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多普勒天气雷达风场反演技术研究进展

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多普勒 天气 雷达 反演 技术 研究进展
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第 17 卷 第 3 期2002 年 6 月地 球 科 学 进 展 2002 文 章 编 号 : 1001 2002 ) 03 普 勒 天 气 雷 达 风 场 反 演 技 术 研 究 进 展 周 海 光( 南 京 气 象 学 院 , 江 苏   南 京   210044 )摘   要 : 多 普 勒 天 气 雷 达 是 研 究 中 小 尺 度 天 气 系 统 的 重 要 工 具 , 但 却 只 能 提 供 风 场 的 径 向 速 度 , 因而 必 须 通 过 风 场 反 演 技 术 来 求 解 二 维 或 三 维 风 场 。 详 细 分 析 了 各 种 单 部 、 多 部 和 多 基 地 多 普 勒 天气 雷 达 风 场 反 演 技 术 及 其 优 缺 点 , 同 时 指 出 了 应 重 点 研 究 的 方 向 。 从 反 演 结 果 来 看 , 基 于 变 分 法 的反 演 技 术 明 显 优 于 其 它 方 法 , 这 是 今 后 的 一 个 主 要 研 究 方 向 ; 利 用 四 维 同 化 理 论 , 在 数 值 模 式 初 始场 中 使 用 反 演 数 据 , 是 反 演 技 术 应 用 的 重 点 。关   键   词 : 多 普 勒 天 气 雷 达 ; 多 基 地 天 气 雷 达 ; 风 场 反 演中 图 分 类 号 : 4      文 献 标 识 码 : 勒 天 气 雷 达 能 够 获 取 粒 子 的 径 向 速 度 和 反射 率 因 子 等 信 息 , 因 而 成 为 研 究 灾 害 性 天 气 和 超 短期 预 报 最 为 有 效 的 工 具 , 同 时 也 是 研 究 大 气 边 界 层的 重 要 手 段 。 但 径 向 速 度 只 是 风 场 的 一 个 分 量 , 如何 通 过 反 演 技 术 求 解 三 维 风 场 , 一 直 是 气 象 学 的 一个 重 要 研 究 方 向 。 风 场 的 三 维 结 构 , 对 研 究 中 小 尺度 系 统 的 形 成 机 理 、 大 气 边 界 层 的 复 杂 结 构 都 具 有重 要 意 义 。随 着 我 国 新 一 代 多 普 勒 天 气 雷 达 在 全 国 的 布网 , 对 风 场 反 演 技 术 的 研 究 迫 在 眉 睫 。 本 文 着 重 分析 了 各 种 反 演 技 术 及 其 优 缺 点 , 并 对 其 发 展 趋 势 和在 业 务 上 应 用 的 可 行 性 进 行 了 讨 论 。1  单 多 普 勒 雷 达 风 场 反 演 技 研 究 现 状1961 年 , [ 1] 提 出 了 基 于 单 多 普 勒 雷达 的 速 度 方 位 显 示 ( 方 法 , 后 经 [ 2]将 其 完 善 。 法 开 始 是 在 均 匀 风 场 假 定 下 提出 的 , 以 后 发 展 到 在 线 性 风 场 假 定 下 求 解 , 提 高 了 反演 的 可 靠 性 , 可 反 演 出 水 平 风 场 的 平 均 风 速 、 风 向 、散 度 和 形 变 等 物 理 量 。 目 前 , 法 已 被 广 泛 应用 于 气 象 业 务 , 并 成 为 美 国 天 气 雷 达 ( W ) 的一 种 主 要 产 品 算 法 [ 3] 。 但 此 方 法 只 能 求 得 平 均 情况 , 其 假 设 前 提 在 很 多 情 况 下 得 不 到 满 足 , 难 以 反 应水 平 风 场 的 真 实 结 构 。