演后与两部雷达资料结果相近;加模型弱约束的单部雷达反演结果与两部雷达反演结果间u、v分量的相关系数均在0.8或以上,2-7 km高度层u、v分量的均方根误差明显减小。     

单多普勒雷达反演涡旋风场方法分析

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(地基速度追踪法)进行了比较,分别从每种方法的假设条件和数学方法以及结果精度来比较3种方法对涡旋风场的适用性。利用中尺度气旋Rankine模式模拟了纯涡旋性气旋、只有环境风场时、环境风场和辐合(辐散)同时存在时的径向速度场及风场,比较了各种情况下的反演风场和模拟风场的相似系数。在对模拟风场比较之后,选取了2014年"威马逊"台风登陆前1h、登陆时及登陆后1h的3个实测雷达资料,对比分析了3种方法反演实测资料的风场特征,3种方法中EVAPTC方法最好,GBVTD方法在应用中有一定的限制,NIVAP方法较差。     

利用双多普勒雷达资料对一次台风流场结构的分析

应用Qiu等提出的两步变分反演法,由厦门、长乐两部雷达观测资料反演0604号台风"碧利斯"登陆福建霞浦前的风场,并利用反演的水平风场检验几种常用的台风涡旋模型对此次台风的合理性,以期对雷达资料应用于台风过程分析和模拟有更进一步的认识。结果表明,两步变分法可以较好地反演出台风的水平、垂直风场特征,水平风场呈现不对称性且有明显的偏心结构,流场随高度表现出漏斗形特征,垂直风速与水平流场对应较好,台风中心有下沉气流,外围有上升气流。通过对台风物理量的分析发现,此次台风过程存在以最大风速半径随高度向外倾斜的主环流圈和低层向中心流入,高层向外流出的次环流圈。利用反演的水平风场对常用的对称风场涡旋模型进行了验证,发现在最大风速圈内取Rankine模式,最大风速圈外取Chen3模式对此次台风过程拟合较好。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

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.     

基于位涡反演的台风初值敏感性试验

基于分片位涡反演方法,对2013年7号台风Soulik开展初始涡旋、背景环流对台风发展影响的个例研究。针对不同天气系统进行分片位涡反演,基于反演结果设计敏感性试验,确定影响台风发展的敏感初始物理量扰动,分析讨论与特定物理过程联系的扰动分量以及扰动大小对台风发展的影响。敏感性试验的结果表明,初始弱涡旋扰动中与潜热加热联系的风场扰动分量是决定台风发生发展的关键要素扰动,这一扰动分量的大小对台风路径有直接影响,同时能够直接影响台风云墙的建立,它的重要性表明第二类条件性不稳定(CISK)机制在此次台风过程中扮演了重要角色。     

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.     

四维变分方法反演低层风场能力研究

从新一代天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高新一代天气雷达的应用水平有重要的作用，将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构，对识别中小尺度信息有很大帮助。为此该文对4DVAR同化技术在风场业务反演中应用的可能性进行了探讨，利用广州、济南新一代多普勒天气雷达观测资料，从是否加入云模式湿过程以及迭代次数、计算时间、背景场、初始场、分辨率和反演区域等方面对干模式的4DVAR系统进行了讨论，并从风场结构、均方根差别等方面对反演结果进行分析。多种试验表明，干模式的4DVAR系统与湿的云模式反演结果差异不大。模式的初始场和背景场对反演结果具有较高的敏感性，利用前一时次的反演结果作为背景场迭代15～20次的干模式结果可以很好地在业务上试运行，对台站预报员提高中小尺度天气预报的准确率有着很重要的作用。     

用二步变分法反演的单多普勒雷达 风场研究中尺度暴雨

采用二步变分法反演多普勒雷达风场来研究中尺度暴雨过程.首先采用多元最优插值方法将常规探空资料插值生成初始风场,在此基础上在不考虑背景场约束以及三维风场平滑量约束的条件下极小化目标函数,反演出的三维风场作为最终反演所需的背景场,然后再进行反演得到最终的三维风场.将最终反演结果与WRF模式模拟的结果进行对比检验,两者的一致表明此方法具有一定的可用性,并用得出的结果分析了2005年6月发生在江苏中部的一次中尺度暴雨过程,初步揭示了强降水中心形成的原因,印证了采用二步变分法反演多普勒雷达风场可以揭示出中小尺度降水的特征.     

