雷达跟踪回波运动方法的研究(Ⅱ)——相关亮度综合分析法及其数值试验

本文提出了相关亮度综合分析法及其在跟踪雷达回波中的应用。该方法使用了相关系数和回波亮度双重因子,它不仅反映了回波的结构特征,而且也反映了回波的亮度特征,因而能更准确地跟踪回波运动。本文所做的数值试验表明,在均匀流场中该方法所得的结果与相关分析法的结果基本一致。而在非均匀流场中,相关亮度综合分析法所得结果精度高于相关分析法的精度。     

图象相关分析法判别因子的比较与实验

天气雷达跟踪回波运动,或卫星云图上示踪云测风,广泛使用相关分析法。本文对比方法中的判别因子进行了理论分析,数值模拟和个例实验。结果表明,在回波结构变化时,用原点矩相关系数R_3作为相关分析法的判定因子跟踪回波或示踪云,较中心矩相关系数R_1和相关亮度综合因子R_2有一定的优越性。     

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。     

T-TREC方法反演登陆中国台风风场结构

在传统的基于天气雷达反射率因子的相关方法跟踪回波运动(TREC)技术的基础上,本研究发展出适用于台风环流反演的T-TREC方法.同传统的TREC技术相比,T-TREC根据台风环流呈逆时针方向旋转的特征,利用雷达观测资料客观选取台风中心,选取扇形网格单元,在以台风中心为原点的极坐标系下进行逆时针方向同波追踪.同时,该方法也利用雷达径向风资料客观选取切向的搜索范围并建立风场相关矩阵,以减少主观设定搜索区域造成的误差.通过利用中国新一代天气雷达网(CINRAD WSR-98D)观测的登陆台风桑美(0608)资料对方法进行验证,结果表明T-TREC方法可以更加准确估计强台风环流,反演的径向风平均误差小于4 m/s.其中径向风信息的引入明显提高了反演风场精度,特别是改善了在眼墙区因回波结构较均匀造成的风场低估.当台风靠近陆地时,因地物回波以及台风环流与地形相瓦作用激发对流的影响,使得低层风场反演误差增加.文中也探讨了台风中心、搜索网格单元大小等因子对反演精度的影响,结果显示,反演结果对于中心定化比较敏感,中心位置偏移4 km将造成反演的径向风平均误差增加约10%.而搜索单元大小对反演结果影响和台风尺度相关,若台风尺度较小,则较小的搜索单元反演效果较好.     

一次超级单体风暴多普勒天气雷达资料的低层风场反演研究

本文使用二维变分风场反演方法对浙江台州2003年4月12日一次超级单体风暴的多普勒天气雷达探测资料进行低层风场反演研究。二维变分方法以均匀风场反演结果作为初猜场,在目标泛函中加入散度和涡度约束作为正则项来降低不适定性的影响。反演得到的低层水平风场比较好的符合超级单体风暴的组织化的气流结构和强的风切变,通过对散度场垂直积分获得垂直速度,上升气流主要集中在强回波区域,下沉气流一个位于风暴前进的左侧的弱回波区,一个位于钩状回波的内侧。     

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。      

一种改进后的交叉相关法(COTREC)在降水临近预报中的应用

利用多普勒雷达资料,采用一种改进后的交叉相关法(COTREC)建立了一种降水临近预报方法。COTREC法的基本原理是对传统交叉相关法(TREC)反演的风场进行水平无辐散处理,得到COTREC风场,用新的风场外推得出的回波能够保持平滑连续的形状。但是这种方法也存在缺陷,由于采用水平无辐散限制,使得外推反演得到的风场在不同程度上受到削弱,从而外推后的回波略慢于实况观测的回波。通过引入数值预报平均风场作为TREC风场背景场,较好地解决了TREC风场受到削弱的问题,并用该方法对2007年6月23—24日强雷雨天气和2007年台风“圣帕”两次降水过程进行了预报试验,试验结果表明：采用改进后的交叉相关方法的降水临近预报与雷达实际观测比较一致,可作为台风、强对流等灾害性天气的降水临近预报方法之一。     