20 世 纪 70 年 代 , 在 局 地 均 匀 风 和 线 性 风 场 的假 定 下 , 提 出 了 用 速 度 体 积 处 理 ( 技 术 [ 4 ~ 6 ] 求解 散 度 和 变 形 量 。 但 法 需 要 进 行 体 扫 , 计 算量 很 大 , 反 演 出 的 风 场 分 辨 率 只 有 10 不 能 满 足中 尺 度 分 析 的 要 求 , 对 于 风 场 和 涡 度 场 的 估 计 , 也 不能 唯 一 确 定 , 因 此 已 很 少 使 用 。 陶 祖 钰 [ 7] 在 局 地 均匀 风 假 定 下 , 利 用 低 仰 角 的 料 直 接 反 演 风 向风 速 , 且 需 假 定 料 在 一 个 水 平 面 内 , 这 只 能 是一 种 近 似 。 法 对 多 普 勒 速 度 变 化 很 敏 感 , 计算 误 差 较 大 , 且 只 对 均 匀 风 场 效 果 较 好 , 白 洁 等 [ 8] 用二 维 滤 波 对 原 始 资 料 进 行 预 处 理 来 减 小 计 算 误 差 。 [ 9] 根 据 对 流 大 气 的 动 力 学 特 征 给 出了 涡 度 和 散 度 的 近 似 关 系 式 , 通 过 傅 里 叶 ( 变 换 求 解 风 场 的 切 向 分 量 。 但 观 测 资 料 中 , 符 合 此模 式 的 很 少 , 难 以 应 用 。 姜 海 燕 等 [ 10] 提 出 了 涡 度 —散 度 方 法 , 采 用 简 化 的 垂 直 涡 度 方 程 反 演 水 平 风 场 。但 方 程 组 在 大 尺 度 系 统 中 才 成 立 , 使 得 结 果 具 有 一定 的 近 似 性 , 同 时 使 涡 旋 和 辐 散 运 动 被 夸 大 。“ 雷 达 回 波 相 关 法 ” [ 11 ~ 13 ] 采 用 连 续 时 次 的 体 扫资 料 , 假 定 反 射 率 因 子 的 变 化 由 局 地 风 的 运 动 引 起 ,通 过 反 射 率 因 子 的 相 关 分 析 来 反 演 风 场 。 收 稿 日 期 : 2001 修 回 日 期 : 简 介 : 周 海 光 ( 1971-) , 男 , 内 蒙 古 呼 和 浩 特 人 , 助 理 研 究 员 , 主 要 从 事 多 普 勒 天 气 雷 达 风 场 反 演 技 术 研 究 . E- m 263. [ 11] 使 用 连 续 体 扫 得 到 的 标 量 场 , 通 过 时 间 — 空 间自 动 相 关 技 术 求 解 对 流 速 度 。 在 白 天 , 气 温 在 10℃以 上 的 光 学 晴 空 边 界 层 中 , 这 类 方 法 反 演 效 果 最 好 ,若 系 统 中 存 在 快 速 变 化 或 降 水 , 反 射 率 守 恒 方 程 得不 到 满 足 , 相 关 性 就 没 有 物 理 意 义 , 效 果 较 差 。随 着 变 分 理 论 的 发 展 [ 14] , 相 继 提 出 了 多 种 基 于变 分 法 的 反 演 技 术 。 [ 15] 使 用 动 量 方 程 和 热力 学 方 程 , 通 过 伴 随 方 程 组 反 演 三 维 风 场 和 热 力 场 。它 的 主 要 困 难 在 于 必 须 利 用 一 个 完 全 的 三 维 大 气 模式 及 其 共 轭 模 式 进 行 多 次 积 分 , 计 算 量 大 , 模 式 中 的快 波 震 荡 和 边 界 条 件 都 会 影 响 反 演 结 果 , 而 且 与 反演 完 全 吻 合 的 模 式 较 难 写 出 。 吴 绍 荣 等 [ 16] 对 大 气运 动 方 程 组 中 垂 直 方 向 的 物 理 量 进 行 简 化 后 , 用 共轭 方 程 组 反 演 水 平 风 场 , 效 果 较 好 , 但 边 界 条 件 的 选取 仍 然 很 难 。