风廓线雷达数据质量影响因子及处理算法

风廓线雷达系统误差和探测数据时空代表性影响风的数据质量。针对五波束探测风廓线雷达,提出雷达系统误差检测方法并分析风的空间不均匀分布和时间代表性对风数据质量的影响。在此基础上,通过比较4组三波束计算的两组水平风u,v分量离差进行风的空间均匀性判别,并比较了一致性平均和数学平均两种时间代表性处理算法间的测风精度差异。利用广东风廓线雷达站网2014年3—5月10部雷达数据进行方法应用和评估。结果表明:稳定大气条件下,3种型号雷达 (LC,PB,PA) 的有效数据高度分别达到3,6 km和10 km的雷达系统功能设计需求。经空间均匀性检验与时间一致性平均处理的风数据在降水期间质量优于业务雷达数据,3—5月10部雷达获取的两组u,v分量离差标准差约为1 m·s-1,表明经过空间一致性检验和时间一致性平均处理后的数据质量较好。     

风廓线雷达测风精度评估

采用风廓线雷达5波束探测模式的数据对测风精度进行评估分析,用垂直波束和其中两个相邻倾斜波束的探测数据构成一对计算因子,通过对同一距离高度上的4对计算因子进行误差分析,评估风廓线雷达的测风精度,得到水平风在垂直指向连续高度上的精度。对北京延庆CFL-08风廓线雷达2010年3,6,9,12月4个典型代表月份逐日连续探测资料进行了处理分析,结果表明:该雷达满足风速误差不大于1.5 m·s-1、风向误差不大于10°探测精度要求的最大探测高度6月、9月为8 km,3月、12月为6 km,基本符合该雷达探测高度的设计要求。信噪比、大气风场的不均匀性是影响雷达测风精度的主要因素:信噪比影响了高空的测风精度,-15 dB可以作为判断雷达测风可信数据最大探测高度的阈值;晴空大气出现的风场不均匀性对风廓线雷达的测风精度影响不大,降水出现时环境风场不均匀性造成水平风向、风速的测量误差较大,不能满足测风精度要求,特别是对流性降水发生前的1~2 h,水平风向、风速的方差增长迅速,可以作为强降水出现的预警指标。     

不同台风降水强度下风廓线雷达适用性

以2019年8月在浙江舟山对1909号超强台风“利奇马”的移动观测试验为基础,利用同一地点释放的9次GPS探空气球,对比了风廓线雷达和多普勒激光测风雷达与GPS探空的吻合程度,并利用车载雨滴谱仪对风廓线雷达在不同台风降水强度下的适用性进行了研究。结果表明,在100~300 m高度范围内激光测风雷达观测风速比风廓线雷达更准确。由水平风速对比结果可知,风廓线雷达在3~4 km高度范围内偏差最小(3.59 m/s),相关性最高(0.86),而在1 km高度下偏差最大(6.39 m/s),相关性最低(0.54);在中雨及大雨条件下适用性最差,最大风速偏差约为18 m/s。由水平风向对比结果可知,风廓线雷达与GPS探空总体上吻合较好,相关系数均大于0.85,均方根偏差均小于11 °。另外,降水强度对风廓线雷达的风向观测影响较小,风向偏差随降水强度的变化总体趋于平稳,基本分布在-20 °~20 °之间。      

一种抑制降水对风廓线雷达水平风干扰的方法

降水条件下,风廓线雷达 (wind profiler radar,WPR) 能够同时接收到大气湍流回波和降水粒子的散射回波,降水信号谱与湍流信号谱叠加在一起。风廓线雷达计算水平风时,若采用叠加在一起的功率谱处理降水条件下的探测数据,必将导致后期水平风的合成严重失真。该文首先对原始功率谱数据进行插值和平滑处理,通过功率谱曲线极大值点的个数判断其是否受到降水影响。对于受到降水影响的功率谱,依据湍流谱和降水谱均趋于对称型的特点,用两种方法分别对不同特征的功率谱曲线进行湍流谱和降水谱的分离处理,继而利用分离出的湍流谱信号反演水平风场。研究选取广东省湛江站风廓线雷达2013年6月及7月两次实测降水过程,分析结果表明:用湍流谱代替原始功率谱反演的风场,一致性较处理前有明显提高,从而证明了该分离方法的可行性。     

风廓线仪系统探测试验与应用

在简述大气风廓线仪和电声探测系统结构及探测原理的基础上, 对廓线仪探测资料与同步探空仪资料进行了对比, 验证了风廓线仪资料的可信度, 并应用风廓线资料分析了梅雨锋期间中尺度降水的对流特征和相关问题。结果表明:大气风廓线仪对水平风的垂直结构有较强的探测能力, 能实时监测中尺度降水期间风的垂直切变和对流特征, 有助于提高临近天气预报的精度, 准确预报降水。     

