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.     

三雷达、双雷达反演降雹超级单体风暴三维风场结构特征研究

为研究降雹超级单体风暴的三维结构特征,利用厦门、龙岩、梅州3部新一代天气雷达（CINRAD/SA）基数据,采用基于动态地球坐标系的双雷达和三雷达三维风场反演技术,分析了2016年4月8日傍晚福建省南部漳州地区出现的一次冰雹过程的回波强度、三维风场及相关物理量分布变化。主要结果为：（1）冰雹云初生、发展阶段,低层水平流场出现气旋性辐合,云体内部形成较强的上升运动。（2）冰雹云强盛阶段,回波顶高度达16 km,其中大于60 dBz的回波高度由5.3 km发展至9 km,最强回波达74.5 dBz,伴随出现最长达25 km的三体散射长钉回波和32.7 km的旁瓣回波。低层水平维持气旋性流场的同时,高层出现反气旋性流场。4-8 km高度内,大于20 m/s的强上升气流持续近37 min。最大垂直速度达51.06 m/s,出现在超级单体悬垂部（约7.5 km高度处）。（3）降雹时段,出现明显的下沉气流。降雹超级单体的三维流场结构表现为：风暴移向前沿低层气旋性气流进入风暴后逐渐倾斜上升,到达风暴顶形成反气旋性气流,并逐渐向下形成下沉气流。（4）系统减弱阶段,出现系统性下沉气流,强回波底及地。双雷达和三雷达能较好地反演降雹超级单体的三维风场精细结构,有助于加深对冰雹云结构的认识进而提高冰雹预报能力。     

双Doppler雷达非同时性资料反演三维风场的改进方案

针对Doppler雷达观测资料具有非同时性的特点，对原有的从双Doppler雷达资料反演三维风场的MANDOP方法进行了改进。新方案同时反演两次体积扫描期间开始和结束两个时刻的三维风场并假设在该期间内风随时间线性变化，从而保证了在目标函数中反演量与观测量的时间一致性。用模式模拟资料和一次实测的超级风暴单体资料分别进行了反演试验，结果表明，采用该处理方案可以提高反演精度。     

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。     

一次弓状回波、强对流风暴及合并过程研究Ⅱ：双多普勒雷达反演三维风场分析

利用济南和滨州两部新一代多普勒雷达反演的三维风场,分析了发展成熟和减弱阶段的弓状回波、强对流风暴的三维风场结构,以及两者合并过程的风场变化特征。结果表明：（1）弓状回波的头部和尾部分别对应气旋性和反气旋性环流,气旋性环流较强。在逗点云系阶段,回波强度、主上升气流,以及气旋和反气旋性环流开始减弱。（2）强对流风暴靠近处于...     

用机载多普勒雷达资料进行三维风场解析反演 I. 多重解析多普勒方法在机载雷达情况下的推广及模拟验证

多重解析多普勒（MANDOP）方法是用解析表达式进行三维风场反演。它成功地应用于处理地基多普勒雷达资料，获取对流系统层状降水区域的风场结构。本文将MANDOP方法在机载雷达情况下的进行推广并通过模拟研究径向速度测量中信号噪声、雨滴降落速度估计误差、平流速度估计误差、尤其是由于机载特性的引入产生的雷达束定位误差等对方法的影响。模拟结果显示，在机载雷达的技术参数下，MANDOP方法能够提供误差可以接受的三维风场反演。这为利用MANDOP方法处理在CaPE实验中获取的历史上第一次机载双束多普勒雷达资料建立了可靠的基础。     

一次飑前降雹超级单体分裂过程的雷达回波及流场特征分析

2019年4月23日浙江南部发生一次明显的超级单体分裂过程,为研究超级单体风暴分裂特征,利用多部雷达构成的双雷达三维风场反演组网技术,结合雷达基本产品、风廓线雷达及探空资料对此次分裂过程做了分析。该超级单体风暴在较强的风垂直切变环境下（地面—500 hPa大于15 m/s）发生,形成于飑线主体弓形回波前端,具有明显的三体散射特征且持续时间较长。分裂从初始风暴的北侧中层开始,然后迅速向上、下伸展,左移超级单体具有明显的中反气旋涡旋结构,呈现由悬垂、强回波柱、强上升气流配合构成的典型超级单体结构,与右移超级单体无论在形态或是流场结构上都形成近似镜像对称的特征。在两者即将分离时,两风暴均发生了降雹,对应强下沉气流。在新风暴分裂形成的发展阶段其垂直廓线中最大垂直速度和最大负散度均在增大,而对应时段原风暴这两个物理量数值减小;整个分裂过程两个风暴正、负涡度数值均一同逐渐增大,气旋—反气旋涡旋的旋转程度变大趋势一致。低层风垂直切变矢量随高度上升逆时针旋转,分裂的左移反气旋超级单体加强发展,右移的气旋式超级单体受到一定抑制,与理论研究结论一致。该个例雷达反演的风场特征与径向速度分布吻合,反演风场基本...     

用机载多普勒雷达资料进行三维风场解析反演：Ⅰ.多重解析多普勒方…

多重解析多普勒方法是用解析表达式进行三维风场反演。它成功地应用于处理地基多普勒雷达资料，获取对流系统层状降水区域的风场结构，本文将ＭＡＮＤＯＰ方法在机载雷达情况下的进行推广并通过模拟研究径向速度测量中信号噪声、雨滴降落速度估计误差，尤其是由于机载特性的引入产生的雷达束定位误差等对方法的影响。模拟结果显示，在机载雷达的技术参数下，ＭＡＮＤＯＰ方法能够提供误差可以接受的三维风场反演。这为利用ＭＡＮＤＯ     

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。     

利用多普勒雷达速度资料检验三维中小尺度模式流场

数值模式调试时,需要合理快速地将观测资料用于模式的流场检验,为此建立一种新方法:将模式输出的三维风场通过正演给出模拟雷达显示,使模拟风场可以有效地和多普勒雷达的速度产品进行比较.在强降水、冰雹和大风等的个例实验中,应用上述方法对双参三维冰雹云模式风场处理,模式给出的模拟雷达结果在主要对流特征上与雷达卖测一致.试验表明,该方法能直观对比多普勒雷达风场资料,有效检验模式中间过程流场,在模式研究调试中起到辅助作用.     

