单多普勒天气雷达反演二维风场的方法研究

【摘要】：我国新一代多普勒天气雷达网建设正在积极进行，山东5部多普勒雷达已建成并投入业务应用，因此，雷达产品的开发应用研究成为当务之急。山东5部雷达的风场反演产品只有VAD产品，雷达资料中包含的风场信息还没有得到充分的开发。因此，利用DOPPLER雷达观测信息，反演中尺度天气系统风场的研究，就成了近年来国内外的热点课题，它将对深入研究中尺度天气系统结构与动力学特征，以及改进天气预报方法具有重要意义。 本文在忽略上升气流而考虑粒子下落速度影响的条件下，导出了不同高度上的水平径向速度计算公式，然后利用VAP方法来反演二维水平风场，这一方法简称为EVAP法。误差分析表明：即使上升速度为2.0m.s~(-1)，仰角为20.0°，忽略上升气流产生的相对误差一般也不超过10％；当仰角为4.5°时，相对误差不超过5％。所以在对流不是很强时，忽略上升气流引起的误差是比较小的，对风场反演结果影响不大。 利用k-邻域频数法对714SDN型多普勒天气雷达原始资料进行预处理，分析了参数的选取对处理结果的影响，并根据应用中出现的问题，对该方法作了补充完善，使补测效果更加有效。主要结果为：利用k-邻域频数法除孤立点时，统计窗口的大小和k_1值的选取对结果有重要影响。在统计窗口固定时，应根据原始数据的质量选择合适的k_1值，以达到最佳效果。补缺测值时，在统计窗口一定的情况下，存在最大可补测点数，并且这一数目占总数目的比例很低。因此，在补缺测点时，k_2应取得小一些，使填补的点数尽可能多，而不必担心影响整体数据结构。另外，在补缺测值时，仅利用x_(max)对应区间的中值来补缺测值有时效果不明显，进一步利用次最大频率x_(max1)所对应区间的中值，可以更加有效地填补缺测点。 利用中尺度模式MM5模拟数据试验表明：二维双线性插值对风场结构影响较小，三维插值对结果的影响非常明显，某些区域插值后的结果变小甚至为零。另一方面是气旋性风场插值后强度变弱、范围变小；VAP法反演的二维风场，误差主要集中在切向分量，有时误差是很大的。对径向速度进行平滑滤波后，可以提高切向速度反演的精度。 EVAP法和VAP法反演的暴雨降水个例的风场结果表明：VAP法只能利用最低仰角的PPI资料反演低层的风场，由于风场不在同一等高面上，可能产生一些虚假的系统结构，因此在实际应用中要结合其它资料仔细分析。对于EVAP法，主要的一个缺点是低层风场的范围太小，不利于了解系统低层的整体风场结构。其优点是可以反演不同高度上的二维风场，有助于了解系 统的三维结构。 2003年4月17日强降水个例分析表明，EVAP法反演的风场与MMS模拟的风场相比钨第 一阶段的降水过程，二者非常一致，Zkm以上高度，均匀乒畅中存在一一条中尺度辐合线，与之 对应的是强雷达回波带;而Zkm以下高度风的辐合不明显。第二阶段的降水过程，二者相比差 别较大，850Inb模式模拟风场与Zkm.高度雷达反演风场相比，模式乒畅主要是西南风转东南风， 而反演风场主要是东南尸呀口静风区，600Inb与4.okm高度的乒畅相比，模式主要是西南风，而 反演乒畅为南偏东风转西南风。