散射计海面风场的二维变分模糊去除方法

为了去除散射计资料反演的海面风场模糊解,开发了一种二维变分模糊去除法进行风向模糊的去除,并进行了试验和与HIRLAM模式输出结果进行对比,结果表明:二维变分模糊去除方法处理的结果是理想的,可以推广到我国未来发射的HY-2散射计数据的处理中。     

星载微波散射计资料反演海面风场进展研究

对星载微波散射计资料反演海面风场的国内外研究进展作一评述。首先介绍星载微波散射计反演海面风场的基本原理;然后对利用地球物理模型函数的反演方法中地球物理模型函数的建立与求解算法及模糊去除过程做了全面评述;最后对神经网络和遗传算法等不利用地球物理模型函数风场反演方法的应用作了相应说明。目前利用模型函数反演方法日趋成熟,但仍然有进一步改进的可能,尤其对于降水、台风等恶劣天气情况;而神经网络和遗传算法为以后进行风场反演改进亦提供了一种可行途径。     

基于非线性滤波的风廓线雷达数据处理

针对实际工程中风廓线雷达风向、风速随高度分布取值的非线性特性以及非气象干扰因素,基于非线性化方法——扩展卡尔曼滤波法,对风廓线雷达探测数据进行滤波处理.先利用泰勒展开式的一次项对非线性方程作线性化处理,再结合经典的卡尔曼滤波进行滤波估计,将非线性滤波问题转化为一个近似的线性滤波问题.仿真实验结果表明,该方法可以有效去除风场数据中掺杂的噪声干扰,很好地发挥了其非线性特性,滤波效果优于传统的卡尔曼滤波,具有一定的工程应用前景.     

QuikSCAT散射计矢量风统计特征及南海大风遥感分析

主要分析了QuikSCAT散射计矢量风资料的统计特征,并利用该资料分析了南海大风频数的月变化、空间分布特征以及南海各月风场的空间分布特征.结果显示QuikSCAT矢量风在南海具有可信性;利用散射计风场资料分析发现在南海主要盛行两种风,即冬季东北风和夏季西南风,东北风最大中心在巴士海峡、台湾海峡;南海中南部存在东北季风的次大中心和西南季风的极大中心.     

星载双频风场雷达热带气旋降雨区测风模拟

基于大气辐射传输理论分别建立Ku波段和C波段的降雨模型,模拟热带气旋降雨区洋面的雷达回波并反演了洋面10 m风场,用于研究降雨对测风的影响以及风云三号双频风场雷达 (WFR) 的测风能力。分析表明:回波的衰减或增强取决于降雨衰减项和后向散射项的相对大小;热带气旋的降雨使反演风速偏小,风向精度降低,Ku波段相对于C波段更易受影响,在高风速 (超过30 m·s-1) 条件下,可达5~20 m·s-1的负风速偏差。反演结果表明:双频反演的新方法能够结合Ku波段与C波段的优势,双频最大似然估计 (MLE) 方法在分辨率上优于C波段单频反演,相对Ku单频反演能降低降雨对测风的衰减作用,结合双频MLE方法和C波段单频反演优势的分区反演方法可以显著减小降雨偏差,提高风速反演精度,在有风云三号湿度计同步观测的条件下,是提高热带气旋降雨区测风精度的有效手段。     

单多普勒雷达反演涡旋风场方法分析

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(地基速度追踪法)进行了比较,分别从每种方法的假设条件和数学方法以及结果精度来比较3种方法对涡旋风场的适用性。利用中尺度气旋Rankine模式模拟了纯涡旋性气旋、只有环境风场时、环境风场和辐合(辐散)同时存在时的径向速度场及风场,比较了各种情况下的反演风场和模拟风场的相似系数。在对模拟风场比较之后,选取了2014年"威马逊"台风登陆前1h、登陆时及登陆后1h的3个实测雷达资料,对比分析了3种方法反演实测资料的风场特征,3种方法中EVAPTC方法最好,GBVTD方法在应用中有一定的限制,NIVAP方法较差。     

