多普勒天气雷达风场退模糊方法的研究

文章提出了对多普勒天气雷达的风场信息进行预处理的“K-邻域频数法”,该方法物理统计意义比较明确,能够有效地处理风场信息中的“噪声”问题。在此基础上,设计了单径向的速度扩展算法,并提出了“双径向-双切向”的方法, 其效果与美国WSR-88D。NSSL和FSL的算法相当。该文还设计了一个界面十分友好的人机交互方法,可以达到约90%以上的速度扩展正确率,是对传统的人机交互方法的极大改进。     

云顶亮温在一次区域性暴雨中的分析与应用

利用高、低空常规气象观测资料、卫星云图和多普勒雷达资料,分析了2006年6月12日发生在太原机场的一次强对流风暴过程,结果表明：高空气旋性冷槽的迅速东移和地面冷锋过境是本次强对流风暴发生的天气尺度系统背景,机场发生的地面大风是由下击暴流引起的,近地面强辐散引起阵风锋发生在弓形回波中低辐合层对应的下方;雷暴单体回波剖面随时间的演变发现确有反射率因子核心重心下降并接地的现象,并据此证实有两次下击暴流过程.第一次出现在16时前后距本场西北90 km处,第二次出现在18时04分,第二轮下击暴流直接造成本场的地面大风.下击暴流发生的过程始终伴随着中低层长时间的辐合和反射率因子核心的重心下降接地过程.     

测风激光雷达与风廓线雷达的探测性能评估及数据融合

测风激光雷达和风廓线雷达作为L波段探空测风的有效补充,均可以提供高时空分辨率的大气风场信息,然而由于工作原理和适用条件存在明显差异,在探测性能上各有优缺点,单一设备的探测数据已不能满足精细化预报的要求。本研究使用2020年1—5月北京南郊观象台的L波段探空资料对同址观测的测风激光雷达和风廓线雷达进行了数据质量评估,结果表明测风激光雷达与探空的一致性较高,U、V分量的相关系数分别为0.97和0.98,均方根误差分别为1.1和0.95 m·s-1,然而在2 km以上数据获取率较低且偏差较大;风廓线雷达与探空相比,U、V分量的相关系数分别为0.94和0.93,均方根误差分别为2.94和2.91 m·s-1,风廓线雷达的探测距离虽然更远,但在0.5 km以下和6 km以上的测量偏差较大。考虑到两种测风雷达在不同探测高度上的性能优缺点,提出分段曲面拟合法对两者的水平风资料进行融合处理,并选取个例对融合效果进行验证,结果表明,融合后的风廓线与融合前相比,风向和风速的一致性均得到明显提升。     

2004年两次对流风暴的多普勒雷达资料对比分析研究

误码用常规天气资料、卫星云图、多普勒雷达资料对2004年6月20日、2004年6月24日在河北境内发生的两次风暴天气进行了对比分析,分析表明：（1）速度场的涡旋分析与M产品的结合,可以从雷达资料中获得局地强风和冰雹预报的参考信息;（2）云图中圆形的云团强弱和雷达垂直积分液态含水量的大小,能够反映风暴的强弱。     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征,提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数,它们分别是:组合反射率及其水平梯度,反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图,用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区,统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征;最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数,利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验,并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较,结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云;由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征,它容易把对流核的外围识别成层状云,把厚实的层状云识别成对流云,而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

An Algorithm for Automated Identification of Gust Fronts from Doppler Radar Data

Gust fronts are weak narrow-band echoes of increased reflectivity at the background levels in the low-elevation fields of Doppler radar. An automated approach to gust front detection that relies on the image features of radar observations is presented in this paper. The algorithm is not sensitive to the variations in reflectivity values and gust front widths. The approach includes the following steps. First, a novel local binary with dual-template (LBDT) algorithm is designed as the fundamental algorithm to identify the potential areas of narrow-band echoes. Second, based on the disadvantages of the LBDT algorithm, several modifications are made, including splitting the intersecting lines, connecting the fragments, and filtering the edges and radial interference noise. Third, an optical flow method is used to determine whether a weak narrow-band echo is a gust front according to the prior knowledge that a gust front usually propagates in front of the associated generating storm. The results of experiments show that the proposed method can automatically identify gust fronts with a high probability of detection and a low false alarm rate. The automatic identification of gust fronts is potentially useful for accurate short-term weather forecasting, particularly in the forecasting of storm winds.     