双雷达反演闽南地区一次暴雨过程三维风场结构特征研究

前汛期暴雨是华南地区最常见且预测难度较大的灾害性天气之一,而造成暴雨最直接的系统是中尺度对流系统。利用区域自动站资料,NCEP再分析资料,厦门、泉州新一代天气雷达(CINRAD/SA)基数据,采用地球坐标系下的双雷达三维风场反演技术,分析了2015年5月20日闽南地区一次暴雨过程中尺度对流系统的三维风场结构特征。结果表明:此次暴雨过程是由低层的冷暖空气在闽南沿海地区交汇形成的切变线引起的,风场反演方法能够清晰地再现低层切变线的移动过程、处于不同生命阶段对流单体的三维风场结构。强回波区跟随切变线向南移动并分布于其两侧。当切变线过境、风向较为一致时,不利于强回波的进一步发展,降水开始减弱。如果对流单体中存在一致的上升气流,低层有明显的辐合,表明此单体仍处于发展状态,回波将会继续增强;若已经出现了一致的下沉运动且没有明显的入流,则回波处于消散阶段。相比于传统方法,"基于动态地球坐标系的双雷达反演风场方法"实现了对雷达径向数据的定量化应用,能够更直观地揭示中尺度对流系统的三维风场结构,并通过对垂直速度的计算及显示,可以快速判断回波未来的演变趋势,对快速预测回波的强度变化有非常好的参考意义。     

自适应尺度的雷达回波交叉相关跟踪算法研究

提出了一种能够自动选取跟踪单元大小的雷达回波交叉相关跟踪外推算法(ATREC).ATREC方法通过雷达回波的边界识别,得到不同尺度的雷达回波的特征运动信息,再不断地内部分化,得到不同次级尺度的内部运动信息,将特征尺度的特征运动场和次级尺度的内部运动场进行合成,最后得到外推的运动矢量场.ATREC方法可以在回波总体运动场...     

利用双多普勒雷达研究强飑线过程的三维风场结构

山东齐河CINRAD/SA和滨州CINRAD/SC雷达相距125.5km,组成了双多普勒雷达观测网,利用2004年6月21—22日的一次强飑线过程的多普勒天气雷达探测资料,分析了双雷达观测资料的质量控制结果,并根据双多普勒雷达反演的三维风场研究了飑线的三维结构。结果表明,两部雷达探测的回波在水平位置上有2.0km的差别,回波强度滨州雷达低5.2dBz,回波结构也有一定的差别,径向速度在可比较的区域一致性很好。飑线不同位置的水平风场结构有很大不同,在飑线北端,低层是气旋性辐合风场,飑线南端是反气旋性辐合风场,而中部沿强对流窄带的前部是偏西和东南风的风场辐合。中高层云中风逐渐转为西北风,强对流回波带上空对应辐散风场;垂直于强对流带方向的风场垂直结构表明:成熟阶段,强对流窄带前部的低层是入流气流,即东风气流,它与对流带后部的西风相遇后向上倾斜上升,在中高层向前流出形成飑前砧状云。减弱阶段,低层的西风分量增强并向前穿过强对流回波带,导致前面的入流气流风速减弱、下边界抬高,这一垂直风场结构和演变特征与美国中纬度飑线的结构基本一致。     

“09.11.10”石家庄特大暴雪中尺度风场分析

利用常规观测、雷达资料以及四维变分方法反演的风场资料,对2009年11月10-12日石家庄特大暴雪过程的形势场和中尺度风场结构进行了详细分析.从影响系统来看,此次特大暴雪过程分为两个阶段:回流降雪和西来槽降雪.回流降雪是特大暴雪的主要时段,此阶段西部山区降雪明显大于东部平原;而西来槽降雪阶段全区降雪比较均匀.由雷达反射率因子和径向速度可见:10日降雪具有对流性质,而且回波不断地自西部山区向石家庄市区移动,产生“列车效应”,造成市区及西部降雪强度较大;11-12日回波强度弱,降雪强度也较弱.分析雷达四维变分反演风场得到如下结论:(1)反演风场能够准确展现东风影响的时间和高度、西来槽影响的始末,对预报员定性外推降雪的强度起到非常好的参考作用.(2)低层水平反演风场上,存在一个比较窄的东风带,回波沿东风带自西向东移动,石家庄市区处于北到东北风的“回流墙”附近,东移回波在此堆积,移速减慢,影响时间较长;同时,市区附近存在风向性和风速性辐合,致使回波在石家庄附近加强或维持.(3)反演风场垂直剖面图上,东风回流降雪阶段,低层东风区上空存在一个“反气旋”,强回波位于“反气旋”所包围的范围.     