登陆台风的多普勒雷达资料质量控制和水平风场反演

消除噪音和速度模糊、进行水平风场的反演并检验是正确使用和充分利用多普勒雷达探测资料的前提.对2005年8月山东烟台多普勒雷达探测到的0509号台风"麦莎"的存在速度模糊的径向速度资料首先进行噪音和速度模糊消除处理,检验结果表明对资料的退模糊处理是成功的;其次进行了水平风场的反演,并对反演的风场从雷达径向速度的特征、大尺度环境风场特征、与卫星云图云带的对比和以台风中心为圆心计算的径向风垂直剖面特征等方面进行检验.结果表明,利用单多普勒雷达探测资料得到的水平风场能够清晰地给出登陆热带气旋内部存在的中小尺度系统,及其水平和垂直结构,并表明与台风外围雨带强降水区域相对应的是明显的中尺度水平风场的切变与辐合区.反演风场也可以为进一步利用单多普勒雷达探测资料分析和研究登陆台风内部的中尺度结构提供高分辨率的可靠的分析资料.同时证明,使用的退速度模糊方法能够有效地应用于较完整资料的速度模糊的自动消除,以及VAP方法对于中小尺度风场分析的实用性.     

反演台风海平面气压场与NCEP及报文资料的对比

利用QuikSCAT散射计获取的海面风场资料,借助UWPBL模式,对2006年3个台风个例的海平面气压场进行了反演。通过将反演结果与NCEP海平面气压场及台风报文资料的对比分析,表明反演的台风海平面气压场准确性较NCEP海平面气压场高,但与报文资料相比,中心气压明显偏高,因此这种利用散射计风场反演海平面气压的方法虽有一定的准确性,但精确度还有待提高。     

单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法(Ⅰ): 方法与对比试验

利用构造的均匀和涡旋风场模拟了单多普勒雷达径向风资料,分析了VAP方法对不同类型风场的反演能力,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,这主要与该方法局地均匀风假定有关。据此,针对不满足VAP方法假定条件的局地非均匀风场,提出了扩展VAP方法,并用模拟资料进行了对比试验,结果表明,扩展VAP方法能显著提高局地非均匀风场的反演能力,反演风场在风速大小和方向上都更趋于合理。通过实例反演以及与双多普勒雷达反演结果对比,进一步证实了扩展VAP方法的反演能力。     

南海海面风场变分融合的初步研究

利用二维变分同化(2DVar)方法,把南海海域(110.12~117.92 °E,10.12~17.92 °N)QuikSCAT散射计风场资料融合到区域高分辨率数值模式(华南中尺度天气预报模式GZMM)风场资料中,并利用独立的观测数据(西沙站海面风场观测值)对融合效果进行了检验。得到结论:(1) 风场单点融合试验表明,风场融合设计方案基本合理;(2) 与独立观测数据的偏差分析表明,融合后的风场在经向和纬向的均方根误差分别为2.59 m/s、2.76 m/s,明显好于模式风场(3.63 m/s、2.81 m/s)和散射计风场(2.79 m/s、2.80 m/s),这说明融合的风场优于模式风场和散射计风场;(3) 与独立观测数据的相关性分析表明,融合后的风场在经向和纬向的相关系数分别为0.80和0.81,好于散射计风场(0.74和0.79),而比模式风场(0.91和0.94)的要差。最后讨论了均方根误差与相关系数不一致的可能原因。      

