基于扩展卡尔曼滤波算法的梯度VAD技术

梯度VAD技术是为克服传统VAD技术受速度模糊较大影响而被提出,但在使用梯度VAD技术过程中,由于方位径向速度中的误差或者噪声会在径向速度方位梯度中放大,因而通常使用低通滤波对径向速度方位梯度进行平滑,但它仍然对水平风场反演的准确性产生了严重影响。鉴于此,提出使用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)对方位径向速度梯度进行处理,结果显示扩展卡尔曼滤波算法可以有效降低方位径向速度中的小波动和噪声在方位径向速度梯度中产生的影响,从而实现对风场反演水平精度的提升。对厦门SA波段多普勒雷达数据进行速度未退模糊和速度退模糊两次预处理,再分别经由低通滤波和EKF对比,结果表明,EKF算法比低通滤波算法下的方差在速度退模糊和不退模糊的数据处理过程中分别缩小了40%左右和50%左右,由此说明EKF处理后的径向速度梯度更稳定,从而提升了梯度VAD技术的反演精度。

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1895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。

雷达VAD风廓线资料质量控制研究

多普勒天气雷达VAD(Velocity Azimuth Display)风廓线资料可以提供高时间分辨率的高空风场信息。本文针对中国雷达VAD风廓线资料,设计发展了面向资料同化应用的NMIC(国家气象信息中心)质量控制方案,该方案改进了NCEP(国家环境预报中心)方案中存在的问题。利用2020年2—8月的L波段秒级探空风场资料,分别对比质量控制前、经过NCEP质量控制方案、以及经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料,统计分析结果表明经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料最接近观测,准确度最高,并且在各个高度上其偏差和均方根误差最小,充分说明了NMIC质量控制方案的有效性。相对背景场偏差分析表明,经过NMIC质量控制方案的VAD资料偏差和均方根误差最小,与背景场的偏差更接近高斯分布,更能满足资料同化的要求。本文的研究有助于推进VAD风廓线资料在数值预报科研和业务中的应用。

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明:相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。

VAD技术三种仰角策略反演风场的比较和应用

对不同天气情况的资料分别采用单仰角VAD方法和多仰角VAD方法进行风场反演,比较了这两种算法的反演结果,提出了融合两种方法优点的自适应仰角取样方法,并进行反演比较,结果表明:单仰角和多仰角策略各有所长,采用自适应仰角取样策略结合两种方法优点,在某些场合下可以获得更有参考价值的VAD反演结果。

多普勒雷达VAD风廓线资料的质量评估

将2004—2007年浙江省温州多普勒雷达VAD风廓线和相邻洪家探空站同期经修正的探空风廓线资料进行对比统计,分析了两者之间的差异和相关性;对不同高度层以及三种不同降水系统中(大面积连续性降水、阵性降水、热带气旋降水)VAD反演方法的精度进行了研究,并分析误差来源。结果表明,VAD方法反演的风廓线与探空廓线之间具有较高的相关性。VAD方法对大面积连续性降水的风向和风速的反演质量最好,其次是热带气旋降水。风向、风速偏差最大的均为阵性降水。

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)。

VAD技术在3830多普勒天气雷达中的应用

介绍了VAD技术的基本原理以及VAD技术在3830多普勒天气雷达中的具体应用,并对利用此技术得到的实际结果进行理论分析和讨论。

多普勒天气雷达资料在一次雨雪天气过程中的应用分析

利用多普勒天气雷达资料,对2004年12月21—23日发生在江苏的一次雨雪天气过程进行了研究,分析了雨雪发展的不同阶段,基本反射率场、基本速度场及降水系统风场和散度场垂直结构的演变特征,结果显示:降水云体中风场的调整往往预示着降水未来的演变,系统内部动力场结构的变化与降水的发生发展及消亡相联系。

一次局地暴雨过程的多普勒雷达特征分析

利用库尔勒多普勒天气雷达资料,对2008年5月发生在新疆巴州焉耆盆地的一次局地暴雨过程的回波特征进行分析。降水过程中,在库尔勒到焉耆盆地一带先后有两次飑线发展东移,是造成局地暴雨的中小尺度系统。径向速度所反映的在库尔勒到焉耆盆地一带低空存在明显的垂直风切变,雷达西南方向长时间维持西南气流,为暴雨提供了水汽辐合及垂直向上输送的动力条件。

一次对流系统引起奥帆赛场风速突然减小的多普勒雷达特征

根据青岛黄岛新一代天气雷达和浮标站等观测资料,对2006年8月青岛国际帆船赛期间一次赛场风速突然减小的多普勒雷达特征进行了分析,以探讨雷达产品对地面风变化的指示意义。结果发现,对流系统周围的环境风场存在较强的风垂直切变,在对流系统移动和发展过程中,风切变层的高度发生了变化。当赛场附近近地面风切变层高度降低、切变层风速减小时,赛场附近风速也减小;切变层升高后,赛场附近的风速又重新增大,表明近地面风切变层的高度和切变层风速的大小对地面风速有影响。新一代天气雷达VAD风廓线产品可以较好地反映出雷达站附近风切变层以及风速的垂直变化,对地面风速的变化有指示意义。

上海98.7.23大暴雨环境场及多普勒雷达资料的分析

应用天气图、卫星云图、探空资料，并重点应用多普勒雷达资料综合分析了１９９８年７月２３日上海大暴雨过程，指出在有利的大尺度环境条件下ＭＣＣ下风方诱生出ＭＣＳ，导致上海产生大暴雨，多普勒雷达基本反射率、径向风场及垂直风廓线（ＶＷＰ）资料在暴雨发生前数小时就监测到中尺度切变、中尺度涡旋等触发机制的发生、发展，它们与强降水回波的发展、加强、移动和合并息息相关。

单部多普勒天气雷达对垂直风廓线的探测研究

阐述了 VAD技术的基本原理 ,以 CINRAD- CC多普勒天气雷达为例 ,介绍了在多普勒天气雷达中利用 VAD技术探测垂直风廓线的的具体应用。并对利用雷达测量的数据实例所得到的实际结果进行理论分析和讨论。

多普勒天气雷达二维理想均匀风场的数值模拟

对风场结构和信息的探测始终是气象科学的重要研究方向。多普勒天气雷达是研究大气边界层风场的有力手段,有效地利用其径向速度资料分析和推断真实的风场结构,能够大大提高中小尺度天气系统预报的准确度。基于单多普勒天气雷达探测风场反演技术,用Matlab实现二维理想均匀风场的多普勒天气雷达径向速度图模拟。考虑到雷达系统的工作波长和脉冲重复频率的差异可能导致观测结果产生速度模糊的问题,以风向风速各自随高度变化与否以及如何变化的4种风场情况,分别给出了S、C、X波段的多普勒天气雷达径向速度模拟图,并且设计了相应的GUI界面。通过分析模拟的径向速度平面位置显示图,帮助反演真实的风场信息。

利用单部多普勒天气雷达探测风场结构

讨论了利用单部多普勒天气雷达来探测大气中的风场结构。首先考虑了测量大气中垂直气流运动速度,然后考虑利用VAD探测方法测出水平均匀风场中水平风速随高度的分布,并在此基础上研究了各高度的径向散度和辐合辐散等。