福建省风廓线雷达资料在一次强对流天气过程中的应用

利用福建省永安站的CFL-03边界层风廓线雷达提供的资料,分析了福建省永安市2012年4月1l～12日的一次强对流天气过程,结果表明：风廓线雷达水平风资料可以相对连续地反映测站上空风场垂直结构和变化特点,直观而精细地反映出天气过程的演变特征。风廓线实况中的风向风速变化,可指示高空槽和气旋配合过境的情况,判断中低空急流的强弱;强降水出现前风随高度的变化存在着明显不连续现象,风向风速切变明显。这些特征可作为对降水性质、落区、持续时间等作出短时或临近预报的依据。垂直风资料可反映出降水的开始、结束和降水的强度,其波动发展的高度成为判断对流发展强弱的一个重要指标。降水期间功率谱密度出现双峰谱甚至多峰谱,而降雹时间段波束图出现了速度模糊,证明强对流系统通过测站。风廓线雷达对天气发展趋势提供可靠的指示作用。     

风廓线雷达资料在暴雨天气过程特征分析中的应用

为了研究风廓线雷达在暴雨天气过程预报中的作用,对2008年6月1日至6月2日云南大理发生的一次暴雨过程进行研究。结果表明,降水前三维风的脉动变化较大,水平风在垂直方向上存在风速切变,最大探测高度明显升高;降水期间可以对降水性质进行判断;降水期间功率谱密度出现双峰谱,能测出垂直气流速度及下降粒子速度,通过这样的分析,便于开展更深层次的降水物理过程研究。     

基于数据产品的风廓线雷达故障识别

风廓线雷达是一种以大气湍流为主要探测对象的晴空测风设备,近年来普遍使用。其资料的应用广泛,对数据产品的可用性要求越来越高。本文以1456D/F型两种布网风廓线雷达为研究对象,收集了22个产品异常个例,并对其进行了分类,分析了数据产品产生异常的原因;基于数据产品异常,总结出识别与分析风廓线雷达故障的经验方法及排查流程。有利于提高省级、台站业务人员识别风廓线雷达异常数据产品的能力,有效保障数据的正常采集与上传,从而为预报服务提供更准确的探测数据。     

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。     

宁波夏季强对流和台风短时暴雨雷达回波特征对比分析

为了对比宁波地区夏季强对流短时暴雨和台风短时暴雨的多普勒雷达回波特征,选取2004年和2005年该地区夏季出现的强对流短时暴雨和台风短时暴雨的个例作为研究对象,从回波的发展演变、回波形态及回波产品值等进行分析比较,发现：这两类短时暴雨在回波强度、回波高度及垂直液态水含量等产品有明显差异,而降水产品如OHP,STP估计的雨量值,在这两种天气过程中,均比实况雨量资料偏小,且实况雨量越大,偏差也越大;另外,在分析中也发现,用雷达缺省的Z-I关系来估计雨量有很大误差,特别是在台风降水过程中;最后分别建立了对流性降水与台风降水的Z-I关系,以修正宁波夏季的降水估计值。     

一次对流系统引起奥帆赛场风速突然减小的多普勒雷达特征

根据青岛黄岛新一代天气雷达和浮标站等观测资料,对2006年8月青岛国际帆船赛期间一次赛场风速突然减小的多普勒雷达特征进行了分析,以探讨雷达产品对地面风变化的指示意义.结果发现,对流系统周围的环境风场存在较强的风垂直切变,在对流系统移动和发展过程中,风切变层的高度发生了变化.当赛场附近近地面风切变层高度降低、切变层风速减小时,赛场附近风速也减小;切变层升高后,赛场附近的风速又重新增大,表明近地面风切变层的高度和切变层风速的大小对地面风速有影响.新一代天气雷达VAD风廓线产品可以较好地反映出雷达站附近风切变层以及风速的垂直变化,对地面风速的变化有指示意义.     

Study on the Variational Assimilation Technique for the Retrieval of Wind Fields from Doppler Radar Data

This paper introduces a variational assimilation technique for the retrieval of wind fields from Doppler radar data. The assimilated information included both the radial velocity (RV) and the movement of radar echo. In this assimilation technique, the key is transforming the movement of radar echo to a new radar measuring variable- "apparent velocity" (AV). Thus, the information of wind is added, and the indeterminacy of recovering two-dimensional wind only by AV was overcome effectively by combining RV with AV. By means of CMA GRAPES-3Dvar and CINRAD data, some experiments were performed. The results show that the method of retrieval of wind fields is useful in obtaining the construction of the weather system.     

风暴生命史雷达特征量反演

从风暴演变各阶段物理特征出发, 基于多普勒雷达观测的三维反射率因子, 定义物理量———单体重力势能。结果表明:单体重力势能是一个能够简洁、客观描述风暴单体整体强度的物理量; 利用该物理量可描述单体生命史为发展和减弱两个基本过程; 单体重力势能大小有助于辨别风暴类型和强度。同时, 生成和分析了风暴单体演变各阶段的反射率因子垂直廓线, 分析表明:在30~150 km的雷达观测范围内, 风暴单体的反射率因子垂直廓线 (降水廓线) 及其随时间的变化能较好地揭示风暴的垂直结构和生命史演变特征, 但没有用重力势能那样简洁。     

Assimilation of Doppler Radar Data with an Ensemble 3DEnVar Approach to Improve Convective Forecasting