山东省一次积层混合云暴雨三维风场的双多普勒雷达探测

使用地基双多普勒天气雷达监测资料和常规探测资料,对2005年9月19日凌晨发生在鲁中地区的一次暴雨进行分析,结果表明：本时段暴雨是积层混合云降水所致,中低层存在切变线和辐合线,风场中尺度结构造成小尺度对流单体的发展,这些对流单体以带状结构组成回波群镶嵌在大面积的层状云中;伴随弱冷空气侵入,风场的中尺度结构主要出现在4km以下的层次,中低层切变线和冷空气的侵入是强回波单体发展的动力因素;在垂直方向上,强回波区有明显的垂直运动。风场的中尺度结构对鲁中强降水的发生和维持有重要作用。     

雷达反演的多尺度风场在临近预报中的应用研究

基于多尺度IVAP (MIVAP,the Multi-scale Integrating Velocity Azimuth Process)方法反演风场进行临近外推的预报方法原理可以概括为:首先采用大尺度的分析单元通过IVAP (Integrating Velocity Azimuth Process)方法得到反演风场作为引导气流,表示雷暴的系统性移动,再通过小尺度的分析单元来反演风场,作为雷暴内部移动信息的表征,最后将不同尺度的风场进行合成得到外推的运动矢量场以进行临近预报。相比传统的多尺度TREC (MTREC,the Multi-scale Tracking Radar Echoes by Correlation)方法依赖于追踪回波过去的变化,需要相邻一个或者几个时次的雷达回波来跟踪雷达回波的移动,使用MIVAP方法外推预报只需要最新时刻的雷达反射率因子和径向速度。通过个例分析和统计分析,并且与MTREC方法进行对比试验,结果表明:MIVAP方法反演风场用于临近外推预报具有可行性,MIVAP方法具有实际应用的意义;MIVAP方法得到的外推运动矢量场方向要比MTREC方法方向总体整体偏右,且外推的平均速度要比MTREC方法快;MIVAP方法在30 min以内前几个时次的预报效果略低于MTREC方法,但是30 min以后的预报评分明显优于MTREC方法,MIVAP方法的检验评分整体要优于MTREC方法。     

变分回波跟踪算法及其在对流临近预报中的应用试验

目前业务上0—1 h对流天气临近预报仍旧以客观外推为主,采用不同外推算法,得到雷达回波以及降水的外推临近预报。以业务应用为目标,开展了变分回波跟踪算法在强对流天气临近预报中的应用研究。利用京津冀地区的8部新一代多普勒天气雷达逐6 min雷达组网拼图资料,选取2016—2018年夏季发生在京津冀地区的18个典型对流个例,开展变分回波跟踪算法和交叉相关法的0—1 h临近预报对比试验及检验评估。与传统的交叉相关法相比,变分回波跟踪算法采用变分技术求解雷达回波运动矢量场,在计算中使用两个严格的约束条件,运用迭代法进行求解,其得到的运动矢量场更为准确。结果表明,变分回波跟踪算法优于传统的交叉相关法,得到的30、60 min内雷达回波的形状、位置及强度的外推预报和实况更接近,定量检验评分更高:（1）京津冀地区4次典型对流天气过程临近预报对比试验表明,和交叉相关法相比,变分回波跟踪算法可以更好地预报出未来1 h内雷达回波的位置、形态和强度。（2）通过对18个典型对流个例定量检验,发现当雷达回波强度阈值为35和45 dBz时,无论是30或是60 min外推预报,变分回波跟踪算法的命中率（POD）和临界成功指数（CSI）都明显高于交叉相关法,且虚警率（FAR）更低;分天气类型定量检验发现,绝大多数天气类型,变分回波跟踪算法外推预报效果优于交叉相关法。      

