滇南一次暖区暴雨过程的雷达反演风场分析

利用自动气象站资料、ERA5再分析资料、探空资料和CINRAD/CC普洱天气雷达数据等多源资料,对2020年8月7日滇南大暴雨过程进行天气尺度和中小尺度系统综合分析.结果表明:①此次强降水是典型的暖区暴雨过程;②500 hPa东风波和700 hPa低涡系统是主要的影响系统,200 hPa高空辐散特征加强了低层系统的发展;③本次过程发生在高湿、高能、强垂直运动的大气环境背景下,孟加拉湾低压为滇南局地强降水提供充足的水汽,水汽通量散度强度达-4.6×10^(-6) g·cm^(-2)·hPa^(-1)·s^(-1);副高在滇南地区向北凹陷有利于不稳定能量积累,∑θ_(se)≥260℃的区域与地面6 h强降水落区对应一致;特大暴雨发生期间伴随有能量和强暖平流输送;④中尺度对流系统生命史完整且漫长,回波原地生消,中心稳定少动,“列车效应”明显,低质心暖云回波贡献了短时高效的降水,导致地面降水持续时间长、强度大、落区局地性强;对流发展旺盛阶段存在明显小尺度次级环流和水平气旋式辐合,二者投影位置一致,呈现出对流系统三维立体运动特征;地面投影附近集中出现20 mm·h^(-1)以上短时强降水,最大78.6 mm·h^(-1);⑤滇南地形对东(抬升)、西(降低)两股气流截然不同的影响加剧了辐合区垂直运动发展,在“喇叭口”地形隔挡下两股气流长时间交汇对峙,为特大暴雨的形成提供了有利的地形条件.

高密度雷达网风场反演的优化方法及其应用效果检验

高质量多普勒天气雷达三维风场反演产品是研究和预报中小尺度天气系统不可或缺的资料。现有的天气雷达三维变分风场反演方法(3DVAR)主要基于单部或数部雷达进行小范围风场反演,利用多部雷达资料进行而大范围风场反演计算量大、程序运行速度慢,不利于业务有效开展。利用广东省11部S波段多普勒天气雷达和27部X波段相控阵天气雷达,在3DVAR方法的基础上,结合双雷达风场反演方法提出了一种能够获得高质量大范围风场结果的优化方法(D-3DVAR)。优化过程共分三步:①基于天气系统位置确定风场反演区域从而减少雷达数量;②通过计算雷达网在双雷达风场反演贡献比例减少雷达数量;③在双雷达风场反演过程中每个格点仅选取最优的两个径向速度进行风场反演计算,其余径向速度不参与后续的风场反演,每进行一步优化后进行风场反演的结果记为优化1—3。以2022年5月13日广东沿海地区一次飑线过程为例,应用D-3DVAR方法对雷达网风场进行反演,并对反演结果进行对比检验。结果表明,三步优化的风场反演方法能够得到大湾区大范围的双多普勒雷达风场反演结果,在2km高度能够较好覆盖大湾区陆地区域,在4km高度能够覆盖海岸线内大部分区域。相较优化1,优化2和优化3的风场反演程序运行速度提高了3倍,优化3与优化1的风场反演结果基本特征一致,风速误差基本小于1.7m·s^(-1),风向误差基本小于10°;但优化3的风场反演结果更能突出中小尺度天气系统风场强上升气流和垂直涡旋特征。

