关于Doppler雷达VAD技术的讨论

Doppler雷达VAD技术可以从距离圈上的Doppler速度随方位角的分布廓线中提取背景风场的散度。但是，通常Doppler雷达观测到的距离圈上的Doppler速度一般都是不完整的。为了计算散度，必须插补上所有缺侧方位上的Doppler速度，这就使应用VAD技术得到的散度带有不客观的成分。该文利用Doppler速度随方位角的分布具有一阶简谐曲线的特点，提出了用对称法计算散度的方法，从而避免了对Doppler速度方位廓线进行人为插值。文中还针对用VAD技术计算出的不同高度上不同水平面积的散度量级不同的问题，提出了对散度进行面积修正的方法。     

关于中性层结大气边界层湍流参量铅直分布的计算分析

根据大气边界层平均风速廓线实测资料,参照Lettau方法计算了湍流参数——动量交换系数k_m,摩擦速度u_*,湍流切应x和混合长l随高度的分布.并与国外研究结果进行比较,基本规律一致,某些参数有所修正.     

OIQC技术在雷达反演VAD廓线资料退模糊中的应用研究

多普勒天气雷达在强风速天气条件下经常出现的速度模糊误差,严重限制了风场信息的广泛应用,如反演VAD廓线等。本文将最优插值客观分析质量控制技术(OIQC),应用于雷达反演VAD廓线资料中速度模糊的质量控制。对用于反演VAD风廓线的那些格点圈层上的资料,以简化的多变量统计插值技术(Cressman插值),为被检查的资料提供一个对比分析的参考值,从而确定折叠次数,修正模糊速度。根据多普勒雷达径向速度资料的特点,水平方向采用非各向同性的单变量背景场误差协方差函数,垂直方向协方差函数取为高斯型。修正模糊速度后运用VAD技术得到水平风的垂直廓线。对强龙卷天气过程的数值试验结果表明,OIQC技术应用于雷达资料质量控制,无需引入外界风场,有能力修正模糊速度。结合VAD方法,可以从存在严重折叠的雷达资料中反演出较为准确的风廓线。     

非线性VAD反演低层风廓线拟合阶数优化方法

结合理论和SoWMEX试验 (西南气流试验,Southwest Monsoon Experiment) 的连续多普勒天气雷达观测资料和广东省阳江雷达资料, 对非线性速度方位显示 (非线性VAD) 方法反演低层低于2 km垂直风廓线精度和能力进行定量分析。结果表明:非线性VAD基本能反演出低层风廓线在空间和时间上的演变。但当雷达径向速度数据在方位存在较大的连续性缺测、体积扫描仰角较少时,因传统非线性VAD采用的速度方位显示 (VAD) 方法拟合阶数和垂直拟合阶数过高,反演的低层风廓线会存在较大误差,造成不合理高风速区和风廓线不连续。通过实际观测资料统计分析反演参数对非线性VAD的影响,提出基于连续性数据缺测间隔和不同仰角的多少的VAD和垂直拟合阶数动态调整方法。同锋面降水和台风降水两典型个例的实际探空比对显示,调整后的非线性VAD显著改进低层风廓线反演精度,反演的风廓线结构和变化与实况相符,反演平均误差小于2 m·s-1。     

二维多路多普勒雷达风场自动退模糊算法应用研究

本文选取Zhang Jian的二维多路自动退模糊算法做雷达径向速度退模糊应用研究,并做适当改进.它首先通过在一个仰角扫描数据中搜寻速度线附近的弱风区来确定初始参考点集,并对弱风区内三条邻近的径线进行连续性检测和模糊订正,然后从顺时针和逆时针两个方向进行两轮二维退模糊处理.改进后,在第一轮和第二轮二维退模糊过程中,先不在切向上对可疑模糊点进行订正,而是根据空间连续性原则,在切向上确定更多的非模糊点作为参考速度,然后在从径向上进行退模糊处理,这样可以有效避免了在真实的切变(辐合)区造成不恰当的模糊订正.对台风、龙卷、飑线等系统中的速度模糊订正试验结果表明,该算法退模糊的准确率高,在雷达观测资料无效点较多的情况下,该技术退模糊效果比WSR-98D更优,更加有利于实际业务运行和科研分析.     

切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响

用一个β平面的准地转模式和一个高分辨率的f平面准地转模式，实施了6组试验，研究了初始台风切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响。结果表明：切向风速峰值区狭窄，最大风速半径较小的廓线，与偏西北方向的路径以及强度维持或增强相对应；峰值区宽平，最大风速半径较大的廓线，与北折转向的路径以及强度衰减相对应。     

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

9914号台风降水云系雨强的三维结构初探

利用TRMM卫星的测雨雷达资料，研究了9914号台风降水云系在3个不同时次雨强的水平和垂直结构。结果表明：3个时次层状云降水在像素数量上及对总降水量的贡献上均比对流性降水大；3个时次层状云降水和对流性降水的平均雨强均随台风强度加强有较大的增幅；对流性降水与层状云降水的雨强的垂直廓线有明显的差别，但两类降水廓线本身在3个时次差别不大。对流性降水廓线按斜率不同大致分为3段，雨强均随高度减小，5～6km高度段减速最快。层状云降水廓线大致分为4段，在4．5km高度附近出现明显的亮带结构。     

