（大气物理学与大气环境专业论文）用相关法估测cappi等高面上的水平流场.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以4 求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人威其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：车红掏 日 期：五丝b ：互立l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 垩纽氇 日 期：五舀：互。g l i i i 南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 风暴是重要的天气现象，严重威胁着人们的生命财产安全，因此，有效的估算整个风 暴c 舢) p i 上的流场结构对其进行跟踪、监测并随时发布警报有着重要的意义。利用多普勒 天气雷达资料探测强风暴并开展临近天气预报，是多普勒天气雷达作为中小尺度灾害性天 气监测工具的主要功能之一。本文基于对风暴天气的天气学特征，对流单体的一般特征及 其发展的环境条件，强对流风暴天气的雷达回波特征的介绍，详细描述了估算整个风暴 c a p p i 上的流场结构的天气学依据；然后基于多普勒雷达资料，运用相关法也c ( 缸k i n g r a d a re c h o e sb yc o n l a t i o n ) ，根据雷达在两个观测时间的数据，通过对风暴强度场反射率 因子作相关分析来估测其c a p p i 等高面上的水平流场结构，以此预估其移动趋向，从而外 推整个回波场的运动。该方法对非相干雷达特别适用，同时也可用于多普勒雷达( 其它方 法运用多普勒雷达资料作风场反演时大多得不到c a p p i 上的风场或者效果很不尽如人 意) 。从雷达回波强度的连续变化，可以看到云团随风的移动，即雷达回波强度的空间变 化包含了风的信息。特别在短时间间隔内，云团的变化主要来自风的推动。可以将这一信 息用于风场反演。经输入台风、暴雨、晴空边界层的个例试验，结果表明有助于短时天气 预报。在汪c 用于晴空回波时，根据当地实际情况通过适当改动相关系数的阀值可以消 除杂波产生的t r e c 矢量的干扰。 估算整个风暴c a p p i 上的流场结构算法的工程设计，是在相关法匹c 的基础上，做 出一些适当改进，如数据平滑处理，误差订正等，运用v c + + 开发环境，使用统一的基数 据( a r c h e ) 和产品格式，方便区域大范围的雷达拼图和联防。 关键词：水平流场，相关法，c a p p i 等高面。 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t 队c t t h eh n p o r 衄tw e a m e rp k n o m e n as u c ha s t y p h o o n ，r a i l l s t o ms e d o l l s l y 恤e a t e n e dp e o p l e sl i f ea n dw e a l 恤s o ，e s t l m a 恤g 商c i e n t l ya l lt h eh o r i z 。删 s 订e 黝l i l l eo f s t o m so nc a p p ic a nb eo f 掣e a ti m p o r 锄c ef o r 由r a c k i i 】舀s u p e r v i s i n g 粕d p u n i l l go u ta l a ms i g n a l so fs t o 肌o n eo ft h em a i nf u n c t i o l l so fd o p p l e rr a d a ra s d c t e c 恤gm i c r o w e a 血e r 明dm e s o s c a l ew e 抽e ri su s i n gr a d a rt 0d e t e c ts 们n gs t o ma r l d t om a k ef o r n l c o m i n gw e a 血e rf o r e c 邪t t h i sa n i c l ei n t m d u c e dt 1 1 e5 y n o p t i co fs t o r m w e a 廿l e lt h ec o m m o nc h a n | c t e r i s 廿co fc o n v e c t i o nc e l l 蚰d 沁d e v e i 叩i n gc o n d i t i o n ，t 1 1 e r a d 缸e c h o e so ft h ec o n v e c 廿0 ns t o r ma n da l s oi ts 蝴a r i z e d 血ew e a n l e rg i s tf o r e s t i i n a t 崦m ew h o l es t o r n lh o 血o n t a ls 仃e 眦l i n eo nc a p p i sa i c l eb a s e do n 也e m e l h o d 也c ( 眦k i n gr a d a re c h o e sb yc o 圩e l a 廿o n ) r e q u m g 曲r i n a t i o n 丘d mo n e s i n g l er a d a ra tt w od i 丘h e n to b s e r v a t i o nt i m e st oe 甜m a t eh 耐z o m a ls t o r ms 订m l i n e f i e l do nc a p p i ，锄dt h ee n 矗r ee c h of l e l dc a i lb ee x 订印o l a t e d f 0 ri tu s e dr e n e c t i v i 可 i n t e n s i 哆o fr a d 鸥t h i sm e 也o dc a l ln o t0 n l yu s e do nc o l o nr a d a rb u ta l s oo nd o p p l e r r a d a nt h ec o n t i l l u j t yc h a 工1 9 eo fr a d a re c h oi n t e i l s 时s h o w st h ec l o u dm o v e sw i 血t h e w i l l d t h i 5m e a n s 吐l a t _ 【h