联合静止气象卫星成像仪和高光谱红外大气探测仪观测的三维水平风场反演

风云四号A星(FY-4A)上搭载的干涉式红外探测仪(GIIRS)是首个地球静止轨道上的红外高光谱大气探测仪,它可以提供连续的三维大气温度和水汽的观测,通过追踪水汽的移动可以反演得到不同高度的大气水平风场。本研究利用台风玛丽亚(2018年)期间FY-4A加密观测(15分钟间隔)的GIIRS数据开展晴空和部分云区的三维水平风场算法研究,重点研究如何联合同一卫星平台的多光谱成像仪(AGRI)改进GIIRS部分云视场区的三维风场反演结果。利用ERA5独立测试集、CRA40再分析和空投探空数据开展对晴空和云区的三维风场反演结果的检验,基于该个例的反演结果表明:(1)基于GIIRS亮温信息反演得到对流层水平风场,在晴空区均方根误差小于1.5 m s^(-1),方向绝对差基本在15°左右,在部分云视场区,均方根误差为1.5~1.7 m s^(-1),方向绝对差基本在20°左右。与光流法相比,基于GIIRS亮温的直接反演表现出更好的优势,其均方根误差和方向绝对差明显小于光流法的结果。(2)按云量和云顶高度分类后,表现出云量越多、云顶高度越高则RMSE(Root Mean Square Error)越大。在部分云视场区,进一步在反演模型输入中加入来自同平台上成像仪(AGRI)云量和云高信息后,RMSE有所减小,表明更高空间分辨率的AGRI产品可以改进GIIRS部分云覆盖区的风场反演精度。(3)基于GIIRS亮温信息反演的风廓线与CRA40再分析、空投探测风廓线有较好的一致性,表明利用静止卫星红外高光谱大气探测仪观测亮温反演风场的合理性和可行性。

机动式激光测风雷达三维风场反演模型仿真研究

激光测风雷达具有探测精度高、环境适应性好等优点,发展其机动式应用技术,在军事保障、抢险救灾、海洋调查等领域具有广阔应用前景.雷达在机动条件下工作时,会由于载体的运动及倾斜造成数据探测误差,且不同光束之间的实际探测仰角不一致,导致无法基于传统VAD算法反演大气三维风场.本文研究探索了激光测风雷达机动探测条件下的数据订正算法,及同一组VAD扫描中光束仰角不同条件下的三维风场反演算法,并通过数值仿真试验对算法进行验证.结果表明,数据订正算法能够有效订正载体运动带来的雷达探测误差,数据反演算法能够有效反演得到三维风场,但同一组VAD扫描中光束仰角差越大,三维风场反演误差越大.

C波段双基地气象雷达三维变分风场反演系统

中国气象科学研究院灾害性天气研究所与安徽四创电子股份有限公司合作研制的C波段双基地气象雷达系统于2005年1月31日通过由安徽省科技厅组织的技术鉴定。

利用双偏振参量估计降水粒子下落末速度及三维风场反演的应用

降水系统三维风场反演的关键问题之一是准确地估算降水粒子下落末速度(W_(t)),为了探究双偏振雷达估计W_(t)的能力,利用广东省龙门地区的雨滴谱数据,建立了W_(t)与S和X波段双偏振雷达观测量的关系,并且将其应用于广州和韶关两部雷达的风场反演。对华南地区2019年4月发生的一次飑线过程进行风场反演试验,分析讨论了此次飑线过程的风场结构配置,并探索了利用不同方法估算的W_(t)在反演出的风场结构上的差异。结果表明:S和X波段雷达通过回波强度(Z H)和差分反射率(Z DR)估算W_(t),其函数形式为幂函数和一次函数,通过Z DR估算的W_(t)均方根误差相较利用Z H估算的W_(t)均方根误差更小、相关系数更大,因此通过Z DR估算的W_(t)的效果更好。此次飑线过程主要从西北向东南方向发展,风场主要是西风和西南风,在飑线前部弓状回波区域内存在明显的辐合区,垂直结构是低层辐合、高层辐散。对比利用不同方法估算W_(t)得到的三维风场,其水平风场变化主要集中在±1 m·s^(-1)的范围,水平经向风速的变化(Δu)主要是正值,水平纬向风速的变化(Δv)主要是负值,垂直方向上风速的变化(Δw)集中在±0.15 m·s^(-1)内,主要是正值,低层Δu、Δv、Δw较高层小。研究结果为降水系统三维风场反演及垂直速度反演提供了参考依据。

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场,利用这一原理,以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例,用模式反演出风暴体的三维风场结构,误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场,先模拟两部多普勒雷达扫描的数据,在此基础上,进行三维风场反演,结果表明,反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致,风暴的中心位置吻合较好,上升气流和下沉气流的分布也很接近,水平速度分量反演的误差很小,基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小,反演结果较好。

