降水时风廓线雷达风场反演效果评估

风廓线雷达（wind profile radar,WPR）因具有高时空分辨率特点,成为当前短时临近预报的重要参考工具。降水时WPR同时接收大气湍流回波和降水粒子散射回波,现有技术不能有效分离叠加在一起的湍流信号和降水信号,导致降水期间风廓线雷达反演的风场数据严重缺失或失真。根据风廓线雷达探测技术原理及降水天气的功率谱特点,提出了降水天气时风廓线雷达湍流信号提取方法（WPR-HW）,并选取2015—2018年天津10次降水过程对WPR-HW方法进行模式检验及个例效果评估。结果表明:WPR-HW方法对改善降水期间风廓线雷达风场数据缺失问题效果明显,在选取的10次降水过程中,目前通用的风廓线雷达风场反演方法（WIND）风场数据平均缺失率为25.4%,WPR-HW方法未出现风场数据缺失现象;WPR-HW方法较WIND方法反演风场数据可信度有显著提高,反演数据与再分析数据的风速均方根误差由WIND方法的2.3 m·s-1降至WPR-HW方法的1.6 m·s-1,风向均方根误差由WIND方法的45°降至WPR-HW方法的22°,从而验证WPR-HW方法在降水期间适用。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

不同天气条件下微波辐射计和风廓线雷达探测数据误差特征分析

为探讨微波辐射计和风廓线雷达探测数据的准确性和可用性,利用天津全运会期间获取的GPS探空资料,分析不同天气条件下微波辐射计探测温湿度、风廓线雷达测风的误差特征。结果表明：晴天、云天和雨天条件下,微波辐射计反演低空温度廓线效果均较好,反演高空温度廓线误差较大,云天条件下,反演的整层温度廓线与探空实测值相关性最优;3种天气条件下,微波辐射计反演相对湿度廓线的误差均较大,与探空实测值的相关性也较差;晴天和云天条件下,风廓线雷达探测风向、风速的误差均较小,雨天风廓线雷达测风效果较差;晴天和云天条件下1750 m以上,雨天3000 m以上,风廓线雷达探测风速数据与探空实测值相关性较好,低空探测风速与探空相关性较差;3500 m以下,3种天气条件下风廓线雷达探测风向与探空实测值相关性较差,3500 m以上相关性较好,数值在0.6—1.0之间波动变化。     

风廓线雷达与多普勒天气雷达风矢产品对比及相关分析

利用成都地区2010年8月和北京沙河地区2011年7—8月风廓线雷达以及多普勒天气雷达的风廓线探测资料,结合对应时段的天气现象相关记录,通过对比分析得到以下结论:①弱降水条件下,在300~2100m高度内,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测具有很好的相关性,风向相关系数平均值为0.596,风速相关系数平均值为0.736,在做预报时两者可以同时应用,互为补充;②强降水天气条件下,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测的风向、风速变化趋势基本一致,特别是在300~2100m之间各个高度上风向、风速相关性较好,风向相关系数平均值为0.573,风速相关系数为0.508,且风廓线雷达比多普勒天气雷达探测到的各层风向、风速变化更为详细、直观;③阴天条件下风廓线雷达与多普勒天气雷达的风向、风速相关性低层比高层好;④晴天条件下,风廓线雷达更适合用于预报和监测天气。     

两种垂直风廓线的对比及应用Ⅱ:不同降水条件下风廓线特征

利用2013年重庆多普勒天气雷达(SA)和风廓线雷达(TWP8-L)观测的垂直风廓线数据,对晴空、弱降水、一般性降水和强降水四种不同天气条件下垂直风廓线特征及其演变情况进行了分析。结果表明:(1)风廓线雷达的探测高度随降水增加逐渐增加;(2)晴空天气条件下,边界层(1 km以下)风向存在明显的日变化,夜间以偏东气流为主,白天以偏南气流为主,高空(3 km以上)为一致的偏西气流,风速较小;(3)弱降水天气条件下,边界层风向以偏东气流为主,相对较为杂乱,高空与晴空一致,中高层(1~3 km)以偏南气流为主;(4)一般性降水天气条件下,低层与弱降水较一致,而高空出现较一致的西南气流,有利于水汽输送,同时垂直切变具有较好的单一方向性,较有利于对流的发展和维持;(5)强降水天气条件下,风廓线雷达和多普勒雷达观测的垂直风廓线较为一致。降水前期风向随高度的增加逐渐由偏东气流转为偏西气流,有利于对流的触发;降水期间风切变具有很好的单一方向性并在中低层出现低空急流区,有利于对流系统的维持,同时西南气流厚度加深,也有利于水汽的输送;降水结束期风速减小,中低层风向也逐渐转为偏北气流,对流系统逐渐消亡。     