邱 崇 践 等 [ 17 ~ 23 ] 采 用 简 单 伴 随 函 数 方 法 , 使 用 回波 强 度 水 平 对 流 方 程 或 径 向 风 动 量 方 程 反 演 水 平 风场 , 得 到 了 许 多 有 意 义 的 结 论 : 使 用 多 个 时 次 的 观 测资 料 能 够 提 高 反 演 的 精 确 性 , 降 低 对 观 测 误 差 的 敏感 性 ; 忽 略 弱 散 度 和 涡 度 的 影 响 , 能 够 抑 制 由 数 据 噪声 引 起 的 虚 假 细 微 结 构 ; 正 确 选 择 目 标 函 数 中 的 系数 也 能 明 显 改 进 反 演 结 果 , 但 计 算 量 较 大 , 预 计 随 着计 算 机 技 术 的 发 展 , 应 用 前 景 较 好 。 [ 24, 25] 提 出 了 平 流 反 演 方 案 , 假 定 反射 率 因 子 具 有 拉 格 朗 日 ( 守 恒 性 , 在 风 场中 涡 旋 具 有 不 变 性 的 前 提 下 , 从 多 个 时 次 ( 3 ~ 4 个体 扫 ) 的 反 射 率 因 子 和 径 向 速 度 反 演 三 维 风 场 , 实验 表 明 : 在 运 动 坐 标 系 中 进 行 反 演 , 稳 定 性 假 定 容 易得 到 满 足 , 可 明 显 改 进 反 演 效 果 , 合 适 的 滤 波 函 数 能减 小 误 差 。 [ 26] 假 设 流 体 不 可 压 缩 和 冻 结湍 流 , 用 双 标 量 算 法 从 反 射 率 守 恒 方 程 反 演 三 维 风场 。 但 两 者 的 假 设 前 提 过 于 严 格 , 不 易 满 足 , 如 何 反演 对 流 旺 盛 的 降 水 系 统 的 风 场 , 仍 然 是 一 个 难 题 。此 时 , 必 须 考 虑 凝 结 和 蒸 发 对 反 射 率 方 程 的 影 响 , 使用 单 一 的 运 动 坐 标 系 不 能 全 面 度 量 标 量 场 在 各 个 方向 上 的 运 动 , 使 用 两 个 或 更 多 个 运 动 坐 标 系 是 否 有助 于 改 善 反 演 效 果 , 也 需 进 一 步 研 究 。国 内 的 研 究 多 局 限 于 均 匀 风 场 , 适 用 范 围 太 窄 ,变 分 法 已 成 为 重 要 的 发 展 方 向 [ 14] , 国 内 的 相 关 研究 [ 17 ~ 23 ] 较 少 , 这 是 同 国 外 的 主 要 差 距 , 也 是 国 内 应重 点 研 究 的 方 向 。多 普 勒 雷 达 反 演 资 料 在 数 值 模 式 中 的 应 用对 于 雹 线 、 强 对 流 等 中 小 尺 度 系 统 的 数 值 预 报 ,困 难 之 一 在 于 没 有 足 够 的 观 测 资 料 形 成 初 始 场 , 没有 高 分 辨 率 的 气 象 资 料 , 数 值 预 报 取 得 重 大 进 展 是很 困 难 的 [ 27] 。 雷 达 资 料 有 很 高 的 时 空 分 辨 率 , 对 形成 初 始 场 非 常 有 利 , 但 径 向 速 度 和 回 波 强 度 还 不 足以 形 成 初 始 场 。 近 些 年 来 , 由 于 反 演 技 术 的 发 展 , 使得 在 初 始 场 中 使 用 雷 达 资 料 成 为 可 能 。 研 究 表 明 ,反 演 资 料 可 以 大 大 提 高 模 式 预 报 的 准 确 率 。 [ 28] 最 先 使 用 雷 达 资 料 作 为 对 流 风 暴 模 式的 初 始 场 , W [ 29] 使 用 超 级 单 体 雷 暴 的 雷 达资 料 反 演 得 到 的 风 场 和 温 度 场 作 为 初 始 场 做 预 报 。 [ 30, 31] 利 用 雷 达 资 料 反 演 三 维 风 场 , 将 其 作 为云 模 式 的 初 始 场 来 预 报 暴 洪 , 结 果 表 明 , 利 用 雷 达 资料 的 预 报 结 果 比 利 用 外 推 法 的 结 果 更 与 实 际 吻 合 ,而 没 有 同 化 雷 达 资 料 的 预 报 在 24 分 钟 之 后 的 结 果便 与 暴 洪 的 实 际 强 度 相 差 很 远 。在 国 内 , 邱 崇 践 等 [ 32] 的 工 作 已 经 达 到 国 际 领 先水 平 , 将 雷 达 资 料 反 演 得 到 的 风 场 做 为 初 始 场 对 强雷 暴 系 统 作 预 报 , 结 果 也 表 明 , 初 始 场 中 利 用 雷 达 资料 后 明 显 地 改 进 了 预 报 。上 述 试 验 都 是 试 图 将 反 演 数 据 同 化 到 数 值 预 报中 的 一 些 有 意 义 的 尝 试 , 变 分 技 术 是 数 据 同 化 的 发展 趋 势 [ 33] , 有 效 地 使 用 变 分 技 术 将 雷 达 资 料 同 化 到数 值 预 报 的 初 始 场 中 , 是 反 演 技 术 应 用 的 重 要 课 题 。2  多 部 多 普 勒 雷 达 风 场 反 演 技 术多 部 多 普 勒 雷 达 联 合 探 测 能 够 明 显 提 高 风 场 的反 演 精 度 , 有 助 于 雷 暴 单 体 、 龙 卷 以 及 大 气 边 界 层 的研 究 , 对 提 高 临 近 预 报 准 确 率 也 具 有 重 要 意 义 。双 多 普 勒 雷 达 风 场 反 演 技 术 34] 给 出 了 笛 卡 尔 坐 标 系 中 用 多 部 雷 达 联合 反 演 三 维 风 场 的 方 程 组 , 若 用 两 部 雷 达 探 测 , 则 水平 速 度 可 以 由 几 何 关 系 导 出 , 垂 直 速 度 可 用 质 量 连续 方 程 求 解 。 但 实 际 并 非 如 此 简 单 , 有 多 种 因 素 影响 反 演 的 准 确 性 , 主 要 表 现 为 : 雷 达 体 扫 采 样 的 误差 ; 雷 达 旁 瓣 效 应 和 地 物 杂 波 所 造 成 的 径 向 速 度 的不 准 确 性 ; 反 演 时 , 需 要 首 先 求 解 粒 子 下 落 末 速 度 ,而 通 过 反 射 率 因 子 估 算 是 不 准 确 的 ( 两 者 间 是 一 种统 计 关 系 ) ; 多 部 雷 达 采 样 时 不 能 保 证 同 时 获 取 空间 同 一 点 的 资 料 , 数 据 须 插 值 到 相 同 的 网 格 点 上 之后 , 才 能 进 行 反 演 ; 反 演 时 须 使 用 同 一 时 刻 的 数 据 ,这 显 然 是 不 可 能 的 , 因 为 雷 达 完 成 一 次 体 扫 需 3 ~ 5 分 钟 ; 连 续 方 程 求 解 时 , 边 条 件 的 选 择 ; 连 续 方 程 积分 过 程 中 散 度 场 误 差 累 计 , 使 得 垂 直 速 度 的 求 解 失败 等 。为 了 部 分 解 决 上 述 问 题 , 使 两 部 雷 达 所 取 得 的583 第 3 期                           周 海 光 : 多 普 勒 天 气 雷 达 风 场 反 演 技 术 研 究 进 展                    资 料 尽 可 能 多 地 处 在 共 同 取 样 空 间 , 简 化 求 解 , [ 35] 提 出 了 双 多 普 勒 雷 达 “ 共 面 ” 扫 描 方法 ( , 后 经 [ 36] 将 其 完 善 。 这 种 方法 是 使 两 部 雷 达 同 步 扫 描 一 些 过 雷 达 基 线 的 斜 面 ,共 面 技 术 也 可 用 于 数 据 处 理 , 以 简 化 求 解 。 现 在 , 很多 反 演 技 术 都 是 基 于 架 , 在 共 面 的 基 础 上发 展 起 来 的 。