基于相干测风激光雷达数据的南京地区风场特征分析

为了进一步分析南京地区的风场特征,文章利用1.5μm全光纤相干测风激光雷达在南京栖霞沿江地区进行了1年时间的连续观测,通过与附近自动气象站的风场观测数据对比,验证了雷达观测数据的可靠性。基于雷达观测数据,统计分析了南京地区低空风场的分布特征、风速的季节与日变化规律,对南京地区风资源评估具有一定参考性。

C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究

研究了双多基地多普勒雷达资料的配对方法、风场反演的区域和精度,并研制了基于三维变分方法的双多基地多普勒雷达系统的风场反演系统。利用安徽四创电子股份有限公司研制的一个主动雷达和两个侧向接收天线组成的双多基地多普勒雷达系统获取的外场试验资料,进行了风场反演试验。该风场反演方法利用主动雷达和被动接收系统测量的径向速度作为弱约束,用质量连续方程作为强约束,来反演三维速度场。利用Ad-vanced Regional Prediction System(ARPS)模式模拟的一次龙卷过程的结果,进行了风场反演的模拟试验。结果表明:双多基地多普勒雷达系统能较准确再现龙卷的中尺度特征和强上升气流的结构,从上下两个方向进行垂直积分可以减小垂直速度的反演误差,利用两个侧向接收系统的资料能进一步减小径向速度随机误差对风场反演的影响,增大风场反演的范围。三个分系统单独获取的资料空间配对效果很好,利用不同雷达径向速度反演的风场比较近似,反演的风场与径向速度定性分析和速度方位显示方法(VAD)结果比较一致,该双多基地多普勒雷达系统同步观测技术设计合理,在实时探测三维风场特别是探测近地层风场方面有广泛的应用潜力。

多部多普勒雷达同步探测三维风场反演系统

“我国重大气候和天气灾害的形成机理与预测理论研究”项目首次启用双多普勒雷达组网同步观测 ,如何从同步观测的暴雨资料中反演三维风场 ,具有重要的理论和现实意义。根据项目需要 ,建立了国内首套多部多普勒天气雷达同步探测三维风场反演软件系统 ;并反演出 2 0 0 1年 7月 1 3日由双多普勒雷达同步观测到的一个中 β尺度暴雨系统的三维风场 ,结果显示 ,该三维风场结构合理 。

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消散期的旧对流风暴时产生了较强的下沉气流,促使强对流风暴的产生和发展。强对流风暴的强回波区在低层为风场辐合中心,而高层则对应辐散流场。(3)强对流风暴和弓状回波合并过程显示,弓状回波处于逗点云系阶段的后期,前沿只有弱的上升气流,而强对流风暴处于成熟、减弱阶段,靠近弓状回波一侧有较强的下沉气流,两者相互靠近的过程中弓状回波前沿的弱上升气流与较强的下沉气流汇合,导致弓状回波迅速减弱,强对流风暴也短时减弱。随着弓状回波后部有组织的后侧入流的侵入,强对流风暴中的暖湿气流被剧烈抬升,促使风暴发展的更加强盛。

双多普勒天气雷达反演大气三维风场的个例研究

根据笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达反演大气三维风场的理论,以2003年7月5日发生在安徽省的一次强降水过程为例,反演大气三维风场。结果表明:利用双多普勒天气雷达反演大气风场能够更加详细地反映出大气风场的三维结构。

笛卡儿坐标系的双多普勒天气雷达三维风场反演技术

文中研究了笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达三维风场反演技术 ,提出了包括雷达原始资料的预处理 ,空间插值以及可靠性检验的新方法 ,提高了反演结果的可信度和精确度。使用模拟的双多普勒雷达体扫资料进行了反演试验 ,结果表明 :本文的方法能够比较真实地反映风场的三维结构 ,可以用于真实风场的反演。