风廓线雷达产品数据置信度研究

随着风廓线雷达技术的发展,高空风探测参量越来越多,数据精度不断提高,探测能力得到了极大提升。评估风廓线雷达数据置信度是风廓线雷达应用中需要解决的重要问题。本文基于径向数据和风场合成两个阶段,在风廓线雷达数据反演过程中形成数据置信度算法,并引入噪声电平。同时,利用南京同站址风廓线雷达和探空1 a的资料进行匹配比对,对置信度算法性能进行评估,结果表明该置信度算法可行。将置信度算法植入风廓线雷达数据处理软件中,能实时输出含置信度的风廓线雷达产品数据,有利于预报人员合理使用置信度较高的风廓线雷达产品数据。对于置信度较差的产品数据进行分析,可有助于及时发现雷达的潜在故障。     

福建省风廓线雷达资料在一次强对流天气过程中的应用

利用福建省永安站的CFL-03边界层风廓线雷达提供的资料,分析了福建省永安市2012年4月1l～12日的一次强对流天气过程,结果表明：风廓线雷达水平风资料可以相对连续地反映测站上空风场垂直结构和变化特点,直观而精细地反映出天气过程的演变特征。风廓线实况中的风向风速变化,可指示高空槽和气旋配合过境的情况,判断中低空急流的强弱;强降水出现前风随高度的变化存在着明显不连续现象,风向风速切变明显。这些特征可作为对降水性质、落区、持续时间等作出短时或临近预报的依据。垂直风资料可反映出降水的开始、结束和降水的强度,其波动发展的高度成为判断对流发展强弱的一个重要指标。降水期间功率谱密度出现双峰谱甚至多峰谱,而降雹时间段波束图出现了速度模糊,证明强对流系统通过测站。风廓线雷达对天气发展趋势提供可靠的指示作用。     

宜春地区三类典型天气的风廓线雷达产品特征分析

选取江西省宜春市晴空、弱降水、强降水三类天气过程个例,结合天气形势、雷达回波、气象要素等资料,对比分析了风廓线雷达产品特征。结果表明：（1）在晴空天气背景下,风廓线雷达探测高度低,水平风速小,垂直风速正负值交替出现,大气折射率结构常数（Cn2）值最小。（2）在稳定性弱降水天气背景下,大气呈稳定状态,风廓线雷达探测高度随降水的产生而逐渐抬升,高低层有明显的风速切变,850 hPa赣南至赣东北有西南急流穿过,赣北有切变线存在,利于降水产生,垂直风速因降水影响出现朝向雷达正速度,Cn2值比晴空时大。（3）在具有产生强对流天气背景下,大气中对流强烈,风廓线雷达的水平风速增大,西南急流深厚且不断下沉,850-700 hPa有强烈的垂直切变,动力条件和水汽条件利于强降水产生,垂直风速表现为更大的朝向雷达正速度,Cn2值比弱降水时的大。     

华南一次强飑线过程的三维变分风场反演效果分析

利用三维变分方法对2014年3月30—31日华南一次强飑线过程进行风场反演,经与风廓线雷达探测结果、双多普勒天气雷达反演结果、原始径向速度数据等对比分析,得到如下结论：三维变分方法反演的中低层水平风场与风廓线雷达探测到的结果较为一致,且能很好地表现飑线过境时的风向切变;通过与双多普勒雷达风场反演结果对比发现,两种方法得到的风场空间分布十分相似,均能很好地表现2 km高度上系统内部强带状回波前缘的辐合线以及5 km高度上较弱的辐散;三维变分方法反演的水平风场与径向速度场有较好的一致性,2 km高度强回波带前缘阵风锋处的辐合线位置以及5 km和8 km高度上辐散区的位置均与径向速度场十分吻合;三维变分方法反演的垂直速度能较好地反映该飑线过程中气流的上升和下沉运动,平行于飑线方向的气流变化较小,而系统气流变化主要沿垂直于飑线的方向。三维变分方法反演的飑线系统的三维风场结构合理,反演结果可靠。     

天气雷达组合风场显示产品的检验评估

采用绝对误差、相对误差、皮尔逊相关系数、样本数量分布图等统计方法对中国气象局气象探测中心下发的2012年8月至2017年7月天气雷达组合风场显示产品进行质量评估,结果表明:①该产品与探空风场有较高的相关性,两种资料没有系统性差异,风向相关性优于风速;②随高度升高,该产品和探空资料的相关系数变差,500hPa以下高度的风场数据可用性较高;③产品质量与降水有着密切的关系,天气尺度的稳定性降水有利于提高风场反演质量,非气象回波、强对流天气情况下雷达反演风场质量均会下降。④产品质量与地形复杂程度有一定的关系。     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

新一代可移式天气雷达在人工影响天气中的应用研究

在总结“十五”国家科技攻关重大计划项目“人工增雨技术研究及示范”成果的基础上,利用我国可移式新一代天气雷达在青海省河南县和河南省许昌市进行秋(春)季降水系统中尺度结构外场试验观测的方法和技术,对这两个地区云和降水的若干特征进行了分析;另外,使用两步变分方法反演了风场结构,分析了层状云和对流云的中尺度回波强度和动力结构。结果表明:新一代天气雷达可为人工影响天气作业指挥和云物理研究提供更多信息,包括风场中尺度结构、辐合线位置等;青海省河南县及周边地区秋季降水以对流云降水为主,低空辐合是对流云旺盛发展的重要原因;河南省许昌市春季降水既含有对流云降水也含有层状云降水,对流云降水过程伴有低空辐合,层状云内风场比较均匀,但风的垂直切变明显,多为暖平流。     

