扩展VAP对单多普勒雷达径向风的反演及质量控制

利用理想的均匀和涡旋风场模拟了多普勒雷达径向风资料，检验了VAP方法的反演能力，发现VAP方法对均匀风场反演能力很强，而对涡旋风场反演效果较差，分析显示局地均匀风的假定是主要原因．针对该假定过于理想化的特点，结合实际风场提出了扩展VAP方法，模拟资料对比试验表明，扩展VAP方法计算简便，能显著提高雷达径向风的反演质量，反演风场在风速大小和方向上都更合理．实例反演也证明了扩展VAP方法的反演性能，与双多普勒雷达反演结果基本一致．最后还结合气候极值、时空连续性条件对反演结果进行了质量订正，使反演的风场质量得到了进一步提高，为资料的下一步数值应用奠定了基础．     

单多普勒雷达风场反演方法敏感性试验

为了比较3种单多普勒天气雷达风场反演方法(即VAP方法、UW方法、涡度-散度法)的反演效果和适用性,用这3种方法对几种典型的理想风场进行反演和敏感性对比试验,并对造成反演效果差异的原因进行了细致的分析.试验结果表明,这3种方法对均匀风场的反演效果都很好,UW方法的误差最小且计算量较小;3种方法对切变场的反演效果类似,径向速度差值较大的UW方法相似系数却稍大,切变越大时反演误差越大;对于涡旋场3种方法反演效果都不理想,若为径向气流显著而切向气流不显著的涡旋场可以用UW方法来反演.因此,相对而言,可以选用计算量小且相似系数较高的UW方法来反演二维简单风场.而在研究和实际应用中,应该进一步探讨用假设条件更接近实际情况的反演方法来更准确地反演风场.     

单Doppler雷达IVAP风场反演试验

单Doppler雷达风场反演技术对于扩大Doppler雷达在中尺度气象监测和预报中的应用范围具有重要的作用。通过采用"给定方位角内风场均匀假定"提出积分速度—方位处理技术IVAP(Integrating Velocity-azimuth Processing),克服了VAP技术在单多普勒雷达风场反演中对Doppler速度小尺度脉动过分敏感的缺点,及VAD(Velocity-azimuth Display,速度-方位显示)技术只能反演平均风矢量问题。利用2001-08-05上海特大暴雨时虹桥机场Doppler雷达速度资料进行中尺度风场反演试验。对均匀风方位角区间分别取9?,18?,45?和90?的反演结果的比较表明,采用较小的方位角区间可以反演出与这次暴雨有关的气旋式环流和中尺度辐合线。利用地面站实测风记录及风廓线数据对IVAP反演风的质量进行了评估。结果表明,反演风的风向和地面实测风的风向有很好的相关性,反演方位角区间越大,相关性越好。与20个时次同高度上风廓线仪探测的风速数据的对比表明,IVAP技术反演出的风速和它们也有很好的相关性,两者u、v分量均方误差在2m/s左右。由于IVAP技术风场反演无需事先对Doppler雷达原始的速度资料进行人为的滤波或平滑处理,所以具有较强的客观性,便于在气象雷达预报业务中应用。     

单Doppler雷达IVAP风场反演试验

单Doppler雷达风场反演技术对于扩大Doppler雷达在中尺度气象监测和预报中的应用范围具有重要的作用.通过采用"给定方位角内风场均匀假定"提出积分速度一方位处理技术IVAP(Integrating Velocity-Azimuth Processing),克服了VAP技术在单多普勒雷达风场反演中对Doppler速度小尺度脉动过分敏感的缺点,及VAD(Vebcity-Azimuth Display,速度-方位显示)技术只能反演平均风矢量问题.利用2001-08-05上海特大暴雨时虹桥机场Doppler雷达速度资料进行中尺度风场反演试验.对均匀风方位角区间分别取9°,18°,45°和90°的反演结果的比较表明,采用较小的方位角区间可以反演出与这次暴雨有关的气旋式环流和中尺度辐合线.利用地面站实测风记录及风廓线数据对IVAP反演风的质量进行了评估.结果表明,反演风的风向和地面实测风的风向有很好的相关性,反演方位角区间越大,相关性越好.与20个时次同高度上风廓线仪探测的风速数据的对比表明,IVAP技术反演出的风速和它们也有很好的相关性,两者u、v分量均方误差在2 m/s左右.由于IVAP技术风场反演无需事先对Doppler雷达原始的速度资料进行人为的滤波或平滑处理,所以具有较强的客观性,便于在气象雷达预报业务中应用.     