两 部 雷 达 风 场 反 演 的 空 间 范 围 很 有 限 , 只 有 两者 共 同 扫 描 的 空 间 的 资 料 才 有 可 能 用 于 反 演 , 两 部雷 达 一 般 相 距 30 ~ 50 反 演 效 果 最 好 的 区 域 位于 两 雷 达 之 间 , 并 且 两 雷 达 波 束 夹 角 在 45° ~ 135°之 间 , 水 平 速 度 的 误 差 是 空 间 和 风 向 风 速 的 函数 [ 37] 。雷 达 资 料 的 插 值 和 滤 波 对 反 演 精 度 的 影 响 很大 。 资 料 必 须 插 值 到 相 同 的 网 格 点 上 之 后 , 才 能 用于 反 演 , 必 须 根 据 数 据 特 点 , 选 择 最 优 插 值 和 滤 波 方案 [ 38] , 否 则 可 能 会 滤 去 一 些 重 要 的 系 统 , 甚 至 歪 曲反 演 得 到 的 三 维 风 场 。 插 值 算 法 主 要 有 双 线 性 插值 [ 36] 、 值 [ 39] 、 基 于 变 分 的 插 值 , 基 于 变分 的 插 值 方 案 明 显 优 于 其 它 方 法 [ 40] 。由 连 续 方 程 求 解 垂 直 速 度 时 , 边 界 条 件 的 选 取非 常 重 要 。 连 续 方 程 有 3 种 积 分 方 案 , 一 种 是 假 设地 面 层 垂 直 速 度 为 零 , 向 上 积 分 [ 41] , 若 可 以 取 到 地面 层 资 料 , 则 可 采 用 真 实 的 边 条 件 。 但 实 际 上 , 雷 达最 低 层 的 资 料 离 地 面 仍 然 有 相 当 距 离 , 不 满 足 刚 体条 件 , 强 风 暴 上 升 气 流 所 形 成 的 地 面 层 “ 弱 回 波 区域 ” 或 “ 边 界 弱 回 波 区 域 ” 使 问 题 更 加 复 杂 [ 42] 。 对于 下 击 暴 流 、 龙 卷 等 系 统 来 说 , 近 地 面 层 的 散 度 很大 , 用 外 推 法 分 析 地 面 层 的 散 度 是 非 常 危 险 的 。 另一 种 方 案 是 假 定 风 暴 处 于 稳 定 期 , 风 暴 顶 部 粒 子 末速 度 很 小 , 因 而 假 设 对 流 层 顶 的 垂 直 速 度 为 零 , 或 者将 粒 子 下 落 末 速 度 假 定 为 垂 直 速 度 , 而 前 者 可 由 反射 率 因 子 的 统 计 关 系 求 得 , 向 下 积 分 [ 41] , 但 这 种 假设 经 常 不 能 满 足 , 且 这 两 种 方 法 都 会 因 偏 差 ( 如 地形 影 响 ) 而 导 致 垂 直 速 度 以 H 是 标 准 大 气 高 度 , 度 ) 的 倍 数 被 放 大 , 由 于 通 过 连 续 方 程 求 解 存在 上 述 缺 点 , J [ 43] 利 用 垂 直 涡 度 方 程 求 解 , 但这 种 方 法 也 容 易 造 成 误 差 累 计 。 第 三 种 方 案 为 了 减少 积 分 连 续 方 程 时 对 垂 直 速 度 的 误 差 累 计 , 采 用 变分 法 , 将 水 平 散 度 在 垂 直 方 向 的 积 分 作 为 约 束 条件 [ 41, 44] 。严 格 地 讲 , 反 演 必 须 使 用 相 同 时 刻 的 资 料 , 但 这是 不 可 能 的 , 只 能 尽 量 缩 短 体 扫 时 间 。 对 于 发 展 阶段 的 系 统 , 其 变 化 非 常 迅 速 , 典 型 的 风 暴 , 速 度 可 以达 到 5 ~ 30 m / s, 而 一 个 体 扫 需 要 3 ~ 5 分 钟 , 此 时 风暴 可 以 移 动 900 ~ 9000 m , 这 会 给 反 演 造 成 很 大 的误 差 。 