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单多普勒雷达水平风场的扩展VAP反演技术

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单多普勒雷达水平风场的扩展 演技术梁旭东 1 梅珏 21上海台风研究所,上海,2000302民航华东管理局气象中心,上海,200335摘要单 达风场反演技术对于扩大 达的应用范围具有重要的作用。在传统的反演技术中,术和 术具有操作简单,原理清晰的特点,具有一定的实用价值。本文在提出“按方位角均匀假定反演关系”的基础上,进一步证明 术是“按方位角均匀假定反演关系”的两种特殊应用,进而把这两个方法统一起来。在此基础上,提出采用“按方位角均匀假定反演关系”进行全风速的反演的扩展 术(采用该技术可以克服 术对小尺度脉动敏感,以及 术对流场过于平滑的问题。最后通过对发生在上海的“0185“特大暴雨的雷达风速的反演,对 术进行了应用试验。一、 引言由于 达能提供较高时空分辨率的风场和降水粒子分布信息,而且具有较大的空间覆盖范围,因此在强对流天气的监测、分析、预报中具有非常广泛的应用。但是由于 达只能探测到径向速度,并不能直接探测大气的三维运动。通过两个或多个达同时对同一个目标的探测可以较准确地得到完整的风矢量,但是由于 达站点距离的限制,这很难在实际应用中实现,同时双 达分析也需要解决一些与单 演中不会遇到的问题,比如双 达分析时需要两部雷达同时运作,同时需要对两部雷达进行精度订正。因此对单 达反演技术的研究更具有实际应用价值。通过雷达的一维观测反演三维的流场必须通过附加的约束条件来减少未知量。已经有较多的研究通过一定的假设,采用单 达的探测信息来反演全风场,并且取得了一定的成果。近年来,风场反演方法研究更多的集中在采用同化技术。但是基于同化技术的反演方法由于计算复杂,在实际应用中具有一定的局限性。传统的 术直接从探测资料中提取风场信息,具有原理简单,算法简洁快速的特点,因此更便于业务应用。本研究即在将 术进行统一的基础上,提出扩展的 术。采用该技术具有原理简单,计算简洁的特点,同时由于该方法同时具有了 高分辨率能力,可以根据需要选择合适的反演区间得到满足特定平滑性和分辨率要求的风场,因此具有较广的应用范围。二、单 达风场反演技术概述尽管 达只能观测到径向速度,但是在仰角较低不考虑垂直速度影响的情况下,不同的观测点上径向速度是二维流场的按权重组合(其中 是某一向径上方位角 处的雷达经向速度, 为该点水平风的 为该点水平风的 分量。如果把经向速度看作是对二维流场通过对采样样本的分析可以得到流场的基本特征,比如平均值,方差等,同时通过对整个距离圆上的经向速度的分析可以得到整个观测圆内的形变特征,如平均散度(陶祖钰 1995[1])或散度(刘淑媛,1999 [2]) ,通过对某个采样区域的分析也可以得到该区域流场的某些基本特征。在此基础上对该分析区域流场进行适当的假定即可得到整个流场在该假定下的完整分布。根据经向速度的分布特征,在 20 世纪 60 年代由 提出了在均匀风假定条件下,由经向风反演平均风场的速度方位显示(术。后经 1986[3])等的进一步完善。该方法在假定风场水平均匀的情况下,通过径向风傅氏级数展开后各项系数与平均水平风场、风场散度、拉伸形变和切变的关系来进行平均风场及其形变特征的反演。该方法原理简单,应用方便,但是只能给出平均的水平风场。1979[4])等在局地均匀风的假定条件下,先后提出了速度面积显示(方法和速度体积处理(技术。(1982 [5])等用简化了的 法反演出一个静止锋形势下的行星边界层的风场。采用 术通过对给定体积内的径向速度的线性分析来反演该区域内的散度和形变量,但是该方法不能唯一地确定风场和涡度场。通过假定相临方位角范围内风场均匀,陶祖钰等(1992 [6])提出了 法。法是假定水平风场在较小的区域内是均匀的,因此通过各距离圈上相临一定方位角的径向速度的变化量来反演水平风场。由于该方法假定风场局地均匀,因此对于某一点的风场的反演不受整个距离圈的径向速度的影响,这是优于 法之处。但是该方法对径向速度随方位角的变化较敏感,因此为了满足局地风场均匀的假定需要对径向速度进行平滑。白洁(2000 [7])等采用二维滑动滤波方法来滤除径向速度中的小尺度脉动。由于雷达反射率反映了大气中降水粒子的分布信息,而降水粒子除垂直运动外,在水平方向上受到气流的平流作用,因此通过对连续时刻的雷达反射率的相关分析也能反演水平风场,采用这种方法的有973[8]),979 [9]), 1990 [10])等的法。这种方法假定反射率的空间变化是由于水平平流的作用,使用该方法能得到连续时次间的平均水平风场,但是不适合于反射率在空间的分布比较均匀或则变化比较剧烈的区域。