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。     

六角形冰晶的94 GHz毫米波后向散射特性的模拟计算分析

利用离散偶极子近似法(DDA),研究了等效半径Re在0.8 mm范围内的柱状和片状冰晶在不同空间取向、温度和尺度比时,对94 GHz雷达发射的水平偏振波产生的后向散射,并讨论了等效雷达反射率因子Ze随粒子谱中值直径及冰水含量的变化。结果表明,温度对后向散射效率的影响较低,空间取向对后向散射效率的影响与粒子大小和形状有关。当雷达波垂直指向天顶,在冰晶粒子等效半径Re0.8 mm时,水平取向冰晶的后向散射效率比随机取向大,粒子越偏离球形,差别基本上越大;在同一取向时,粒子越偏离球形,后向散射效率基本上越大。在一定冰水含量下,取向、形状和冰晶谱的形状参数对Ze的影响和粒子谱中值直径有关;对于垂直指向的雷达,如果将六角形冰晶等效为等体积球形冰晶,当粒子较大(0.4 mmRe0.8 mm)时,其Ze将被低估。     

一次典型飑线过程多普勒天气雷达资料分析

对2002年8月24日发生在安徽的一次大范围飑线过程进行了分析。该飑线影响范围大、持续时间长,产生于对流层中高层槽后干冷空气向南大范围扩散,低层辐合,大气层结非常不稳定,深层大气垂直风切变中等的背景下,在其影响的广大区域产生大风和部分地区的冰雹和暴雨。雷达回波呈现弓形,伴有明显的雷暴出流边界(阵风锋),与弓形回波相对应的多普勒径向速度明显地预示地面大风的中层径向辐合(MARC)。而中气旋的存在,通过加速干冷空气向雷暴内的夹卷,加强了下沉气流。另外,弓形回波前沿中低层存在弱回波区,中高层存在回波悬垂,强回波区延伸到-20℃等温线之上,表明雷暴内上升气流很强,有利于大冰雹和强降水形成。分析还表明雷暴出流边界与雷暴之间距离的变化在一定程度上可以预示未来雷暴强弱的变化。     

雷达定量测量降水中的异方差性及加权判别函数处理

利用Z-I关系法,通过2006年两次积层混合云降水过程的回波和雨量资料分析A,b值的变化规律.针对Z-I关系的非线性和不稳定性,发现Z-I统计关系拟合中存在着异方差性,提出了对传统的最小二乘法和最优判别函数法进行加权处理的方法,并与其他方法的计算结果作了对比分析.研究结果表明:使用加权判别函数法,可以在符合Z-I关系实际变化规律的前提下抑制异方差性在计算过程中的不稳定,同时保持回波反演降水与实测降水之间的偏差最小化.     

线性回归模型的最小二乘法基本假设在Z-I关系拟合中的应用

由于z-I关系的非线性,线性回归模型中常规最小二乘法的一些基本假设在拟合过程中无法满足.研究表明使用不同的计算方法,同样的数据可能得到差异明显的A、b值.本文从常规最小二乘法基本假设入手,通过2006年大连地区两次降水过程的回波和雨量资料,对不同Z-I回归模型中关于误差项的物理意义、期望和方差进行比较,提出在Z-1拟合中采用加权最小二乘法.     

“桑美”台风云相态的MODIS资料分析

利用卫星遥感资料对"桑美"台风进行分析,MODIS的多通道资料在确定台风中心、分析云的相态及区分高低云等方面提供了重要的监测信息。探索了臭氧与台风云顶温度的关系,得出以下结论:利用MODIS通道31的光谱特性可以判定台风的中心,利用BTD8.5-11和BTD11-12检测的云相态结果合理,通过散点图能够找出高云和低云的大致区域,并利用通道35和通道27得到验证;臭氧与台风云顶温度具有较好的相关性,臭氧通道的信息对于区分云的结构及性质具有指示意义。     

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。     

2005年12月山东半岛暴雪成因及多尺度信息特征

利用常规天气资料、地面加密观测资料、卫星云图资料和多普勒雷达产品,对2005年12月山东半岛特大雪灾作了综合分析。研究表明,这次的冷流降雪归因于前期气温和海温偏高、冷空气势力偏强引起的海陆温差大、半岛北面临海的丘陵地形以及海岸锋等因素,地面自动站、雷达、卫星等多种尺度的特征信息清楚地揭示了其结构和演变。利用改进的简化伴随模式,对12月6日的烟台单站多普勒雷达资料进行了三维风场反演,结果表明,海陆热力差异和山脉对于向岸风的摩擦辐合作用形成了中尺度海岸锋,它引起了低层浅对流的产生。高空补充弱冷空气和降雪的潜热释放进一步激发了垂直上升运动,使对流活动发展加强,引起强降雪。当高空弱冷空气引起的系统性辐合上升运动与低层海岸线附近的海岸锋引起的中尺度辐合上升运动叠加时,降雪特别强烈。     

FY-2红外云图中强对流云团的短时自动预报算法

目前气象预报业务中,预报员主要借助卫星云图,定性判断云团的移动趋势,缺乏形式化的定量评判方法。本文基于FY-2C与FY-2D的高时间分辨率的近红外影像(10.3—11.3μm),采用亮温和面积阈值方法进行云团识别,然后根据最大相关系数云团匹配技术进行追踪,系统地实现强对流云团的自动临近预测。实验结果表明,本文提出的最大相关系数追踪比传统的交叉相关系数法具有更高的匹配精度和运行效率,而且研究发现云团质心外推明显优于最低亮温外推,平均亮温、面积、圆形度对云团的分裂合并有较好的指示作用,经列联表法检验,本文提出的自动识别追踪技术具有较高预测精度和预测时效,并且为卫星云图业务化应用提供了定量科学依据。     

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