从 表 面 上 看 , 解 决 的 最 佳 方 法 是 使 用 时 间 插值 [ 45] , 然 而 由 于 采 样 点 之 间 时 间 间 隔 过 长 , 会 漏 掉很 多 小 尺 度 运 动 。 [ 46] 提 出 了 基 于 运 动 坐标 系 的 反 演 技 术 , 但 坐 标 系 的 速 度 是 由 连 续 体 扫 资料 通 过 反 射 率 因 子 相 关 法 得 到 的 , 其 缺 点 正 如 本 所 述 。在 共 面 技 术 中 由 于 采 用 共 面 柱 坐 标 系 , 斜 面 上的 两 个 正 交 速 度 分 量 可 直 接 求 解 , 垂 直 速 度 可 以 通过 连 续 方 程 求 解 , 但 笛 卡 尔 坐 标 系 中 的 速 度 仍 需 再次 通 过 公 式 导 出 。 如 果 在 笛 卡 尔 坐 标 系 中 反 演 风场 , 需 要 使 用 迭 代 法 求 解 垂 直 速 度 , 因 而 反 演 结 果 并不 理 想 , 而 且 若 雷 达 仰 角 过 大 , 粒 子 下 落 末 速 度 在 径向 上 的 投 影 分 量 也 会 增 大 , 同 样 会 对 反 演 造 成 影响 [ 47] 。 [ 48] 曾 提 出 术 ( , 通 过 欧 拉 方 程 反 演 风 场 ; [ 47]在 此 基 础 上 提 出 了 术 ( , 解决 了 算 法 中 由 于 迭 代 造 成 的 缺 点 ; 之 后 , 又 发 展 了 多 部 多 普 勒 雷 达 综 合 和 连 续 调 整 技 术( , 使 用 变 分 法 一 步 完 成 三 维 风 场 的 求 解 ,将 其 用 于 机 载 雷 达 反 演 。 [ 50] 应 用 变 分 法将 连 续 方 程 和 径 向 速 度 作 为 强 约 束 条 件 , 通 过 欧 拉— 拉 格 朗 日 方 程 反 演 风 场 。 这 些 算 法 的 最 大 缺 点 是没 有 考 虑 数 据 的 同 时 性 , 对 变 化 迅 速 的 系 统 反 演 不理 想 。3 部 ( 或 3 部 以 上 ) 多 普 勒 雷 达 风 场 反 演 技 术3 部 ( 或 3 部 以 上 ) 雷 达 通 过 合 理 布 局 , 联 合 反演 有 利 于 提 高 反 演 精 度 , 扩 大 反 演 区 域 [ 51] , 并 且 提高 系 统 的 稳 定 性 。 反 演 方 法 有 多 种 : 可 以 利 用 出 的 方 程 组 [ 34] 直 接 求 解 ; 或 先 求 解 水 平 速 度 ,然 后 通 过 连 续 方 程 求 解 垂 直 速 度 ; 或 使 用 变 分 法 将连 续 方 程 做 为 约 束 条 件 , 由 欧 拉 方 程 来 反 演 。 通 常在 笛 卡 尔 坐 标 系 下 反 演 , 以 减 少 计 算 中 的 插 值 次 数 ,降 低 反 演 误 差 。 对 双 、 三 和 四 部 雷 达 反 演 技 术 进 行的 对 比 试 验 表 明 , 它 们 最 大 的 区 别 在 于 误 差 传 播 和由 反 演 得 到 的 二 次 产 品 ( 如 散 度 ) 的 精 度 [ 41] , 当 然 高层 垂 直 速 度 也 是 不 精 确 的 。 在 有 些 情 形 下 , 直 接 估算 的 垂 直 速 度 可 以 作 为 上 边 界 条 件 [ 41] ; 为 了 减 少 积分 连 续 方 程 对 垂 直 速 度 的 误 差 累 计 , 可 采 用 变 分 技术 , 将 水 平 散 度 在 垂 直 方 向 的 积 分 作 为 约 束 条件 [ 41] 。