An ensemble three-dimensional ensemble-variational(3DEnVar)data assimilation(E3DA)system was developed within the Weather Research and Forecasting model’s 3DVar framework to assimilate radar data to improve convective forecasting.In this system,ensemble perturbations are updated by an ensemble of 3DEnVar and the ensemble forecasts are used to generate the flow-dependent background error covariance.The performance of the E3DA system was first evaluated against one experiment without radar DA and one radar DA experiment with 3DVar,using a severe storm case over southeastern China on 5 June 2009.Results indicated that E3DA improved the quantitative forecast skills of reflectivity and precipitation,as well as their spatial distributions in terms of both intensity and coverage over 3DVar.The root-mean-square error of radial velocity from 3DVar was reduced by E3DA,with stronger low-level wind closer to observation.It was also found that E3DA improved the wind,temperature and water vapor mixing ratio,with the lowest errors at the surface and upper levels.3DVar showed moderate improvements in comparison with forecasts without radar DA.A diagnosis of the analysis revealed that E3DA increased vertical velocity,temperature,and humidity corresponding to the added reflectivity,while 3DVar failed to produce these adjustments,because of the lack of reasonable cross-variable correlations.The performance of E3DA was further verified using two convective cases over southern and southeastern China,and the reflectivity forecast skill was also improved over 3DVar.     

一次飑线过程多普勒雷达资料分析

利用济南CINRAD/SA多普勒雷达产品,针对2006年7月5日飑线天气过程,分析回波发展演变、流场结构,讨论外流边界、强下沉气流与大风的关系,分析组合反射率因子、垂直液态含水量、中气旋产品特征.结果发现,飑线过境时风速出现两个极大值,一个出现在外流边界影响时段,另一个发生在强回波下沉气流影响时段;在横槽南下过程中,飑线后部强入流不断补充,前侧暖湿气流沿着后部入流爬升,不断产生新的单体,使得风暴得以维持发展;在垂直流场结构上表现为前侧暖湿气流倾斜上升,然后主体部分向后倾斜,后部有冷空气注入,形成下沉气流,下沉气流在地面附近辐散,与前侧入流形成低层阵风锋,是造成地面破坏性大风的主要因素.在水平流场结构上表现为低层存在气流辐合上升运动,中层有气旋性旋转气流,风暴高层为辐散气流.飑线消散阶段后期中层出现MARC,带来大风天气,而同时伴有冰雹天气的风灾产生在飑线达到最强至开始减弱的时段.当回波强度≥50dBz,且垂直液态含水量≥35kg·m-2,当有中气旋时,有利于产生冰雹和大风天气;外流边界的出现,反映了强对流回波后部下沉气流较强,是灾害性大风的前兆.     

多普勒雷达低空大风轴线自动识别方法的探讨

运用Matlab软件模拟低空大风区的径向速度,提取速度场的结构特征,再根据这些特征研究低空大风轴线自动识别方法,并完成相应的探测识别模块的工程设计。对2003年7月10日安徽省一次伴随低空急流的强降水的多普勒天气雷达资料进行自动识别试验,并与经验判断结果进行对比分析,结果表明该模块有较好的识别能力,可以直观地得到低空大风轴线的位置。     

CFL-06型风廓线雷达与L波段探空雷达测风对比分析

为探讨风廓线雷达资料的准确性和可用性,将2016年5月2017年4月张家口的风廓线雷达与L波段探空雷达测风资料进行对比分析。结果表明:1)张家口站大多高度层二者风速呈显著正相关,00:00的相关性优于12:00的,8km以上未通过显著性检验。2)4.11km以下风廓线雷达较L波段探空雷达水平风速偏大,平均误差为0.00~1.50m/s;4.11km以上风廓线雷达较L波段探空雷达水平风速偏小,平均误差为0.00~22.13m/s,并随高度的增加而增大。3)水平风速有效样本率(风速差≤3m/s)整体随高度增加呈先增大后减小的趋势,中低层(1.23~3.63km)的有效样本率较高,为60.0%~70.0%。4)2.196.03km各高度层水平风向的有效样本率(风向差≤20°)较大,稳定在70%~80%,有降水时风向有效样本率随高度的增高而增大,且各高度层波动较大。两个时次风向有效样本多集中在风向差为10°的范围内,28km各高度层有效样本率(风向差≤10°)可达到40%~60%。     

2003年5月6日强对流天气过程多普勒天气雷达资料的分析

讨论了应用南昌多普勒天气雷达探测2003年5月6日影响江西的1次强风暴的情况,发现造成强对流天气的回波特征是多单体风暴组成的多带线性回波风暴系统,在强度场上形成了多带回波,致使受影响的台站反复出现雷雨大风和短时强降水天气。对应在速度场中,则反复出现范围为10~30km的模糊速度影响测站。当西部没有新生的单体移入时,多单体线性风暴就消亡。