双基地雷达合成风场仿真与莫兰蒂台风的风场试验

双(多)基地多普勒天气雷达适于构建局域探测网,对于需进行气象保障的局部区域的对流性降水探测尤为重要。利用双(多)基地多普勒雷达网监测其强降水以及风场结构,通过风场反演了解其风场结构,能够更好地认识中小尺度天气的演变机理,改进短临预报。研究了双基地雷达的合成风场反演方法,通过仿真试验,可获得大气的辐合辐散、旋转以及上升或下沉等三维风场特征。借助福建厦门和泉州的两部多普勒天气雷达的实测资料,构成仿真的双基地雷达探测,分析了"莫兰蒂"台风的降水强度与径向风场回波特征,并反演了二维和三维的合成风场。结果表明,双基地雷达的合成风场方法,可以有效地反演台风的二维和三维风场,为监测台风的精细结构和演变提供了丰富信息。     

3.5维雷达资料变分同化技术及改进方案在WRF中的应用

本文主要介绍3.5维雷达资料同化技术以及增加雷达垂直风场反演信息对该同化技术的影响,利用WRF模式建立了雷达变分同化系统,对同化效果进行检验。3.5维雷达资料同化技术是变分同化技术的扩展,使用多时次雷达观测资料,采用方程约束增加动力学、热力学信息,逐步反演得到风场、动力场和热力场。该技术使用3组连续多普勒雷达体扫资料,分三步获得分析增量以便在背景场基础上更新模式变量。首先利用连续两个时次的格点化三维径向风场来反演三维风场,然后利用连续两个时次的三维风场来依次反演出水平气压场与热力学变量。同时分析空间采用B-样条基底来降低空间的维数,并增加观测信息在空间上的扩散。但该技术也表现出垂直速度强度不够,浮力抬升作用不强的缺陷。针对本缺陷,本文讨论了通过物理初始化方法由雷达回波反演得到的垂直速度,并将该垂直速度作为观测信息同化进入3.5维变分同化中,考察原雷达资料同化方法以及改进方案对随后降水的改善。结果表明,对降水有明显的改善。     

VVP三维风场反演方法研究

在研究了现有气象雷达三维风场反演的VVP方法的基础上,提出了一种新的基于三维风场均匀分布假设的三维风场VVP反演算法.采用提出的算法,进行了模拟风场和雷达实测风场的反演实验.按照实验结果进行了反演误差分析.理论和实验结果证明采用风场均匀分 布假设的VVP方法,反演的三维风场与雷达实测的三维风场比较吻合.     

区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中的应用

随着多普勒天气雷达技术的诞生及其迅速发展,多普勒天气雷达速度场资料在强对流天气系统分析、数值模式资料同化中的应用越来越广泛.但是由于采样的限制,尽管在硬件上已经采用了双Plus Repeat Frequency技术,但多普勒天气雷达能探测的速度范围依然有限,常常在大风区会出现多普勒速度模糊现象.这给资料分析、风场反演和资料同化带了很多的困难,因此解决资料中出现的速度模糊问题已经越来越重要,通过风场分片光滑的性质,提出了区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中解决速度模糊现象的技术.最后以目前全国布网的CINRAD SA型多普勒天气雷达探测资料为主,进行了大量的试验,结果证明该方法能较好的退出多普勒速度场中的速度模糊现象.     

遥感资料反演海面风场的新方法研究

本文对应用SAR（Synthetic Aperture Radar）图像反演海面风场方法进行了阐述,并对三种反演模式进行仿真总结。首先介绍SAR图像风场反演的的物理机制,接着介绍风场反演的地球物理模式函数（Geophysical Model Function,GMF）,并对CMOD4、CMOD-IFR2和CMOD5三种模式进行仿真,得到雷达后向散射系数和风速、风向、入射角、极化方式的关系。特别对两个较新的极化比模式进行了介绍和分析。此外对当前应用美国CALIPSO激光雷达卫星资料验证海面风场的方法进行了阐述和探索。     

模式水平分辨率对区域降水季尺度模拟的影响

为了检验区域季尺度降水模拟对分辨率调整的敏感响应及其变化规律,利用RegCM3区域气候模式,对整个中国地区及相邻海域进行了季尺度降水模拟.取不同的水平分辨率(30、60、90 km),模拟2000～2004年夏季的降水.本系统可以较稳定地对我国整个地区的降水进行季尺度模拟.与实测资料进行对比,分析其模拟效果.结果表明:区域模式对水平分辨率变化的响应是敏感的,并呈现出复杂的变化规律.     