3  多 基 地 多 普 勒 雷 达 风 场 反 演 技 术多 部 雷 达 联 合 探 测 大 气 结 构 时 , 不 能 保 证 对 空683                                       地 球 科 学 进 展                                       第 17 卷间 同 一 个 点 同 时 进 行 采 样 , 严 重 影 响 了 反 演 的 准 确性 , 对 发 展 迅 速 的 强 对 流 系 统 尤 为 突 出 , 况 且 雷 达 造价 昂 贵 , 采 用 多 基 地 ( 多 普 勒 雷 达 可 以 克 服这 些 缺 点 。 多 基 地 雷 达 的 研 究 始 于 60 年 代 [ 52] , 但直 到 90 年 代 , W 使 用 多 基 地 雷 达 系 统 进 行风 场 反 演 之 后 , 这 种 技 术 才 趋 于 成 熟 。 一 套 典 型 的多 基 地 多 普 勒 雷 达 系 统 包 括 一 台 常 规 的 多 普 勒 天 气雷 达 , 一 个 或 多 个 不 具 备 发 射 功 能 的 被 动 接 收 天 线 ,其 造 价 不 到 常 规 雷 达 的 2% , 安 装 在 与 雷 达 相 距 5 ~100 地 方 , 用 于 接 收 粒 子 的 侧 向 散 射 信 号 , 使用 原 子 钟 提 供 系 统 间 的 时 间 同 步 , 由 于 整 个系 统 中 只 有 一 个 发 送 装 置 , 这 可 以 保 证 接 收 天 线 几乎 同 时 接 收 到 空 间 同 一 个 采 样 点 的 信 号 。 系 统 的 主要 缺 点 为 : 被 动 接 收 天 线 对 旁 瓣 效 应 和 天 气 系 统 的二 次 回 波 过 于 敏 感 , 低 增 益 的 接 收 天 线 对 弱 的 回 波不 敏 感 , 反 演 得 到 的 风 场 比 用 常 规 雷 达 反 演 得 到 的风 场 的 误 差 要 大 。 对 于 旁 瓣 和 二 次 回 波 可 以 通 过 增大 天 线 增 益 解 决 , [ 55] 将 旁 瓣 效 应 指 数 作 为权 重 系 数 引 入 目 标 函 数 控 制 旁 瓣 的 影 响 ; 对 于 后 一个 问 题 可 以 通 过 增 加 接 收 天 线 的 数 目 来 改 进 。从 1995 年 底 开 始 , 麦 吉 尔 ( 大 学 和 美 国国 家 大 气 研 究 中 心 ( 在 蒙 特 利 尔 安 装 了 一 套多 基 地 雷 达 系 统 , 包 括 1 个 S 波 段 的 多 普 勒 雷 达 和2 套 接 收 天 线 , 进 行 风 场 反 演 , 同 时 为 多 尔 瓦 ( 机 场 提 供 临 近 预 报 , 分 别 用 径 向 速 度 和 连 续 方程 作 为 弱 约 束 和 强 约 束 条 件 , 使 用 变 分 法 反 演 风 场 ,效 果 比 较 满 意 [ 55] 。 但 一 次 体 扫 需 3 ~ 5 分 钟 , 仍 存在 观 测 点 非 同 时 性 问 题 。 使 用 连 续 体 扫 资 料 [ 55] , 假设 天 气 系 统 遵 循 线 性 时 间 发 展 模 式 , 将 观 测 值 插 到单 一 参 考 时 间 上 , 仅 部 分 解 决 了 非 同 时 性 问 题 。国 内 多 部 雷 达 风 场 反 演 技 术 刚 刚 起 步 , 多 基 地雷 达 反 演 技 术 国 内 尚 未 开 始 研 究 , 与 国 外 差 距 较 大 ,但 可 以 借 鉴 成 熟 的 经 验 和 理 论 , 基 于 变 分 的 反 演 技术 是 主 要 的 研 究 方 向 。 2001 年 , 国 家 “ 973 ” 项 目 , 中国 暴 雨 试 验 就 启 用 双 多 普 勒 雷 达 进 行 外 场 观 测 , 对我 国 风 场 反 演 技 术 的 研 究 是 一 个 契 机 。