996 [11]) 等采用反射率守恒,以及流场水平结构稳定的假定,但为了消除由于两次连续观测的时间间隔造成的虚假的反射率局地变化,采用移动坐标系的方法,并引入径向速度的约束使用多次连续观测来反演风场。最近十几年来,.(1991 [12])等采用伴随方法,采用三维动力和热力方程求解三维风场和热力量地方法来进行反演。该方法能得到适合于模式的初始场。u 1992 [13]; 993[14]; Xu et 1994a[15],b[16]; 1995[17]是由于该方法计算量较大,如何在实际中应用还有待研究。综观这些反演技术,基于伴随同化技术的反演方法正越来越受到重视,但是该类方法实现比较复杂,计算量比较大,在实际应用中还存在困难。基于回波强度(径向速度)在两次连续观测中守恒的反演技术由于没有直接考虑 达的径向风观测,其实并没有发挥达的的探测优势。相对来说,术和 术原理简单,实现起来容易,更具有业务使用价值。而且通过推导可以发现,术和 术具有一致性。这就可以对这两种技术进行统一并进行扩展使用。三、 术和 术的一致性根据 达探测原理,当仰角比较低,不考虑垂直速度时,某一向径上方位角 处的径向风 可以表示为该点水平风 和 的组V将(侧分别乘 和 并在方位角区间[ , ]上积分得到:2(  212121 ( 212121 , ]范围内风场是均匀的,以上两式可表示为:2( v 21211  212121 是[ , ]区间内的平均风。由(得:d21211得:(212121(式得 ))212121212121212121    222 )121121  )212121212121212121    (222 )111 2121121 当[ , ]为半周期([0, ]或[ ,2 ])或全周期[0,2 ]时2 ((即为 术:(0202, ]的两个端点 和 时由(b)得:12122222 )2111  22 )112121  (2b)式即为 术。四、 扩展的 演技术上节中的((是在假定某一方位角范围内风场均匀得到的全风速与径向速度的关系,这里称为“按方位角均匀假定反演关系”。该关系式应用到半周期或全周期时由于正弦和余弦函数的正交性,即为较简单的 术。当应用到相临的两个方位角时,即为 术。 术是“按方位角均匀假定反演关系”的应用的两个特殊应用。在 术中,假定风场在半周期(或全周期)内均匀,因此得到的风场也是半周期(或全周期)内的均匀流场,这显然只能得到大尺度范围的平均流。在 术中,由于假定相临的两个点风速均匀,因此可以得到较小尺度的流场信息。但是由于通过两个临近点的信息反演全风速,反演的质量非常依赖于径向速度的均匀性。术只有在径向风较为平滑的情况下才能使用,为此白洁等(2000 [7])进行了平滑技术的研究。另一方面,反演中两个点的方位角的距离的确定也会影响到反演的质量。术吸收了半(全)周期内所有径向速度在正弦和余弦函数上的投影信息来反演整个半(全)周期的平均速度,因此该方法对局部的扰动不敏感。法通过两个相邻点的径向速度的变化信息来得到该两点间的均匀风速,因此该方法对局部的扰动非常敏感。为了克服 术只能得到至少半个扫描周期的平均风场,而术对于局部扰动非常敏感的问题,可以直接使用“按方位角均匀假定反演关系”,在区间[ , ]上进行风场反演,根据该区间内12的径向风信息反演全风速。采用该方法与 术的差别表现在不仅仅考虑 、 两个方位角的信息,而是考虑 [ , ]整个区间内的径12 12向速度的信息,同时[ , ]区间的大小可以根据需要进行调整。由12于这样得到的风场是对[ , ]区间内风场均匀的假定得到的,因此这里称为扩展的 术(为了检验 术和 术对于小尺度脉动的敏感性,假定有均匀流场u=10m/. (,法能准确地通过径向风反演出全风速。但当在以上均匀风场的 分量上叠加最大绝对值为 s 的随机扰动时,某一探测半径1˚的 演的风速u 如图 1。由于 术中只采用区间两端点的信息,因此对小尺度脉动很敏感,而扩展的 术采用整个[ , ]区间的径向速度信息,因此能有12效滤除小尺度脉动。反演的区间越大,得到的风场越平滑,但同时损失的小尺度信息越多。相反,反演的区间越小,得到的风场小尺度信息越多,但是受小尺度脉动的影响越大。因此在使用 术时,可以根据需要选取不同的反演区间。同时由于 术的滤波作用,对径向风的平滑预处理不再是必须的。为了检验 术的性能,以下将对上海发生的“0185”特大暴雨期间观测到的 达资料进行全风速反演试验。五、个例试验图 1 当有随机扰动时 演的风场(左:有随机扰动的风场得到的径向速度;右:线)和 线)反演风速2001 年 8 月 5~6 日上海市发生了一场特大暴雨。这次降水突发性强、强度大、大暴雨集中,并且由于发生在人口密集的市区,造成了较严重的损失。由此也引起了较广泛的关注。邵玲玲(2002 [19])等利用常规观测资料以及上海市气象局的 图象产品对这次过程进行了分析。