风廓线雷达反演温度平流的应用

利用北京延庆站风廓线雷达水平风廓线资料进行大气温度平流的反演,详细分析2014年11月15日夜间冷空气入侵过程,并统计分析2015年9—11月6次冷空气入侵过程,同T639L60模式的预报风场及温度平流预报产品进行对比。结果表明:在一定预报时效内 (约6~12 h),风廓线雷达获取的水平风廓线与模式给出的预报风场有较好的一致性;由风廓线雷达反演的温度平流与模式给出的温度平流量级相同,温度平流属性一致;风廓线雷达6 min完成1次垂直高度分辨率为120 m的探测,高时空分辨率使风廓线雷达获取的温度平流较T639L60模式更能反映大气温度平流的细节。     

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。     

风廓线雷达探测降水过程的初步研究

为利用风廓线雷达 (WPR) 开展降水研究, 分析了2006年8月25-26日北京延庆WPR探测降水个例。降水前高空出现持续时间长达10h以上的水平风垂直切变; 在信噪比 (SNR) 时间序列资料中出现比较清晰的SNR极值层, SNR极值层所处高度与水平风垂直切变高度相吻合。降水期间及前后, 水平风探测高度明显增高2km以上。随地面降水的临近, 下降速度所处高度逐渐降低, 从高空一直延伸到低空, 持续时间长达10h。资料分析表明:国产WPR可以在降水天气工作, 其探测资料能及时反映大尺度流场的变化。通过WPR提供的功率谱密度、SNR、水平速度、垂直速度等多种资料, 可从多种角度了解降水过程; 特别是WPR可以同时探测垂直气流速度、粒子落速及其高度分布, 进而可以估计降水粒子尺度谱及其高度分布, 便于开展更深层次的降水物理过程研究。     

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。      

Structures and characteristics of the windy atmospheric boundary layer in the South China Sea region during cold surges

An observational analysis of the structures and characteristics of a windy atmospheric boundary layer during a cold air outbreak in the South China Sea region is reported in this paper. It is found that the main structures and characteristics are the same as during strong wind episodes with cold air outbreaks on land. The high frequency turbulent fluctuations(period<1 min) are nearly random and isotropic with weak coherency, but the gusty wind disturbances(1 min相似文献   

风廓线雷达自身对比精度分析

利用GLC-24型风廓线雷达的5波束观测数据,分析了在晴空和降水条件下风廓线雷达探测的准确性,得出结论如下:在晴空条件下大气均匀稳定、垂直速度很小,风廓线雷达测量水平风的准确性高;在均匀性降水条件下,虽然垂直速度很大,但大气在风廓线雷达5波束探测的水平范围内均匀,风廓线雷达测量水平风的准确性也较好;在非均匀性降水条件下,大气在风廓线雷达探测的水平范围内不均匀,不符合风廓线雷达计算水平风的假设条件,需要进一步改进算法,减少计算误差。     

风廓线雷达与天气雷达风廓线数据的融合及应用

风廓线雷达与多普勒天气雷达风廓线产品均可以获取高时间分辨率的高空风信息,但两种遥感测风的探测原理及时空代表性不同。在对风廓线雷达进行质量控制处理、剔除降水粒子空间不均匀分布对数据可信度影响之后,根据风廓线雷达与天气雷达风廓线数据探测原理差异,进行不同时间代表性的风廓线数据的空间匹配试验,确定与天气雷达风廓线数据进行融合的风廓线雷达数据最优时间分辨率,结果为1 h。利用2015年7月北京南郊观象台的探空、风廓线雷达、天气雷达测风数据进行三种高空风的一致性比对,结果表明三种测风数据具有较好的一致性,均方根误差分别为2.3和2.5 m·s~(-1);60、30以及6 min不同时间代表性风廓线雷达数据与天气雷达风廓线数据之间的均方根误差分别为2.6、2.8及3.1 m·s~(-1),60 min数据的融合效果最佳,低空尤其明显。利用广东省2014年5月的风廓线雷达观测网以及天气雷达网风廓线数据进行了高空风场的融合分析试验,融合分析场提供了更为丰富的高空中尺度水平风场信息,低空的涡旋更加明显。     

边界层风廓线雷达测风精度分析

利用CLC-11-D型边界层风廓线雷达的5波束观测数据,对比分析了晴空、稳定性降水和对流性降水等不同类型气象条件下边界层风廓线雷达测风的准确性,并对2016年3月1日—2017年2月28日共计7300时次的晴空观测资料进行了测风质量评估,得出结论如下:在晴空条件下大气均匀稳定,水平风速和风向测量精度要优于稳定性降水和对流性降水天气,降水出现前后环境大气扰动较大是导致稳定性降水和对流性降水天气下测风精度较差的原因;150 m以下近地层高度的测风质量较差,与地杂波干扰较强有关;夏季有效探测高度最高可达6300 m左右,春秋季有效探测高度比较接近,分别为2000 m和2500 m左右,冬季有效探测高度最低,仅为1100 m左右;4个季节测风质量评估达标高度分别为900、4000、2200 m和1100 m,大气环境的湿度条件和水平风速、风向标准差的波动是影响测风质量评估的重要因素。     

