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.     

由单Doppler雷达资料反演水平风场的简单共轭函数方法的改进方案

该文改进了Qiu和Xu提出的由单个Doppler雷达探测的资料反演水平风场的简单共轭（simple adjoint）函数方法。其基本做法是将控制方程中的状态变量改用其时间距平量代替，并加入一待反演的方程误差项。利用1988年夏季在美国丹佛机场所作的一次下击暴流的双Doppler雷达观测试验资料对新方法作了检验，结果表明其对反演结果的改善是显著的。     

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.     

双多普勒天气雷达反演大气三维风场的个例研究

根据笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达反演大气三维风场的理论，以2003年7月5日发生在安徽省的一次强降水过程为例，反演大气三维风场。结果表明：利用双多普勒天气雷达反演大气风场能够更加详细地反映出大气风场的三维结构。     

长沙机场阵列天气雷达风场验证

利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分（three-dimensional variational data assimilation,3DVAR）风场反演研究。为验证该算法的反演效果,选取外场试验中10次降水过程,在阵列天气雷达的三维精细探测区内,采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明:在稳定性降水条件下,阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致;在对流性降水条件下,由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降,风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%,29%,水平风向差分别低于14.92°,26.35°,稳定性降水条件下阵列反演风场更优,误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征,水平风场空间分布和风速、风向非常接近。     

一次强降雨过程的简化伴随模式风场反演

采用改进的简化伴随模式对单站多普勒雷达资料进行三维风场反演。选取2004年7月18日发生在湖北天门、应城的强降水天气过程，利用武汉新一代天气雷达（CINRAD／SA）的原始资料进行风场反演。研究结果表明：运用该方法反演出的三维风场，体现了强降水系统的气流特征，有一定的可信度和准确性；由此分析中小尺度天气系统发生发展的演变规律，对短时强降水预报具有指导作用。     

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场，利用这一原理，以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例，用模式反演出风暴体的三维风场结构，误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场，先模拟两部多普勒雷达扫描的数据，在此基础上，进行三维风场反演，结果表明，反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致，风暴的中心位置吻合较好，上升气流和下沉气流的分布也很接近，水平速度分量反演的误差很小，基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小，反演结果较好。     

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。     

笛卡儿坐标系的双多普勒天气雷达三维风场反演技术

文中研究了笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达三维风场反演技术 ,提出了包括雷达原始资料的预处理 ,空间插值以及可靠性检验的新方法 ,提高了反演结果的可信度和精确度。使用模拟的双多普勒雷达体扫资料进行了反演试验 ,结果表明 :本文的方法能够比较真实地反映风场的三维结构 ,可以用于真实风场的反演。     

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.     

Establishment of a multiple-Doppler radar wind retrieval system and its application to the analysis of mesoscale convective systems

A multiple-Doppler radar wind retrieval system is established by using a three dimensional variation method. The system consists of two parts. One is to interpolate reflectivities and radial velocities of nine Doppler radars of the Korea Meteorological Administration (KMA) into one analysis domain. The other is to retrieve three dimensional winds by minimizing a cost function that includes the following costs and constraints: the observed radial velocity cost, background wind cost, continuity constraint and smoothness constraint. In order to verify the performance of the system, retrieved winds are compared with observed winds obtained from five wind profilers of KMA. The performance of the system depends on the relative position to the baselines between Doppler radars. However, the performance of the system is enhanced when the number of overlaps among the radial velocities increases. The system is applied to the analysis of the evolution of a mesoscale convective system (MCS) on the Changma front on 1 July 2005. The analysis result shows that a new convective cell is developed by the convergence of the low troposphere winds at the organizing stage. The analysis of the vertical vorticity reveals that, among the two vorticity generation terms to be calculated utilizing the retrieved winds, tilting or twisting source dominates the divergence source in most convective regions. The strong downdrafts associated with the storm are produced on the downdraft branch of a meridional direction secondary circulation across the Changma front.     

高分辨率合成孔径雷达卫星反演风场资料在中国近海风能资源评估中的应用研究

由于海上测风非常昂贵,实地测风资料严重不足,而卫星反演海面风场资料可以有效地弥补这一缺陷,对近海风能资源评估具有至关重要的意义。近年来,欧洲太空局2002年3月发射的Envisat卫星搭载合成孔径雷达（SAR）图像产品在欧洲近海风能资源评估中得到了广泛应用。文中探讨了空间分辨率约1 km×1 km的SAR卫星反演海面风场资料应用于杭州湾近海风能资源评估的技术方法,通过杭州湾海域的实测风速与SAR卫星反演海面风速数据的对比分析发现：（1）14个实测站点中13个站的相对误差小于20%,其中7个站的相对误差小于10%,平均标准差为2.29 m/s;（2）以SAR卫星反演风速数据为基础计算的风能参数（形状参数和尺度参数）与实测数据计算结果的一致性较高;（3）将该数据同化进入WRF数值模式中,与控制试验相比,大部分检验站点的风速相关系数明显提高,标准差和相对误差也得到改善。SAR卫星反演风场资料可用于中国的近海风能资源评估。     

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.     

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法

文中提出的EVPP(Extended Velocity Plan Processing)方法是根据风场连续及局部分片光滑的性质,假定在一很小的分析窗内风矢量保持线性变化关系,使得在分析窗内反演得到的风场在矢径上的投影与实际观测的多普勒雷达径向速度场之间的误差达到最小,并利用零速度线这一特点对问题的求解做出约束,使得所得解尽可能达到全局最优,即:(1)利用变分的思想求出水平风速的大小及方向;(2)利用风场局部分片光滑,对风的方向做出矫正。虽然由于风场受到线性假设这一限制,使得其使用的范围得到了局限,但是在本文中利用零速度线这一特征使得反演的结果得到了进一步的提高。文中利用模拟的理想个例和实际观测到的个例分别进行了研究分析。为了证明其理论的可行性,首先我们利用三维冰雹云模式模拟了辽宁2005年7月8日的一次冰雹云过程,考虑到个例的代表性,我们选择了辐合、辐散、旋转以及均匀风场等4种类型的流场结构进行了模拟分析,同时为了验证该种方法对于资料质量的依赖性以及噪声的敏感性,我们在理想质量中加入了随机噪声。从对模拟风场的反演,证明了该方法理论上的可行性,而且噪声对其结构的影响不大。然后针对台风、飑线、强对流等实际天气过程作了进一步分析。最后对反演结果进行了误差分析,结果表明这一方法能较好地反演出中尺度系统的水平流场结构。     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。