杨克明等(2004 [20])利用卫星云图资料、象产品和加密观测资料进行了天气动力诊断分析。林永辉等(2003 [21])对这次过程进行了数值模拟。齐琳琳(2004 [22]),付刚(2004 [23])等也采用卫星资料、加密观测资料、雷达图象对这次过程进行了分析。这些研究从天气学诊断分析或数值模拟的角度对这次过程进行了较详细的分析,但是对这次过程的中小尺度系统的发生发展的分析还依赖于更高时空分辨率的观测资料。本研究即是采用上海虹桥机场的60达观测到仰角为 1˚的 描得到的径向速度对”0185”过程在 5 日 17 时的风场进行了反演。由于在采用 术进行反演时对资料不进行平滑的预处理(由于 术本身具有滤波能力),但当采用不同的反演区间时,得到不同平滑性的风场。图 2 为区间长度分别采用 9˚,18˚,45˚ 和 90˚方位角间隔进行反演得到的 2001 年 8 月 5 日 17 时(北京时)的风场。从反演的结果看,采用的反演区间越大,得到的风场越均匀(如 45˚和 90˚),当反演的区间越小得到的小尺度结构越多,但是风场越凌乱。将以上的反演结果与 17 时观测的地面风相比较,可以看除在 9˚和 18˚反演中,位于太湖南侧的西南风和北侧靠近长江的东北风有比较清晰的反应,而引起上海特大暴雨的系统正是与该风场相联系的低压系统,而在 45˚和 90˚的结果中没有反应出该系统。同时在观测资料中显示的上海南部靠近杭州湾的风场辐合特征在 9˚和 18˚反演中也有体现,而在 45˚和 90˚的反演中则不明显。六、 结及讨论通过引入“按方位角均匀假定反演关系”统一了 术和 时在任意选取方位角反演区间的情况下采用“按方位角均匀假定反演关系”对 术进行了扩展,提出了扩展 术(该技术与传统 术不同的是在整个选定的反演区间上进行全风速反演,而不是仅考虑反演区间的两个端点,因此 图 2 采用不同的区间长度反演得到的风场术具有滤波性能,而且可以根据需要调整反演区间以得到满足一定平滑性并能反应中小尺度信息的风场信息。采用 术反演时不再像传统的 术需要对原始资料进行平滑,因此使用中更为方便。采用 术反演的风场清晰地描述了“0185”特大暴雨过程在 5 日 17 时的流场。通过调整反演区间的长度,可以得到不同平滑性和分辨率的风场。由此表明采用该技术可以比较准确地利用单达径向风反演全风速。of AP to 200030)to AP to as in AP on is on As a on AP It is to AP AD of 0185” in of be to 1]陶祖钰,关于 达 术的讨论。应用气象学报, :1995,109]刘淑媛,陶祖钰,从单多普勒雷达速度场反演散度场,应用气象学报,10,1999,41] A A. of of a 1986,15:1302~1306.[4]979,P., . 1979: On of J. 18,532] J., . J . in of to J. 1982,21:197]陶祖钰,从多单 度场反演风矢量场的 法,气象学报, 1992,81]白洁,陶祖钰:多普勒雷达风场反演 法的资料预处理。《应用气象学报》,000,218]I. I., 1973: of J. 12, 4599]R. E.,1979: a 62 10]. . of a 7, 2181]996),in of of 53, 18,260912]J., D. W. . K. 1991: of J. 48,87613] . 1992: A of 9, 58814]. . A of 1994, 11,57915]Q., 1994a: of I. J. 11, 27516]Q.,1994b: of J. 11, 57917]Q., 1995: of 123,18228]邵玲玲,黄炎,2002:上海“大暴雨的成因和特点。 气象 ,28, 719]杨克明,张守锋,张建忠,郭文华,2004:“0185“上海特大暴雨成因分析。 气象 ,30,520]林永辉,布和朝鲁,2003:2001 年 8 月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究。气象学报,19621]齐琳琳,赵思雄,2004:一次热带低压引发上海特大暴雨过程的中尺度系统分析。大气科学,25422]2004: of a 001. J. of 82,793图 1 当有随机扰动时 演的风场。横坐标为方位角,纵坐标为风速,单位 m/s。左:有随机扰动的风场得到的径向速度;右:线)和 线)反演风速。图 2 区间长度分别采用 9˚(a),18˚ (b),45˚ (c)和 90˚(d)方位角间隔进行反演得到的 2001 年 8 月 5 日 17 时(北京时)的风场和地面观测风场(e)。a bc de
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