不同天气条件下脉冲激光风廓线仪测风性能

将2012年5月21日-8月16日广东省湛江市东海岛气象观测站内脉冲激光风廓线仪WINDCUBE V2与气象站内的100 m测风塔进行同步观测试验,在经过观测数据同步性调整、有效性检验和代表性样本筛选基础上,分大小风和有无降雨天气过程,对杯式测风仪、超声风速仪与激光风廓线仪的同步测风数据进行比较,结果显示:脉冲激光风廓线仪与杯式测风仪测量水平风参数的相关性较好,10 min平均风速、风向的线性拟合度均大于0.99,3 s阵风风速的拟合度大于0.96,湍流强度的拟合度大于0.67,风速标准差的拟合度大于0.79;大风情况下,激光风廓线仪对风参数的测量效果更佳。无降雨情况下,激光风廓线仪的测量效果较降雨时略好,10 min降水量小于15 mm的降雨对这款激光风廓线仪的风速、风向、湍流强度、3 s阵风风速的测量没有显著影响,对风速标准差有一定影响。当水平风速增大和有降雨时,激光风廓线仪对垂直速度的测量效果欠佳。该对比分析可为激光风廓线仪观测数据的可靠性提供参考。     

同化风廓线雷达资料对浙江降水预报改进评估

采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究,在同化1 h平均采样产品前,对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制,选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响,探讨其对初始场改进作用,之后,通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明:同化风廓线雷达资料后,暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%,水汽通量增加30%~50%,大气层结不稳定性增强,小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07,暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05,降水预报得到改进。     

风廓线雷达组网资料初步对比分析

以L波段探空雷达探测到的水平风为标准对全国风廓线雷达探测到的水平风的可信度进行评估,得到:风廓线雷达探测到的水平风在700 hPa高度以下与L波段探空雷达测风有较好的一致性;并且将风廓线雷达探测到的垂直速度与同址地面自动气象站观测到的1 h雨量进行相关性分析,得出垂直速度大小能很清楚地反映降水的开始、结束以及降水的强度;最后将全国风廓线雷达探测到的水平风进行组网对比分析,得出全国风廓线雷达探测得到的水平风在700 hPa高度下是可信的,风向可信度随探测高度的增加而增大。风速可信度随探测高度的增加而降低。     

热力强迫对局地环流的扰动作用

用积分变换法求解了包含地面加热作用的二维不可压缩流体的Boussinesq方程组,得到一组描述地面加热作用激发的局地扰动流场的解析解,主要有垂直风、水平扰动风、扰动气压、扰动温度。进而用动力学分析的观点结合图形分析,定性讨论了热力强迫作用对局地环流的扰动作用,以及加热影响下各物理扰动场的空间分布及时间演变特征。     

大气边界层强风的阵性和相干结构

我国北方春季冷锋过境后,常骤发强风,甚至起沙扬尘,持续数小时甚至一二天,通过对边界层超声风温仪的资料分析,可知大风常叠加有周期为3～6 min的阵风,较有规律,且有明显的相干结构:阵风风速峰期有下沉运动,谷期有上升运动;阵风扰动以沿平均流的顺风方向分量为主,横向和垂直方向的分量都较小,其本质是低频次声波和重力波的混合;阵风沿顺风向且向下传播.周期小于1 min的脉动在水平面上基本是各向同性的不规则的湍涡.大风期间,无论是平均流、阵风和湍流脉动,至少在120 m高度以下,主要都有西风和北风动量下传,感热上传.平均流的动量下传强于由脉动下传的量,与一般天气情况不同,而且阵风与湍流的动量下传的量值差不多.平均流和阵风在动量传送上起相当大的作用.     

大气层结和海气交换作用影响的海面风剖面研究

风速剖面是各类工程结构抗风设计的关键参数。为了准确估算近海各类工程建筑结构承受的风荷载作用,通过在对数风剖面中引入大气稳定度函数和拖曳系数来刻画大气层结和海气交换作用对近海风速剖面的影响并建立相应的模型,最后利用强台风“黑格比”(0814号)的实测数据对模型进行了验证。研究结果表明:大气层结和海气交换作用对台风“黑格比”风速剖面有一定的影响,考虑大气层结和海气交换作用的风速剖面较对数剖面更能准确描述台风过程的风速剖面特征。      

非静力平衡大气非线性层结对称运动的稳定性和突变

在假定了环境地转风具有水平和垂直的线性切变的情况下,考虑大气层结的线性和非线性切变的作用,建立了一个非线性常微分方程组,然后构造了一个Hamilton函数,通过讨论Hamilton函数的凸凹性,得到了非线性层结对称运动的不稳定判据,同时讨论了非线性层结对称运动产生突变的条件。