多普勒雷达反演风场的风切变识别研究

风切变是风场不均匀的一种表现,这种不均匀恰是造成风场反演困难的主要因素之一,利用多普勒天气雷达的径向风场数据,并基于风场反演的方法对风切变的识别和大小进行了分析和计算。对传统的根据径向风差异去识别风切变的方法分析后,发现风场均匀时径向风速在不同方位角之间会存在差异,并且这种固有差异在径向风场的零速线附近达到最大,从而会造成识别中的误判。针对风切变区风场的不均匀特点,在风场反演中选用了均匀风场模型进行计算,用临近格点之间风矢差来表示风切变的大小。对广州一次强对流过程中风切变的识别结果表明,在连续单体和中尺度气旋的强回波区,切变区主要集中在强对流区,以及移动路径的前侧;风切变的量级显示,在强对流与中尺度气旋处的风切变大小明显大于其它位置处,量级大小一般在4.5 m/(s·km)以上,而强对流与中尺度气旋区边缘的切变大小一般在4.0 m/(s·km)以上,并且切变发展的方向与天气过程的一致;对于潜在发展的对流,对比结果发现风切变的大小在3.0 m/(s·km)以上时容易发展成新的单体。分析结果表明,通过对强切变出现的位置和发展趋势进行判断,可为强对流的天气发展起到预警作用。      

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...     

利用两步变分法反演一次暴雨衰减过程的风场结构特征

利用武汉、驻马店、合肥、阜阳4部多普勒天气雷达资料,采用两步变分方法对2008年6月8日08时至9日08时发生在湖北省的一次暴雨过程中00:30~06:30时段内的风场结构进行了反演分析,并与同时段的NCEP再分析资料进行对比。结果表明,两步变分法反演的风场结构与NCEP再分析资料的风场结构基本吻合,证明了该方法的风场反演能力。对反演的风场结构的演变分析可知,此次降水过程减弱的主要原因是:对流层中低层风场辐散的出现及辐散强度和范围的扩大,使得输送水汽的偏南气流和上升运动减弱,对流云系降水的基本条件受到破坏。     

北京“6.23”局地强对流天气的雷达产品特征分析

利用北京逐时降水资料以及雷达组网产品、RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品,针对北京"6.23"雨强大、局地性明显的暴雨过程进行较为细致的诊断分析。结果表明,雷达监测产品较好地反映出此次过程是由大量中小尺度涡旋构成的对流性系统暴雨,中尺度特征显著。雷达组网产品较好地捕捉了整体降雨系统的演变过程,单站雷达组合反射率、多仰角基本反射率和径向速度揭示了该暴雨系统的多个对流单体结构和更替变化,其剖面刻画了局地对流降雨系统的典型回波特征,伴随强降雨出现了明显的后向干冷空气侵入弱回波区、前向回波悬垂和穹窿,以及倾斜式的低层辐合、高层辐散结构特征。RPG衍生的风暴跟踪产品和Cell Trend产品很好地监测出暴雨过程中小尺度系统的活动信息。其中,中小尺度涡旋的回波顶高和底高、最大回波高度的变化揭示了造成局地降水的对流单体发生发展过程中的强度、结构、内部气流运动变化特征和雨滴活动;液态水含量以及冰雹概率在整个降水过程中一直处于极大值,表明了该系统的强度与降雨雨量、雨强一致。     

新疆一次强飑线过程双多普勒雷达观测的中尺度风场结构分析

利用新疆乌鲁木齐和五家渠的双多普勒雷达同步观测资料与双多普勒雷达风场反演技术,结合多种气象资料(1 min间隔的地面自动站资料、探空资料和NCEP再分析场资料等),综合分析了2005年6月26日新疆乌鲁木齐附近一次强飑线过程。其流场特征是低层存在明显的辐合线,中层辐合,高层辐散。中低层的风场辐合使旧回波右侧(西南侧)一定距离处依次生成新回波并与旧回波合并,对流单体间的辐合线促使其迅速合并,是飑线发展的重要原因。对流单体间的合并是从中层开始的,然后扩展到低层。在低层对流单体合并后,飑线前部有一明显的辐合线,入流区、大的回波强度梯度区和弱回波区非常明显;同时,不同发展阶段的风场配置有明显的不同,上升气流和下沉气流在多单体风暴中同时存在。本次飑线过程中低层是东南风的入流气流,与对流带后部的西北风气流相遇后向上倾斜上升,在中高层形成飑前砧状云,这与国内外中纬度飑线的结构基本一致,但本次飑线过程只有前缘强烈的对流区,没有尾随的层状云降水。自动气象站、多普勒雷达及其反演的风场很好地揭示了该飑线的发生、发展、爆发过程及其回波和风场的空间结构特点。     

一次气团风暴的多普勒雷达回波特征分析

利用烟台WSR—98D雷达产品等资料，分析了2004年6月19日烟台市一次气团风暴的发展过程及其内部风场结构，结果表明：钩状回波中的中气旋是引发气团风暴的主要雷达回波特征。