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。     

多普勒速度模糊的切向消除技术

根据多普勒速度模糊在速度随方位角分布廓线（切向廓线）上的特征，提出了切向消除速度模糊的技术。其主要步骤是:1.通过消除切向廓线上的孤立点将切向廓线分为缺测段，模糊段和非模糊段；2.按速度切向分布的连续性逐段进行模糊判别和修正；3.以切向廓线的拟合简谐曲线为参照，消除廓线上的模糊点；4.在各距离段内按速度径向分布的连续性进行模糊判别和修正。文中还提出了用切向廓线的拟合简谐曲线的振幅与速度绝对值的平均值之比值的大小来检验速度模糊是否已被消除。     

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。     

多普勒雷达速度图像识别及散度提取方法研究

大尺度风场往往是冷暖平流与大尺度辐合辐散运动相结合的结果,因此将大尺度风场的多普勒雷达速度特征提炼成以下4种类型:(1)暖平流与辐合迭加;(2)冷平流与辐合迭加;(3)暖平流与辐散迭加;(4)冷平流与辐散迭加。不同类型的风场引起零速度线不同的弯曲特征,对判断大尺度风场的辐合辐散有着指示作用。根据零速度线的弯曲程度以及一定距离圈上零速度点与雷达中心连线的夹角等,首先推导出定量计算大气辐合辐散值的算法,然后提出利用逐个调整法识别零速度点的方法。根据该算法,结合零速度点的识别技术,提出了图像识别原理与方法步骤。据此,能够从多普勒雷达基数据中提取出大气平均散度,得到大尺度天气系统不同高度的散度值,并进一步提出了散度平面位置显示(divergence PPI)的概念。通过实例,根据散度PPI与速度PPI的对比,分析了图像识别的效果,并将图像识别法提取的散度值与EVAD技术提取的散度值进行了对比分析。     

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。     

基于多普勒天气雷达的垂直散度和温度平流廓线反演

垂直散度廓线可用于推断大气垂直运动情况,垂直温度平流廓线可用于推断大气层结是否稳定,有助于预报员推断本站降水演变趋势。鉴于我国多普勒天气雷达中还没有垂直散度和温度平流廓线产品,提出了这两种产品的反演方法。首先使用分层VVP方法从雷达体扫径向速度资料中反演出雷达站上空的垂直风廓线和垂直散度廓线,然后在假设大气处于地转平衡条件下,基于温度平流与地转风随高度的变化关系,从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线。以两次大范围暴雨天气过程为例,反演了雷达站上空的垂直风廓线、散度廓线和温度平流廓线,并对反演结果进行了分析。结果表明:在雷达周围有大范围降水回波的情况下,使用分层VVP方法能合理地反演出雷达站上空的垂直风廓线和散度廓线;在这种情况下,反演的垂直风廓线代表各个高度雷达有效探测范围内的平均水平风,可近似满足地转平衡条件,因此,使用热成风方程能较为合理地从垂直风廓线中反演出垂直温度平流廓线;三个反演产品的合理性可用天气学理论和天气实况来解释。     

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。     

多普勒雷达风廓线资料可用性评估

利用阳江大气探测基地拥有多普勒雷达、L波段探空雷达和地面观测站于一体的条件,将多普勒雷达高密度的VAD风廓线资料与L波段雷达资料进行对比,分析其相关性,得出多普勒VAD风廓线资料在探测资料齐全时,与L波段雷达资料变化趋势一致;一般情况,多普勒风廓线探测值比同一层的探空风偏小;多普勒风廓线RMS误差资料代表多普勒风廓线资料与探空资料的一种差异趋势。     

一次大到暴雪天气的多普勒雷达产品综合分析

利用常规资料和大同多普勒雷达产品,对2009年11月9日一10日发生在大同地区的大到暴雪天气过程进行综合分析。结果表明：地面回流和高低空急流是产生强降雪的主要原因;较大降雪回波与连续性降雨回波存在相同特点;利用大面积降水的多普勒天气雷达径向速度PPI图像识别技术,定性分析此次降雪的冷暖平流与大尺度辐合辐散运动叠加的图像特征和由零线的朝向和正负速度面积、径向速度值的大小判断风向风速辐合辐散的图像特征,与根据零速度线的弯曲程度以及一定距离圈上零速度点与雷达中心连线的夹角推导出的定量计算大气辐合辐散值的算法计算出的大气平均散度值相比较,表明两种方法具有很好的一致性,可以在实际工作中对辐合、辐散快速判断。由重新处理雷达原始资料求得每半小时的雷达风廓线资料,可以清楚地展示强降雪的风场的垂直结构及其变化特点,直观地反映出降水过程中的风场变化特征。     