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

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.     

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.     

Study on Retrieving Three-Dimensional Wind Using Simulated Dual-Doppler Radar Data in the Cartesian Space

1. Introduction Armijo (1969) proposed the three-dimensional wind retrieved equations using multiple-Doppler weather radar network in Cartesian space. There are many sources of error for recovering 3D wind using these equations. These factors include advection and turbulence in the weather system, the error of the empirical relationship between the radar reflectivity factor and the terminal fall velocity of the precipita- tion particle, integrating the air mass continuity equa- tion (problem …     

A two-step variational method for three-dimensional wind retrieval from single Doppler radar

Summary A two-step variational method is developed to retrieve the three-dimension wind field from single-Doppler radar observation for operational applications. The first step produces a proxy background wind field, and the second step retrieves the detailed wind structures in data dense areas on a high-resolution grid. The background field is called proxy because it is obtained in the first step by a spectral analysis of the same radial-wind observations that will be used in the second step and thus the background is not independent of the observations. In the second step, the wind retrieval is constrained by the proxy background and the advection equation of liquid water content in the cost function. Tested with a dataset collected during Meiyu front heavy rainfall on 22 July 2002 in China, the two-step approach is shown to yield the best performance in comparison with a single-step approach that uses either only the proxy background field or the retrieval without the proxy background.     

强热带风暴碧利斯 (0604) 引发的特大暴雨中尺度结构多普勒雷达资料分析

强热带风暴 “碧利斯” (Bilis) 于2006年7月14日12:50在福建省霞浦县北壁镇再次登陆, 与南海季风相互作用, 在福建省引发特大暴雨。作者利用双多普勒雷达三维风场反演技术对厦门和龙岩新一代多普勒雷达时间同步探测资料进行了风场反演, 综合利用雷达回波强度资料, 对造成长泰、 漳州特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明: (1) 此次特大暴雨主要是由中低层西南[CD*2]东北走向的β中尺度辐合线引发的, 辐合线对于水汽输送以及暴雨的形成、 触发、 维持具有重要作用, 辐合线在暴雨的整个生命史过程中经历了由弱变强、 由强变弱的演变过程, 变化过程与降水的强弱演变过程基本同步。 (2) 由于丰富的水汽供应和中低层辐合线的动力抬升作用, 西南[CD*2]东北走向的β中尺度回波带的西南不断有新的γ中尺度对流单体生成, 在沿着辐合线向东北移动过程中进一步发展、 合并形成β中尺度对流线, 造成持续的强降水。最后, 还给出了此次特大暴雨的三维云系结构模型。     

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。     

散射计和下投式探空仪资料对台风模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料对台风"Bilis"和"Kat-rina"模拟的影响,通过WRF-3DVAR变分同化系统将QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料同化到WRF模式中,并以未同化任何资料和同化了QuikSCAT海平面气压场以及同化了Drop-sonde资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,并对得到的初始分析场和模拟预报得到的结果与台风实况报文进行了对比,得到的结论是:对台风初始时刻海平面气压场分布、初始台风中心定位、台风初始暖心结构的改善、台风路径、海平面最低气压场、海面最大风速和雷达回波的模拟方面,同化QuikSCAT海平面气压场的效果比同化Dropsonde资料明显,其中二者对海平面最低气压场的改进效果比海面最大风速的要好。但是两种资料的同化对初始相对湿度和台风强度细节变化方面都没有产生明显改善作用。同化QuikSCAT海平面气压场试验虽然仅仅同化了单层海平面气压场,但是在三维变分同化系统的动力约束作用下,也可以影响到中高层的各个要素场。