QUALITY CONTROL OF SINGLE DOPPLER RADAR DATA AND RETRIEVAL OF HORIZONTAL WIND FOR A LANDING TYPHOON

The removal of noise and velocity ambiguity and retrieval and verification of horizontal wind field is a prerequisite to make the best and fullest use of Doppler radar measurements. This approach was applied to the Doppler radar data collected during August 2005 for a landing typhoon Matsa (0509) in Yantai, Shangdong Province, and the verified result shows that the quality control for this dataset was successful. The horizontal wind field was retrieved and then verified by studying the characteristics of the radar radial velocity and large-scale wind field and the vertical cross section of the radial velocity determined with the typhoon center as the circle center and comparing it with satellite imagery. The results show that the meso- and small-scale systems in Matsa and its horizontal and vertical structure could be clearly retrieved using the dataset collected by single Doppler radar, and a shear or a convergence was corresponding with a band of severe storm around Matsa. At the same time, the retrieved wind field from single Doppler radar is proved to be a reliable and high-resolution dataset in analyzing the inner meso-scale structure of Matsa. It is also proved that the method for removing the velocity ambiguity could be an effective approach for preliminary quality control of the Doppler radar data, and the VAP method could also be a reasonable solution for the analysis of mesoscale wind field.     

多普勒天气雷达速度PPI图散度分布信息提取

根据大面积降水回波径向速度PPI图像产品辐合辐散特征,提出采用中值滤波法来剔除噪声污染和用逐点数据对称法来削弱回波缺失和距离折叠引起的误差。在考虑了降水粒子下落速度的情况下,采用模糊定位法来提取速度图中风速性散度特征,用直方图形式表征风向性散度特征。最后通过比较分析,说明了提取方法可较好的表征PPI速度图中的散度信息,计算散度所表征的动力学特征与大面积降水过程有较好的对应关系。     

快速中值滤波方法及其在Doppler雷达资料处理中的应用

提出了一种适用于Doppler雷达信号处理的快速中值滤波方法,与传统方法相比,它的特点是考虑了相邻中值滤波窗口内信号数据的相关性。在滤波过程中,由于该方法保留了前面滤波窗口内数据的排序信息,作为下一个滤波窗口内数据排序的参考,减少了当前滤波窗口内比较运算的次数,因此,提高了运算效率。我们将该种方法应用于Doppler雷达信号处理中,进行了3点、5点和7点中值滤波试验。结果表明,5点中值滤波较为适用于Doppler雷达信号处理,它既较好地保留了Doppler雷达信号,又有效地滤除了随机脉冲噪声。同时,由于Doppler雷达观测特点,对于雷达信号不宜进行方位中值滤波。     

光流法及其在临近预报中的应用

介绍了一种全新的对流临近预报外推算法——光流法。主要是通过计算雷达回波的光流场得到回波的运动矢量场,并基于运动矢量场对雷达回波进行外推从而达到预报的目的。光流法立足于变化,在计算光流场时既考虑连续时次回波的变化,又考虑相邻位置回波的变化。因此,基于该算法的外推临近预报具有一定的物理意义。利用中值滤波等方法对雷达资料进行质量控制,有效地抑制了噪声等的影响。个例对比分析表明:经过中值滤波等质量控制后回波更平滑,边沿更清晰,回波质量明显改善,能够获得比较真实的雷达回波,也得到了方向更加一致、更加平滑的回波运动矢量场。光流法给出的30、60 min内雷达回波的位置、形状的外推预报和对应时次实况较接近,预报结果具有较好的业务指示意义。对光流法和交叉相关法预报结果进行的定量对比评价表明,对移动型局地生成及强度和形状随时间变化很快的回波,光流法预报效果优于交叉相关法。光流法可以弥补传统的交叉相关法的缺陷,能提升对流临近预报系统的性能。     

关于Doppler雷达VAD技术的讨论

Doppler雷达VAD技术可以从距离圈上的Doppler速度随方位角的分布廓线中提取背景风场的散度。但是，通常Doppler雷达观测到的距离圈上的Doppler速度一般都是不完整的。为了计算散度，必须插补上所有缺侧方位上的Doppler速度，这就使应用VAD技术得到的散度带有不客观的成分。该文利用Doppler速度随方位角的分布具有一阶简谐曲线的特点，提出了用对称法计算散度的方法，从而避免了对Doppler速度方位廓线进行人为插值。文中还针对用VAD技术计算出的不同高度上不同水平面积的散度量级不同的问题，提出了对散度进行面积修正的方法。     