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。     

晴空回波在强对流天气临近预报中的应用

该文介绍了利用多普勒天气雷达资料判断环境风场辐合、辐散的两种方法:径向速度图像特征定性识别法和EVAD技术定量计算法,并结合2009年8月两次强对流天气过程详细介绍了两种方法的具体应用。统计分析了2005-2008年5-9月晴空回波特征以及不同高度散度和对流出现时间的关系,晴空回波出现在距离雷达中心50km范围之内,反射率因子多在10～20dBZ,径向速度大部分为-5～5m/s;强对流天气出现之前,对流层低层均会出现辐合,可以利用低层连续5个体扫出现辐合作为环境场具有辐合条件的指标。根据统计结果建立了强对流天气临近预警系统,该系统在2009年6-8月试运行,预警命中率为88.9%,虚警率为29.8%,临界成功指数为64.5%,辐合提前对流天气出现时间平均为7.1h,对降低强对流天气漏报率,提高强对流天气的临近预报水平有重要意义。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

一次强烈雹暴的三维结构和形成机制的单、双多普勒雷达分析

利用单多普勒天气雷达的反射率因子、径向速度数据和双多普勒雷达反演的三维风场,分析了一次强烈雹暴的产生、发展和维持机制.主要结果为:该雹暴是产生于中等偏上垂直风切变和较大的对流有效位能条件下的右移风暴,它在旧无序多单体风暴的右侧产生.旧的多单体风暴和雹暴初始阶段主要雷达回波区域负的径向速度(向着雷达的速度)占主导地位,随...     

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.     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。     

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.     

新疆地区一次对流性降水的三维中尺度风场研究

利用2004年外场试验获得的乌鲁木齐和五家渠C波段双多普勒雷达资料, 分析了双多普勒雷达风场反演方法和资料的可靠性, 研究了2004年8月8日发生在乌鲁木齐和五家渠的一次强对流性降水的回波和风场中尺度结构及演变过程。结果表明:这两部雷达观测的回波强度相关很好, 雷达基线上的径向速度基本一致, 资料可靠, 适合进行双多普勒雷达观测; Cressman插值的影响半径的变化对风场的中尺度结构基本没有影响, 径向速度误差引起的风场反演误差与该点所处的位置有关, 1 m/s径向速度误差也不会改变风场的中尺度结构。该过程为对流单体发展为对流带状回波的过程, 在对流单体的左侧生成新的对流单体, 逐步发展为长度约90 km范围的带状对流系统, 该系统恰与较强的东北风和较弱的西风形成的辐合相对应, 上升气流与强对流回波相对应, 不同对流单体有各自相独立的风场结构。用双多普勒雷达观测得到对流系统的内部风场有利于了解对流系统的内部动力过程, 从而探讨降水的形成和演变机理。     

A three-dimensional variational single-Doppler velocity retrieval method with simple conservation equation constraint

Summary In this paper, a new three-dimensional variational analysis scheme capable of retrieving three-dimensional winds from single Doppler observations of convective storms is developed. The method incorporates, in a single cost function, Doppler radar observations, a background field, smoothness and mass continuity constraints, and the residual of reflectivity or radial velocity conservation. By minimizing this cost function, an analysis with the desired fit to these constraints is obtained in a single procedure. In tests with both simulated and real thunderstorm cases, detailed structures of the storms are well retrieved in comparison with reference analysis. Unlike most kinematic retrieval methods, our scheme is capable of directly dealing with data voids. When an analysis background is available, say from a proximity sounding, a wind profiler, or a numerical model forecast, the method naturally blends Doppler radar observations with it. Thus, a smooth transition is obtained between data-rich and data-void areas. These features, among others, are important if the analysis is to be used to initialize storm-scale numerical models or for diagnostic studies of storm structures.     

Evolution of the Total Lightning Activity in a Leading-Line and Trailing Stratiform Mesoscale Convective System over Beijing

Data from the Beijing SAFIR 3000 lightning detection system and Doppler radar provided some insights into the three-dimensional lightning structure and evolution of a leading-line and trailing-stratiform (LLTS) mesoscale convective system (MCS) over Beijing on 31 July 2007. Most of the lightning in the LLTS-MCS was intracloud (IC) lightning, while the mean ratio of positive cloud-to-ground (+CG) lightning to -CG lightning was 1:4, which was higher than the average value from previous studies. The majority of CG lightning occurred in the convective region of the radar echo, particularly at the leading edge of the front. Little IC lightning and little +CG lightning occurred in the stratiform region. The distribution of the CG lightning indicated that the storm had a tilted dipole structure given the wind shear or the tripole charge structure. During the storm’s development, most of the IC lightning occurred at an altitude of ～9.5 km; the lightning rate reached its maximum at 10.5 km, the altitude of IC lightning in the mature stage of the storm. When the thunderstorm began to dissipate, the altitude of the IC lightning decreased gradually. The spatial distribution of lightning was well correlated with the rainfall on the ground, although the peak value of rainfall appeared 75 min later than the peak lightning rate.