单多普勒天气雷达反演二维风场的方法研究

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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k1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k1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,k2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xmax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xmax1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。
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