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双多普勒雷达观测中尺度暴雨系统,张沛源 周海光,主要研究成果,双多普勒天气雷达风场探测的可靠性研究 从双多普勒天气雷达风场探测原理和多普勒天气雷达数据处理技术出发,分析了影响双多普勒天气雷达风场反演可靠性的内在因素.即两部雷达观测同一点的非一致性(空间和时间上的非一致性),和空间各测量点观测时间及照射体积的非统一性,以及微波在大气中的非直线传播和地球表面的非几何平面引起的坐标、定位等问题都严重影响了双多普勒天气雷达风场反演可靠性.提出一些解决办法,应用双多普勒天气雷达风场反演数据时,必须进行可靠性分析。,主要研究成果,建立了地基多部多普勒天气雷达合成和连续调整 风场反演技术（MUSCAT） 笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达三维风场反演技术,该 技术通过变分法，优化连续方程，增加空间平滑项，连 续调整风场结构，提高双多普勒天气雷达风场反演的可 靠性。提出了包括雷达原始资料的预处理,空间插值以及 可靠性检验的新方法,提高了反演结果的可信度和精确度.,主要研究成果,建立起了一套可供业务使用的双，三多普勒天气 雷达风场反演软件系统 给出了2001年7月13日安徽省全椒暴雨、2002 年7月22日23日湖北省荆州、枝城、湖南省石 门大范围暴雨以及2002年6月24日梅雨锋带上的 中尺度降水系统的三维风场结构。,多部多普勒天气雷达同步探测三维风场反演 软件系统,模块化设计思想,每个功能模块由一个或者多个类来实现,子模块制作成库/组件,提高系统的可用性,主要研究成果,通过对暴雨个例分析研究提出以下暴雨机理: 1. 回波单体的合并是形成暴雨的一个重要物理机理; 2. 回波单体的合并是在低层辐合线或切变线的作用下形成的; 3. 单体的合并首先从低层开始以后发展到高层。,Cressman插值算法,双雷达直角坐标系下反演的迭代算法,向东x轴正方向,向北y轴正方向,垂直向上z轴,(xi,yi,zi)表示第i部雷达的位置,(u,v,w)笛卡尔坐标系中空间点(x,y,z)的速度矢量,W=w+wt,粒子下落末速度wt可由粒子下落末速度与反射率因子的统计关系得到,MUSCAT算法,定义如下泛函,通过一阶导数为零,可以得到速度场,即令,MUSCAT算法,观测数据调整技术 通过最小二乘法拟合调整技术在泛函中来实现插值，避免了插值问题带来的误差(Bousquet,et al,1998；Chong, et al ,2001) Gao等(1999) ,邱崇践等(2000)也采用类似的插值方案，他们认为这种方案可以提高反演精度,避免了插值问题带来的误差,MUSCAT算法,质量连续方程最小二乘法调整项 采用如下形式,MUSCAT算法,二次微分约束项 各向同性滤波器: 滤去风场中不合理的小尺度扰动,小 结,插值算子在泛函中通过最小二乘法拟合调整技术实现,避免了将插值作为相对独立的步骤来完成所造成的反演误差,因此可以提高反演精度；,MUSCAT反演技术优点之一是采用了变分技术,三维风场的求解可以一次完成 ；,滤波算子，保证了处理过程的各向同性；,数值试验的结果和统计量表明,MUSCAT反演效果较好 ;,973暴雨个例分析,2001年7月13日安徽省全椒暴雨 2002年7月22日23日湖北省荆州、枝城、湖南省石门大范围暴雨 2002年6月24日梅雨锋带上的中尺度降水系统的三维风场结构。,一次混合性降水暴雨的双多普勒雷达 三维风场反演技术对比研究,7月22日0823日08,高空低槽和中低层切变线的影响,宜昌与荆州之间对流系统发生发展频繁,暴雨到大暴雨,降水中心:荆州:148.7mm,枝城:114.3mm,公安:93.9mm.,Can not retrieve,More smooth,反演对比结果,迭代算法（IR）反演区域较小,两部雷达扫描线夹角45135度;,MUSCAT采用变分技术,一步完成三维风场的求解， 对于IR不能反演(45135度之外)的区域反演精度仍然较高,便于全面分析三维结构;在共同反演区,两者结果比较类似;但IR数值偏大,尤其是垂直速度;,由IR和MUSCAT技术反演得到的速度场计算的散度场差别较大，IR的散度场很凌乱，由多个辐合，辐散中心; 同Ray(1980),Chong(1996a), Bousquet (1998)等结果一致,中低层切变线和中尺度气旋是这次混合性强降水的重要特征,梅雨锋降水系统三维动力结构的双、 三多普勒天气雷达对比研究,分析结果,特征：中低层较强的西南暖湿气流同西北气流 在反演区中部汇合，形成一条自西向东的中尺 度辐合线；,低层辐合、高层辐散的动力配置，也有利于强降 水的发生；,双，三雷达三维风场反演对比: 双多普勒雷达和三多普勒雷达反演得到的水平速度比较接近，但垂直速度差别较大,7.13暴雨三维结构的双多普勒雷达反演研究,天气背景,2001年7月13日受冷空气和中低层切变线影响，主要降水区在安徽中南部、江苏中南部和浙江北部。其中在安徽中南部、江苏东部和浙江北部部分地区出现暴雨，其中安徽全椒最大为104.4毫米。