一种集成风向风速的风场空间检验方法

基于概率分布特征定义全新风速阈值选取方案,不受地域及季节性影响,并综合风向信息建立兼顾风向风速的风场分类列表,采用邻域空间检验技术构建可集成风向风速的矢量风场检验方法。基于2018年4月1—30日GRAPES_Meso模式不同分辨率（10 km及3 km）逐小时预报产品,利用所开发的矢量风场检验方法分析表明:模式风向预报的随机性随着风速的增大而减小,即弱风的风向难以成功预报。通过矢量风场综合分析发现高分辨率预报效果在170 km空间尺度上24 h预报最大评分优势可达0.24,各邻域空间尺度上评分分布趋势保持一致。通过敏感性分析发现,所获取的综合指标可用于反映风场预报性能。同时,不同矢量风场分类方法将对评估结果产生影响,高分类方法评分稳定性更好,低分类方法受限于单一分类权重过大而影响评估一致性。因此,在计算能力允许的条件下,选择较高分类方式将有助于获得更为稳定的检验效果。     

多普勒天气雷达识别低空风切变算法的改进研究

针对CINRAD-CD天气雷达切变线识别产品的局限性,通过对探测资料采取中值滤波、滑动平均等预处理方法,有效填充缺测区探测资料。随后,再对探测资料采用最小二乘拟合法计算得到风场径向速度的径向切变、方位切变及垂直切变,进一步得到风场径向和方位的组合切变,从而得到垂直切变图。通过两次银川降雨过程实例应用,证明上述方法能够较准确地辨识风切变线,可为临近预报提供更科学的参考信息。     

风廓线雷达风场资料质量控制初探

基于2016年2月和8月江西宜春风廓线雷达探测水平风场数据,分别利用扩展经验正交函数(EOF)分析重构法和高斯滤波法对其进行质量控制。结果发现,相比原始观测风场,EOF分析重构法和高斯滤波法均能有效过滤风廓线雷达原始风场的高频脉动。两种方法对比分析发现,对于空间尺度的瞬时扰动,EOF分析重构法质控效果优于高斯滤波法;对于时间尺度的瞬时扰动,高斯滤波法质控效果优于EOF方法。     

Error inhomogeneity in the computation of spherical mean displacement

The traditional method for computing the mean displacement in latitude–longitude coordinates is a spherical meridional–zonal resultant displacement method (MRDM), which regards the displacement as the resultant vector of the meridional and zonal displacement components. However, there are inhomogeneity and singularity in the computation error of the MRDM, especially at high latitudes. Using the NCEP/NCAR long-term monthly mean wind and idealized wind fields, the inhomogeneity in the MRDM was accessed by using a great circle displacement computing method (GCDM) for non-iterative cases. The MRDM and GCDM were also compared for iteration cases by taking the trajectories from a three-time level reference method as the real trajectories. In the horizontal direction, the GCDM assumes that an air particle moves along its locating great circle and that the magnitude of the displacement equals the arc length of the great circle. The inhomogeneity of the MRDM is evaluated in terms of the horizontal distance error from the products of wind speed, lapse time, and angle difference from the GCDM displacement orient. The non-iterative results show that the mean horizontal displacement computed through the MRDM has both computational and analytical errors. The displacement error of the MRDM depends on the wind speed, wind direction, and the departure latitude of the air particle. It increases with the wind speed and the departure latitude. The displacement magnitude error has a four-wave pattern and the displacement direction error has a two-wave feature in the definition range of the wind direction. The iterative result shows that the displacement magnitude error and angle error of the MRDM and GCDM with respect to the reference method increase with the lapse time and have similar distribution patterns. The mean magnitude error and the angle error of the MRDM are nearly twice as large as those of the GCDM.