多普勒雷达VAD技术扩展的误差分析

从理论上给出了扩展VAD相对于VAD的误差解析表达式,证明谐波分析方法可从半圆资料中精确地求出一阶富氏系数,因此半圆VAD方法计算出的大尺度风向风速和VAD方法有相同的精度。用1/3圆资料拟合简谐曲线所计算出的风向风速相对于VAD方法存在误差,其大小和简谐曲线的初位相有关,风向误差为0～27°、风速相对误差为0～0.4。理想简谐分布离散数据的模拟实验表明,TVAD的风向平均误差为16°、风速为0.27,与常规测风的误差相近。实际多普勒速度廓线的拟合实验说明半圆VAD技术和TVAD技术所拟合出的简谐曲线可以反映其所代表区域的风场大尺度特征。     

多普勒雷达资料在数值模式中的应用

本文利用ARPS模式的3DVAR系统和综合云分析系统,成功地将多普勒雷达径向风资料和雷达回波资料加入模式中,分析雷达资料在数值模式短时预报中的作用。通过模拟"718"济南特大暴雨过程,得到如下结论:(1)雷达径向风资料对初始风场调整显著,使其出现明显中尺度特征,积分1h后,对水汽场也有一定的调节作用,但不够显著;(2)雷达反射率资料对初始水汽场调整明显,对定量降水预报和降水落区有很大改进,积分1h后,风场的中尺度特征显著。(3)同化雷达资料的两个试验虽然都与实况略有偏差,但都比非同化雷达资料的试验好。     

多普勒雷达在冬季人工增雪中的应用

利用常规探测资料及大同多普勒雷达探测资料,对2011年4月1日至2日发生在大同地区的强降雪天气过程进行分析,根据大范围稳定性降水的速度回波演变情况,得出系统加强、维持、消散的图象特征。整层为暖平流,上层为西南气流且有明显的垂直风切变时,系统维持时间较长,低层风场出现暖平流加辐合特征相结合时,系统加强且持续时间较长,流场特征适宜实施飞机人工增雪作业。     

基于散射电场的地面背景下风电机叶片回波模拟

准确模拟风电机雷达回波信号并分析其多普勒特征,对解决风电场对雷达台站的无源干扰问题具有重要意义。针对传统地面背景下的风电机回波算法的假设缺陷,本文提出了一种基于散射电场的地面背景下风电机叶片回波模拟方法。根据多径效应,明确了雷达信号在风电机叶片与地面之间的四种传播路径,基于镜像等效原理,将风电机叶片与地面之间的耦合路径,等效成了风电机叶片在自由空间中的双站散射路径。以Vestas-V82型风电机为算例,对地面背景下的风电机叶片时域回波和时频域回波进行模拟,并与传统方法进行对比分析,结果表明本文方法能更准确的模拟出地面背景下风电机叶片回波,为风电机雷达回波信号的识别与杂波抑制提供理论参考。     

VAD技术反演水平风廓线的质量控制标准

基于VAD算法原理及雷达观测噪音、缺测及风场非线性程度对反演风的影响,设置了有效数据点数、数据空缺的最大间隔、相对离差、高波项能量分量四个判据来判别VAD风的可靠性.利用美国KTLX雷达2001年3月的观测资料以及邻近探空观测资料共1 895个样本的统计分析表明单个的判据对VAD风好坏的识别能力较差.但是综合四个判据可以得到较有效的VAD风质量控制标准,进而得到判断VAD风适用性的两种判断策略.     

Wind vector retrieval using dual polarization imagery of ASAR

A new algorithm for retrieving wind vector using dual polarization imagery of advanced synthetic aperture radar (ASAR) is developed and tested. Based on the combination of co-polarization and cross-polarization, this new algorithm effectively eliminates the 180° ambiguity which occurs when using single imagery of the ASAR to retrieve wind vector. This algorithm also solves the problem that the retrieval results will break down on very small spatial scales. The results retrieved from dual polarization imagery of ASAR show that the wind speed and direction are in agreement with the data from Quikscat and buoy measurements. The root mean square errors of wind direction and speed between the retrieved results and data from Quikscat are 2.21° and 0.53 m/s, respectively. Comparisons between the new method and the traditional method show that the new methods fit the buoy data and Quikscat data a little better than the traditional method in this image.