农田风状况及其模式

本文讨论了农田中风速的水平和铅直分布的基本规律性。指出农田植被中的风速廓线具有上下不对称的“S”型分布。分析了农田植被中风速水平和铅直分布廓线常见模式的缺点,在理论分析和经验拟合的基础上提出了新的描述农田植被中风速的通用模式。按此模式计算的平均风速,无论水平分布或铅直廓线都与实际情况比较一致。     

Brewer 分光光度计遥感大气臭氧垂直廓线的研究

利用建立的球面分层大气散射模式，研究了Ｂｒｅｗｅｒ仪器工作波长进行Ｕｍｋｅｈｒ短法反演所包含的信息量，给出Ｂｒｅｗｅｒ仪器探测大气臭氧垂直廓线的方法。同时，用气溶胶光学厚度计算得到气溶胶订正系数，建立了Ｕｍｋｅｈｒ反演的程序，用此程序对ＴａｂｌｅＭｏｕｎｔａｉｎ资料进行气溶胶修正，得到了较好的结果。对北京测站１９９１年１─３月资料进行由气溶胶造成的臭氧反演廓线的误差计算，结果表明，用常规反演方法得到的各层臭氧含量的误差与平流层气溶胶光学厚度有一近似线性的关系；进行气溶胶修正后，与国外的臭氧反演廓线的误差修正工作￣［１］比较，结果较一致。研究提出的气溶胶订正反演方法为更好地对平流层臭氧变化趋势进行研究提供了可能性和可靠的基础。     

一种简易的多普勒雷达速度模糊纠正技术

多普勒天气雷达是监测强对流天气中尺度风场的重要手段。纠正速度模糊是多普勒雷达探测风场信息有效应用的前提。速度模糊纠正技术大多需要首先对模糊点集或非模糊点集进行识别，如果无法识别或识别错误，将造成纠正过程的失败或需要人工识别。文章提出了一种不需先对模糊点集或非模糊点集进行识别的纠正速度折叠的简便方法。它只需首先将存在折叠的速度场恢复为连续的速度场；然后对其速度数值是否存在整体偏移做出判断和调整。给出的存在严重模糊的台风个例的速度模糊纠正实例表明，这种方法对二次折叠也同样有效。     

利用多普勒天气雷达估算层状云的降水效率

通过多普勒天气雷达VAD(velocity-azimuth display)技术可以反演得到水平线性风场和非线性风场的平均散度。根据连续方程求出不同高度层面的垂直速度,再利用探空曲线计算水汽凝结率。假定云中凝结和凝华的水量全部降落到地面,结合地面雨量计实测资料可以估算其降水效率。用该方法计算华北地区降水性层状云两次降水过程的平均降水效率分别为68％和59％。     

适用S波段多普勒天气雷达的径向速度自动退模糊方法

径向速度模糊问题限制了雷达速度资料的广泛应用,针对退速度模糊中孤立回波或被距离折叠隔离的回波出现模糊、受杂点干扰影响以及大多算法往往将径向直线作为初始参考等问题,提出了一种新的自动退模糊方法:（1）通过查找0速交界点插值得到两条0速线以进行正、负速度区域的大致分区;正、负分区后,分区域段识别杂点干扰区与非杂点干扰区;对杂点干扰区,逐点判断其是否满足模糊特征条件,对非杂点干扰区,识别模糊边界以圈定模糊区域块进行退模糊,并做遗留点的逐点扫尾退模糊处理。（2）对于未能确定0速线的情况,使用上层记录的0速线信息或搜索符合条件的径向直线0速线。（3）对于仍未能确定0速线的情况,用逐点判断的方法退模糊。利用S波段雷达观测的飑线、冰雹、强台风等事件11个个例3407个速度模糊体扫资料对该算法进行了验证,总体速度退模糊准确率高于98%。利用0速线确定正负分区、识别模糊区域块以及在逐点判断中考虑扩展邻域搜索,有助于孤立回波及被距离折叠隔离回波的退模糊处理,该方法比业务方法更有效, 2018年3月4日冰雹个例的速度退模糊准确率高于业务方法10%。对杂点干扰区使用逐点判断方法可正确退去模糊区,使其免受杂点影响。综合考虑上层0速线信息及图像中有助于确定0速线的相关信息,经严格把关和检验,确保0速线的准确性,有益于退速度模糊处理。      