闽北地区边界层移动风廓线雷达对比试验评估

为了更好地把握风廓线雷达的探测性能和数据精度,对移动风廓线雷达与L波段探空雷达资料进行对比统计分析,结果表明：移动风廓线雷达的有效数据获取率达到80％的高度为3500m,符合边界层风廓线雷达的有效探测高度。移动风廓线的径向速度平均差和标准差随着高度的增加而增加,东西方向的径向速度误差比南北方向的高约0．5—1．0m／s。风廓线雷达自身数据的准确性良好,但是降雨对数据的准确性影响比较大。这次对比试验结果表明,对比试验应该选择比较平稳的天气过程。由于秋冬季节大气环流比较稳定,降雨类型多为层状云降雨,因而风廓线雷达数据可靠性高;对流性降雨过程往往造成风廓线雷达资料可靠性降低。     

RETRIEVAL OF HORIZONTAL WIND PERTURBATION FIELDS FROM SIMULATED SINGLE DOPPLER RADAR OBSERVATIONS

The application of the single Doppler radar dataset analysis is usually confined to the assumption that the actualwind is linearly distributed or uniform locally.Following some dynamic features of convective weather,a conceptualmodel of moderate complexity is constructed,wherewith a horizontal wind perturbation field is retrieved directly fromthe single Doppler radar measurements.The numerical experiments are based on a 3-D cloud model-generatedconvective cell,whose radial velocity component is taken as the radar observations that are put into the closed equationsbased on the conceptual model to retrieve the horizontal wind perturbation field.After the initial field is properlytreated,the retrieval equation is solved in terms of the 2-D FFT technique and the sensitivity to noise is examined.Finally,contrast analysis is done of the retrieved and the cloud model output wind fields,indicating the usefulness of theapproach proposed in this paper.     

RETRIEVAL OF HORIZONTAL WIND PERTURBATION FIELDS FROM SIMULATED SINGLE DOPPLER RADAR OBSERVATIONS*

The application of the single Doppler radar dataset analysis is usually confined to the assumption that the actual wind is linearly distributed or uniform locally.Following some dynamic features of convective weather,a conceptual model of moderate complexity is constructed,wherewith a horizontal wind perturbation field is retrieved directly from the single Doppler radar measurements.The numerical experiments are based on a 3-D cloud model-generated convective cell,whose radial velocity component is taken as the radar observations that are put into the closed equations based on the conceptual model to retrieve the horizontal wind perturbation field.After the initial field is properly treated,the retrieval equation is solved in terms of the 2-D FFT technique and the sensitivity to noise is examined.Finally,contrast analysis is done of the retrieved and the cloud model output wind fields,indicating the usefulness of the approach proposed in this paper.     

一次局地短时强降水的成因和预报误差分析

利用常规气象观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和多普勒天气雷达资料,对2016年8月6—8日潍坊一次强对流天气的成因和预报误差进行了分析,结果表明：1）500 hPa冷涡底部低槽、850 hPa低涡切变线和地面倒槽是主要影响天气系统, 数值预报对此次天气过程的影响系统预报偏差大,而预报员对数值预报依赖程度高是此次预报失误的主要原因;2）850 hPa以下强的水汽辐合是强降水发生的重要条件,低层辐合和高层辐散配置导致的强垂直上升运动是暴雨产生的动力机制,位势不稳定因中高层的冷空气入侵下沉得以加强;3）列车效应和强回波维持少动是造成短时强降水的重要回波特征,逆风区的发展和移动对于判断强降水的落区有指示作用,多普勒雷达反演风场中的中尺度辐合线是导致局地强降水发生的直接原因;4）风廓线雷达水平风场可以连续地反映降水过程中风场垂直结构及其变化,降水发生前探测高度明显升高,中高层冷空气侵入时间与强降水的时段相对应。     

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,T_VR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析T_VR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明:加入T_VR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

非常规探测资料在一次非典型暴雨过程中的应用

利用漳州市地面加密自动站、多普勒天气雷达、风廓线雷达和微波辐射计等非常规探测资料,分析了2020年9月19日漳州市一次非典型暴雨过程期间各探测资料的演变特征。结果表明:此次过程是高空槽东移引导地面冷空气快速南下与低层偏南暖湿气流交汇并持续对峙引发的;在强降水时段,雷达组合反射率因子40dBz以上强度的水平范围大,在垂直结构上,强反射率因子表现为低质心型;风廓线雷达水平风场的突变对强降水预报具有指示意义,垂直风速的变化与地面降水时长等具有较强的相关性;微波辐射计的温湿度廓线直观反映降水前后测站上空的温湿层结,由降水前低层增温增湿,不稳定增强变为温湿分布均匀的稳定到中性层结,对地面降水发生具有较好的提前量。     

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。