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。     

改善EVAD技术求解散度的方法

详细介绍了改善EVAD技术中测量水平散度的方法，用Sirmans建议的技术来模拟降水回波信号，通过此方法对模拟的含有0, 1, 2, 3阶谐波的非线性风场加噪声, 得到近于真实的多普勒速度场，并用此速度场得到的水平散度和以前的EVAD算法（Srivastava算法和Thomas算法）的水平散度相比较，结果表明:无论在非全方位不均匀采样、非全方位均匀采样、不同信噪比、不同速度谱宽条件下，文章建议的EVAD方法求得的水平散度精度有明显的提高。     

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。     

Three-Dimensional Wind Field Retrieved from Dual-Doppler Radar Based on a Variational Method: Refinement of Vertical Velocity Estimates

In this paper,a scheme of dual-Doppler radar wind analysis based on a three-dimensional variational method is proposed and performed in two steps.First,the horizontal wind field is simultaneously recovered through minimizing a cost function defined as a radial observation term with the standard conjugate gradient method,avoiding a weighting parameter specification step.Compared with conventional dual-Doppler wind synthesis approaches,this variational method minimizes errors caused by interpolation from radar observation to analysis grid in the iterative solution process,which is one of the main sources of errors.Then,through the accelerated Liebmann method,the vertical velocity is further reestimated as an extra step by solving the Poisson equation with impermeable conditions imposed at the ground and near the tropopause.The Poisson equation defined by the second derivative of the vertical velocity is derived from the mass continuity equation.Compared with the method proposed by O’Brien,this method is less sensitive to the uncertainty of the boundary conditions and has better stability and reliability.Furthermore,the method proposed in this paper is applied to Doppler radar observation of a squall line process.It is shown that the retrieved vertical wind profile agrees well with the vertical profile obtained with the velocity–azimuth display(VAD)method,and the retrieved radial velocity as well as the analyzed positive and negative velocity centers and horizontal wind shear of the squall line are in accord with radar observations.There is a good correspondence between the divergence field of the derived wind field and the vertical velocity.And,the horizontal and vertical circulations within and around the squall line,as well as strong updrafts,the associated downdrafts,and associated rear inflow of the bow echo,are analyzed well.It is worth mentioning that the variational method in this paper can be applied to simultaneously synthesize the three-dimensional wind field from multiple-Doppler radar observations.     

一次阵风锋的观测实例和分析

针对2007年3月2日-4日出现在黄土高原干旱地区的一次大范围较强降雨过程,利用常规气象观测资料和多普勒雷达监测资料进行了分析,发现：这次降雨为积层混合云降水,在强度PPI上具有回波范围大,分布较均匀、连续,边缘不规则等连续性降雨回波特征;VIL的变化与降水发生有明显的正相关,对降水过程的发生有一定的指示意义;多普勒径向速度的PPI图像中各个圈层正、负速度值的大小和同一风速值所对应的面积大小可以判断各个高度层风向、风速的辐合辐散;由零速度线的走向可以定性判断辐合辐散与冷暖平流,进而推断降水的生消。通过对此次降水个例的分析,探讨了春季强降雨过程的雷达图像特征,为干旱区春季大面积降水预报积累经验、提供一定的参考依据。     

多普勒雷达资料在强降雪过程中的分析应用

本文以2004年12月20日～22日山西省大范围自南向北的强降雪天气过程的分析为基础,结合预报员的实践经验,着重从多普勒天气雷达资料产品的演变特征中对比分析出此次降雪的成因。分析表明,较大降雪回波与连续性降水回波有许多类似的特点,但也有许多不同之处,对其所获取的降水区中的回波强度(r)、径向速度(V)和速度方位显示风廓线(VW P)等产品进行了仔细的对比分析,从而达到提高多普勒天气雷达资料分析、运用能力的作用,可在灾害性天气监测和重大预报服务中取得很好的效果。     

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。     

用CINRAD-SA雷达产品识别冰雹、大风和强降水

利用位于河北新乐的CINRAD-SA多普勒天气雷达（回波强度、回波顶高、速度回波、垂直积分液态含水量、组合反射率、冰雹指数、中气旋、风廓线等）产品，对发生在河北省中南部地区的冰雹、强风、大型降水天气过程进行了统计分析。从中得到了不同天气类型的多普勒雷达指标，为今后利用多普勒雷达识别各类天气提供参考依据。     

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。