一种自动多普勒雷达速度退模糊算法研究

提出了一种能解决孤立风暴、高切变和强台风等情况下速度模糊问题的自动多普勒雷达速度退模糊算法。该算法首先通过搜索最弱风区,第一次确定的最多两组初始参考径向和参考速度库,其中使用了相邻仰角初始参考径向应具有方位连续性的约束条件,剔除假零速度线引起的不恰当备用初始径向;然后从初始参考径向和参考速度库开始,对其周围邻近的速度库进行连续性检查,如果当前库的径向速度与参考速度的差值大于给定阈值就对其进行纠正;完成两次全方位径向退模糊处理后,算法进行径向和方位方向的强风切变检查,如果还有强风切变存在,那么通过搜索弱风切变区中有效速度库最多的径向,第二次确定一组退模糊的初始参考径向和参考速度库,再重复前面的退模糊过程,这有利于远离雷达的孤立风暴的速度退模糊。在多次退模糊过程中,判断速度模糊的标准由紧到松,切变阈值由小到大,以确保用于后面退模糊处理的参考速度的可靠性。利用我国S波段多普勒天气雷达观测的龙卷、飑线、孤立强风暴及台风等事件的1 000多个体扫资料对该算法进行了测试和评估,结果表明,速度退模糊准确率>99.5%。对于孤立风暴、高切变及强台风等复杂情况下的速度退模糊来说,新算法要优于我国新一代天气雷达业务退模糊方案。     

Study on Retrieving Three-Dimensional Wind Using Simulated Dual-Doppler Radar Data in the Cartesian Space

1. Introduction Armijo (1969) proposed the three-dimensional wind retrieved equations using multiple-Doppler weather radar network in Cartesian space. There are many sources of error for recovering 3D wind using these equations. These factors include advection and turbulence in the weather system, the error of the empirical relationship between the radar reflectivity factor and the terminal fall velocity of the precipita- tion particle, integrating the air mass continuity equa- tion (problem …     

Aerodynamic boundary-layer adjustment over a crop in neutral stability

An experimental study of the modification of the neutral wind profile as air flows to a rougher surface is presented. The analysis is based on wind profiles measured at four locations extending about 100 m downwind from the leading edge of a mature wheat crop. The form of the modified wind profile, and the rate of internal boundary-layer growth are analyzed in terms of a non-dimensional wind velocity. Friction velocities, based on wind-profile computations, are also examined at different points in the flow field. Boundary-layer growth was more rapid than expected, but could be approximated by a 4/5th power of the fetch if a roughness factor is included. It is suggested that simple height:fetch ratios, such as 1:100 be avoided, especially where large roughness-length changes are involved.     

Characteristics of velocity ambiguity for CINRAD-SA Doppler weather radars

The velocity ambiguity in Doppler weather radars has inhibited the application of wind field data for long time. One effective solution is software-based velocity dealiasing algorithm. In this paper, in order to better design, optimize and validate velocity dealiasing algorithms for CINRAD-SA, data from operational radars were used to statistically characterize velocity ambiguity. The analyzed characteristic parameters included occurrence rate, and inter-station, inter-type, temporal, and spatial distributions. The results show that 14.9% of cloud-rain files and 0.3% of clear-air files from CINRADSA radars are ambiguous. It is also found that echoes of weak convections have the highest occurrence rate of velocity ambiguity than any other cloud types, and the probability of ambiguity is higher in winter than in summer. A detailed inspection of the occurrence of ambiguity in various cases indicates that ambiguous points usually occur in areas with an elevation angle of 6.0°, an azimuth of 70° or 250°, radial distance of 50–60 km, and height of 5–6 km, and that 99.4% of ambiguous points are in the 1st-folding interval. Suggestions for performing dealiasing at different locations and different time points are provided.     

Improved Algorithms for Removing Isolated Non-Meteorological Echoes and Ground Clutters in CINRAD

Using China New Generation Weather Radar (CINRAD) level-II data, the original algorithms for removing isolated non-meteorological echoes and ground clutters in radar data, which have been applied to Weather Surveillance Radar-1988 Doppler (WSR-88D) in the USA and Severe Weather Automatic Nowcast (SWAN) system in China, are modified and improved. To remove isolated non-meteorological echoes, the new algorithm introduces a constraint parameter (P_o) to distinguish whether a window of 5 × 5 points is isolated as external echoes. A statistical analysis of 150 radar scans (5 cases, with each case comprising 30 scans) under three different echo types (small-scale convection, typhoon, and large-scale synoptic system) shows that the constraint parameter P_o ? 0.167 is suitable for removing isolated non-meteorological echoes while preserving the edge of meteorological echoes. A new parameter, NDZ, which promotes the ability of the algorithm to identify the ground clutters appearing at two adjacent elevation angles, is constructed based on the vertical continuity of reflectivity. These improved algorithms are tested for four cases (three cases of isolated non-meteorological echoes and one case of ground clutters). Based on the statistics of 232 volume scans of radar data (on a temporal resolution of 1 h) measured at Nanchang station from 0000 UTC 5 to 1600 UTC 14 March 2015, it is found that the improved algorithms not only eliminate most (over 95% under clear-sky conditions) of the isolated non-meteorological echoes and ground clutters (including those appearing at two adjacent elevation angles), but also well preserve the structure of meteorological echoes (storms). Key words: radar, isolated non-meteorological echoes, ground clutter, quality control