单部多普勒雷达反演三维风场涡度-散度方法的初步研究

涡度 散度反演三维风场的方法是在反演二维风场的涡度 散度方法基础上发展得到的。其基本做法是将垂直方向的涡度方程适当简化 ,结合涡度和散度的定义 ,再以连续方程为约束 ,计算出风场三个方向的分量以及涡度、散度 ,从而反演得到三维风矢量场。初步的试测资料检验结果表明 ,它是一种具有实用前景的三维风场反演方法。 2 0 0 0年 ,作者考虑了降水粒子的下落速度对垂直速度的影响 。

基于单多普勒激光雷达低空三维风场反演方法

基于单多普勒激光雷达测风原理,采用涡度-散度方法对机场上空的低空小尺度天气系统进行三维风场的反对演。对于机场上空的天气结构进行了建模和仿真,分别构建了均匀风场和均匀风场叠加涡旋风场试验,实现了涡度-散度方法的风场反演,通过算法反演数据与原始数据对比,分析了反演的误差,结果表明涡度-散度法能较好地反映小尺度的风场结构。

2008年8月1～2日滁州特大暴雨双多普勒雷达三维风场反演试验的初步结果

受"凤凰"低压和冷空气共同影响,2008年8月1～2日安徽省东部和江苏西部部分地区出现大雨,局部地区暴雨到特大暴雨。滁州和全椒24 h雨量分别为429 mm和414 mm,此次特大暴雨具有局地性和降水强度大的特点。使用南京和马鞍山双多普勒雷达时间同步观测资料,对此次暴雨的三维风场进行反演,在此基础上,研究了暴雨的三维风场结构。由雷达回波分析可知,此次暴雨是由β中尺度对流系统造成的,在β中尺度对流系统内部还有γ中尺度对流单体,对流单体发展非常旺盛。中低层切变线自西向东移入降水区后,在该地区停留较长时间,加之有充足的水汽供应,造成了局地特大暴雨。在垂直剖面内,对流系统发展旺盛,强降水区上空回波较强且对应着较强的上升气流区,而在强回波中心区的两侧均有下沉气流。当切变线减弱并移出降水区后,强降水停止。

用机载多普勒雷达资料进行三维风场解析反演──I.多重解析多普勒方法在机载雷达情况下的推广及模拟验证

多重解析多普勒（ＭＡＮＤＯＰ）方法是用解析表达式进行三维风场反演。它成功地应用于处理地基多普勒雷达资料，获取对流系统层状降水区域的风场结构。本文将ＭＡＮ－ＤＯＰ方法在机载雷达情况下的进行推广并通过模拟研究径向速度测量中信号噪声、雨滴降落速度估计误差、平流速度估计误差、尤其是由于机载特性的引入产生的雷达束定位误差等对方法的影响。模拟结果显示，在机载雷达的技术参数下，ＭＡＮＤＯＰ方法能够提供误差可以接受的三维风场反演。

用机载多普勒雷达资料进行三维风场解析反演Ⅱ.多重解析多普勒方法应用于在CaPE现场实验中获取的机载雷达实测资料

模拟结果证明，在机载雷达的技术参数下，多重解析多普勒（ＭＡＮＤＯＰ）方法能够提供误差可以接受的三维风场反演。１９９１年夏在美国的佛罗里达州举行的ＣａＰＥ现场实验中首次应用了机载双束多普勒雷达，并获取了珍贵的雷达实测资料。用ＭＡＮＤＯＰ方法分析１９９１年８月９日观测到的一个飑线，取得类似于以往用地基雷达资料得到飑线内部大气环流结构。另外。

涡度-散度法反演基于单多普勒激光雷达的低空三维风场

基于机场上空的低空小尺度天气系统风场结构以及单多普勒激光雷达测风原理,选取涡度-散度方法作为风场的反演方法,对方法进行改进后对由激光雷达得到的径向风速数据进行处理,实现对机场上空的三维风场的反演。最后对机场上空的天气结构进行了仿真,实现了基于涡度-散度方法的风场反演,并分析了反演的误差,结果表明能较好地反映小尺度的风场结构。