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.     

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。     

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。     

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。     

单多普勒雷达SVVP风场反演及应用

针对单多普勒雷达风场反演VVP方法中存在的线性方程组的病态矩阵问题,使用改进的SVVP方法,通过多种模拟风场信号对其进行检验和分析,并给出两个反演实例:2009年江苏雨雪天气和安徽冰雹个例。模拟和实例表明SVVP方法反演的风场结构合理,对于反演强对流天气比较有效。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

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。     

一次冰雹过程的多普勒雷达资料的风场反演与分析

采用改进的简化伴随模式对单站多普勒资料进行三维风场反演。选取2005年4月25日发生在湖北京山的冰雹过程,利用武汉新一代天气雷达（CINRAD/SA）的原始资料进行风场反演,并与目前实际业务中使用的冰雹预报方法进行比较,探索其用于实际冰雹业务预报的可能性。结果表明：运用该方法反演的三维风场能描述冰雹的发生发展过程特点;对于冰雹这种局地性强、发展时间短的剧烈天气过程,该风场反演方法可作为一种小尺度天气预报分析的辅助手段。     

利用单多普勒雷达资料做冷流暴雪的中尺度分析

基于单多普勒天气雷达资料采用EVAP方法反演风场, 并结合径向速度、 反射率因子、 自动气象站和探空风场等观测资料, 对2005年12月6～7日山东半岛一次冷流暴雪过程的中尺度特征进行了深入分析, 结果表明： (1)雷达回波呈狭窄带状, 移动缓慢近乎停滞, 径向速度上存在风向切变线, 烟台和威海的暴雪不同步是冷流暴雪的典型特征; (2)首次通过雷达反演证实了逆风区实际就是风场切变在径向速度图上的反映, 垂直各层水平风场存在中尺度切变线, 且与强回波带相对应, 切变线的位置决定暴雪的落区; (3)通过雷达反演风场和风廓线共同揭示出强降雪产生时对流层中层有西北风、 西南风和东北风三股气流, 明显的西南气流位于850～700 hPa, 表明冷流降雪过程并非传统认为的仅有西北冷平流, 而是不同气流辐合的结果; (4)对流层中层的西南暖平流为云的播种和反馈机制提供了有利的天气背景条件, 使得冷流降雪增强, 这在常规观测资料中无法看到。     

用EVAP方法反演冷流暴雪的风场及检验

EVAP(Extended VAP)雷达反演方法是在忽略空气垂直运动速度而考虑云雨粒子下落速度影响的条件下,导出从雷达多仰角多普勒速度资料产生不同高度上的水平径向速度计算公式,然后利用VAP方法来反演出等高面上的二维水平风场.利用烟台多普勒天气雷达资料,采用EVAP方法反演了2005年12月山东半岛两个风场背景条件和暴雪落区均有明显差异的冷流暴雪个例水平风场.将雷达实测的径向速度、反射率因子插值到各等高面上,并与反演的同等高面风场叠加显示,以此分析反演的风场是否与原始雷达数据相符.此外,还与地面自动站风场、高空风场等实测资料进行对比,综合检验反演结果的合理性和可靠性,并进一步分析了冷流暴雪的中尺度风场结构.结果表明,反演风场与实测资料相符;EVAP方法对强风和弱风的冷流暴雪个例都可反演出不同高度的中尺度风场结构,反演的西南风与东北风、西北风与东北风之间的切变线和强回波带相对应,揭示了暴雪产生的动力机制,说明EVAP方法对不同风场条件的暴雪中尺度系统都有一定的反演能力.高时空分辨率的EVAP反演风场弥补了天气图上仅能分析出山东半岛西北风的缺憾,且反演过程中一个体扫的计算时间不足1 min,因此EVAP反演的中尺度风场信息适合在冷流降雪的短时临近预报业务中应用.     

以单多普勒雷达观测资料反演冷锋流场的试验

通过对一次欧洲冷锋过程单多普勒雷达立体扫描资料的实例计算来考察用ＶＡＤ（ＶｅｌｏｃｉｔｙＡｚｉｍｕｔｈＤｉｓｐｌａｙ）方法反演锋面在垂直剖面图上的风场和用ＶＡＰ（ＶｅｌｏｃｉｔｙＡｚｉｍｕｔｈＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方法反演水平风场的可能性。反演结果不仅显著展示了锋面两侧的风向切变，而且也展示出气团内部风场中存在的中尺度结构。由于ＶＡＰ方法对距离圈上多普勒速度随方位的变化非常敏感（多普勒速度的脉动）     

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.     

多普勒雷达风场反演VAP方法的资料预处理

在分析了三类单多普勒雷达反演风场方法的基础上, 认为VAP方法是近期内可望在业务中应用的方法, 并指出VAP方法的关键是能否将原始资料中的中-U及以上尺度的风场信息过滤出来, 以消除中-V尺度以下风场信息对反演结果的影响.为此提出了二维区域滑动低通滤波方法对资料进行预处理.此外还对VAP方法的风速计算公式进行了改进以减小计算误差.     

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。     

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.     

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。     

一种新的单多普勒雷达风场反演方法

本文提出的 VPP(Velocity Plan Processing)方法是根据单位分析单元内部风场是均一的假定条件 ,通过变分的思想得到水平切向风场 ,进而转换成水平风场。文中对单位分析单元大小对反演风场误差的影响进行了分析 ,结果表明 :分析单元方位角跨度大于等于 6°时会得到较高的反演精度。为了验证 VPP的结果 ,进行了模拟及实例反演 ,文中给出了两个反演实例 ,第一实例为梅雨锋过程 ,第二个为中尺度雹暴过程。结果表明可以很好地反演中尺度系统     

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.     

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。     

单多普勒天气雷达反演降水粒子垂直速度Ⅰ：算法分析

针对多普勒雷达风场反演的体积速度处理(Volume Velocity Processing,VVP)方法中系数矩阵的病态问题,从数学上进行了分析和论证,对反演的误差进行了敏感性分析,并对垂直速度的求解方程作了改进。系数矩阵的条件数将随着待反演参量的不同而差别很大,通常的处理方法是舍弃量级较小的参量,通过对误差范数的分析,证明这种处理尽管存在模型误差,但能够降低求解难度和结果误差。对系数矩阵病态原因的分析发现,系数矩阵矢量的线性相关造成了矩阵奇异,当合并或舍弃线性相关项时,待反演参量会受模型误差的影响,并且这种模型误差的大小并不仅与待反演参量的量级有关,而且随着位置的不同而改变,但是部分待参量仍然可以保持准确值。在对VVP算法误差分析的基础上,分析并验证了舍弃部分参量时的反演误差,改进的算法为准确反演降水粒子的垂直速度提供了理论基础。