4  结 论 和 展 望综 上 所 述 , 雷 达 风 场 反 演 技 术 若 从 探 测 的 雷 达数 目 来 看 , 有 单 、 双 、 多 部 雷 达 反 演 技 术 之 分 ; 若 从 雷达 所 处 的 载 体 而 言 , 有 地 基 和 机 载 反 演 技 术 之 分 , 二者 反 演 方 法 差 别 并 不 是 很 大 , 后 者 需 考 虑 飞 机 的 速度 , 可 在 运 动 坐 标 系 中 求 解 [ 56] , 后 者 最 大 优 点 是 可以 动 态 地 跟 踪 系 统 , 进 而 全 面 研 究 系 统 的 生 成 、 发 展和 消 亡 的 全 过 程 ; 多 基 地 雷 达 反 演 技 术 由 于 其 优 点较 多 , 应 给 予 足 够 的 重 视 。单 部 雷 达 风 场 反 演 技 术 已 经 比 较 成 熟 , 当 务 之急 是 总 结 各 种 方 法 的 优 缺 点 和 适 用 范 围 , 将 其 运 用到 业 务 中 去 , 提 高 短 期 预 报 准 确 率 ; 多 部 雷 达 联 合 反演 要 求 比 较 苛 刻 , 目 前 只 能 用 于 研 究 目 的 , 由 于 可 提供 精 度 较 高 的 风 场 结 构 , 对 中 小 尺 度 系 统 形 成 机 理的 研 究 大 有 益 处 。 对 变 化 迅 速 的 系 统 的 反 演 , 多 部雷 达 反 演 中 数 据 的 非 同 时 性 和 连 续 方 程 求 解 , 是 反演 研 究 的 重 点 , 前 两 个 方 面 可 通 过 在 运 动 坐 标 系 中反 演 来 解 决 , 后 者 可 以 通 过 变 分 法 解 决 。 从 反 演 效果 和 大 气 科 学 的 发 展 趋 势 来 看 [ 33] , 应 充 分 利 用 物 理和 数 学 中 最 新 理 论 [ 57] , 基 于 变 分 的 反 演 技 术 是 今 后的 主 要 方 向 [ 33] 。 反 演 产 品 的 应 用 , 一 方 面 用 于 临 近预 报 和 中 小 尺 度 系 统 机 理 的 研 究 ; 另 一 个 方 面 是 利用 四 维 同 化 理 论 在 数 值 预 报 中 将 其 作 为 初 始 场 , 这是 今 后 的 研 究 重 点 [ 27] 。参 考 文 献 ( :[ 1]   R M , D. r[ A] . W C] 18 2]   A , W . J] . J 1968 , 7( 1) : 105 3]   R J, W R J. J] . 2000 , 81( 3) : 501 4]   W , H. On of J] 1979 , 18( 4) : 532 5]   R J, S Z. W M] . 6]   J, R J, R. to J] 1982 ,21( 2) : 197 7]   AP to v on J] . 1992 , 50( 1) : 81 陶 祖 钰 度 场 反 演 风 矢 量场 的 法 [ J] 学 报 , 1992 , 50( 1) : 81[ 8]   AP J] . 2000 , 11( 1) : 21 白 洁 , 陶 祖 钰 勒 雷 达 风 场 反演 法 的 资 料 预 处 理 [ J] . 应 用 气 象 学 报 , 2000 , 11( 1) :21[ 9]   S, . f A] . 24 C] . 3 期                           周 海 光 : 多 普 勒 天 气 雷 达 风 场 反 演 技 术 研 究 进 展                    [ 10]   J A J] . 1997 , 8( 2) : 219 姜 海 燕 , 葛 润 生 新 的 单 部 多 普 勒雷 达 的 反 演 技 术 [ J] 气 象 学 报 , 1997 , 8( 2) : 219[ 11]   E , Ga
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