ec h 如g eo fr a d a re c h oi i 懈l s 时c o n 恤m st h ew i n dm e s s a g e e s p e c j a l l yi ns h o r tt i i i l ei 1 1 t c r v a lt h ec l o u dm o v i n gw a st h er e s u h 血a t 伽ew i n dd r i v e si l si n f o r n l a t i o nw a s 吼p o 眦吐f o rm e r s 崦1 i n d 如l d u s i n gt r e cm e m o do n 卯h o o na n dr a i n s t o 眦，t h er e s u ns h o w sm a t “、v a sh e l p f u lf o rn o w c a s t i l l gw e 砒盯 f o t e c a s t w h e n1 】s o do nc l e a ra i rb o u n d a r y ，t h ee 丘色c t so fl a 礓e 鲈o u n dt 嘴e bc a nb e c o r l 仃0 1 1 e db y 喇l l s t i l l gm ec o 仃e l a t i o nc o e 伍c i e n t 廿1 f e s h o nb u ts m a l li s o l a t e dt 鹕e t s a r en o ts oe 8 s n y 仃e a t e d w ed e s i g l l e dt h ea i g o r i t h mw i t 1 s u a lc 抖6 oa d v a n c e dp r o 铲锄1 a 1 1 9 u a g eo n w i n d o w s2 0 0 0o rw m d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m t h ew h o l ea 培o m h md e s i 础g b 豁e do nt r e cm e 血o d 如dm a d ea1 i t c l ei i i l p m v e m 肌ts u c ha sd a 协f l a 协e s sp r o c e s s i n g ， c r e s s m a l lc o r r e c t m ga t i ds oo n k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls 订e 锄l m ef i e l d ；c o r r e l a t i o nm e 也o d ；c a p p i 2 南京信息工程大学硬士学位论文 第一章前言 随着多普勒天气雷达获取的回波信息( 包括强度、径向速度和速度谱宽信息) 与有关 天气现象之间的差系的认识不断深入，人忙需要对上述信息作进一步加工、计算和处理， 使之更加符合气象业务工作的要求，而计算机技术的迅猛发展又使这种需求成为可能。其 中基本数据产品是多普勒天气雷选系统的基础，它主要将雷达以各种探测方式获取的数据， 在不改变属胜的前提下，在多种不同的坐标上显示出它们的分布情况。这些产品具有实时 性强、直观和形态特征明显等优点。在多普勒雷达资料应用方面有一定知识和经验的业务 人员有时可以从这类产品中，直接识别和分析出一些重要的天气现象。这类产品中有平面 位置显示( p p i ) ，距离高度显示( r h i ) ，等高平面位置显示( c a p p i ) ，任意垂直音i 面显示 ( v c s ) 和垂直最大回波强度显示( c r ) 等。 本文利用回波强度资料，主要运用相关法估测c a p p i 等高面上的水平流场结构，以此 预估其移动趋向，从而外推整个回波场的运动。下面简要介绍国内外雷运气象学家和气象 工作者运用数字化天气雷达在追踪回波移动趋向，和p p i 上反演风场领域的研究、发展和 实际应用。 1 1 国内外风暴追踪的研究 自七十年代毗来，国内外雷达气象学者在用数字化雷达探测强对流天气领域做了大量 的工作，提出了一些针对强回波体的匹配、追踪和预报的方法。首先出现的是基于二维反 射辜因子场的一些算法他们没有更多的考虑风暴的立体信息只是对平面上的反射率因 子资料作处理。r i l l e h 碰且e ( 1 9 8 1 ) 1 1 和a u s i n g l ( 1 9 8 5 ) 口】利用模式识别法匹配相邻时 刻的强回波体，然后再外推随后的运动情况。但这种方法的不足是无法精确判断出回波的 强度，而且这种技术在二维场中完成，无法计算回波顶高等有关表达风暴立体结构的关键 信息。李力、汤达章( 1 9 8 9 ) 翩提出的用矩不变量法跟踪强回波，其基础是回波发生平移、 旋转、放大和缩小时，矩不变量有较好的保守性，但在回波合并和分裂时误差较大。胡雯 旋转、放大和缩小时，矩不变量有较好的保守性，但在回波台并和分裂时误差较大。胡雯 3 南京信息曩程大学硕士学位论文 ( 1 9 9 1 ) 【4 j 则考虑了使用模糊聚类法把强回波区进行聚桊分析，即把特征相似的回波聚为 一类，滋行耜邻辩弱回波疆配嚣作岁 攉预攮，该方法静准稳住在穰大瑕度主莜赣于聚嶷因 子的选取。1 9 9 1 年刘黎平”1 以面积较大的回波块作为研究对象，在= 维c a p p i 中计簿嚣体 的中心、露积、平均强度等，然压按照大面积匹配大蘑积、强回波匹黻强回波，并规定最 大移速的藤剜实现强基波瓣箍踪、颈掇，称之为二维斑心鼹踪法。 1 9 8 2 年a u s i n 和b e l l 。n 等人提出了三维的矩心跟踪法n 他们认为每一个风暴单体都 具有三维盼立体结构，先计算与之相应的物理量，然聪才考虑对相邻对剡风暴的匹辩以及 追踪预报簿处理。r 。s 融l 如( 1 9 8 7 ) 掰，m j 。h l d i x o n a 珏dg e r ! y 瑚e n e f ( 1 9 9 3 ) 嘲，攒艳 娇( 1 9 9 7 ) 唧等人对这一方法又作了进一步改进和应用。在r o s e f e l d s 的方法中，使用反射 率因子描述并识别了一个风暴，其跟踪技术是利用翦一对刻斡拐始速发矢量预报下一瞬刻 风暴的使麓，然后在下糖翔比较与预缀往置之阉酌荚露以实现匹配，僵该方法没有考虑 风暴的分裂和合并；在m 姚l d i x o n 圳h c 的方法中，使用的是直角坐标系，他们引入了描 述风暴状态特征量g ，嚣没毒使用翅始逡度，圈时透过慰风暴形状静几何攘理来处瓒最器 的分裂和枯并；肖艳娇的方法则是在极嫩标中运用了上述理论，但道两种方法都萋谶行复 杂的矩阵运算，同时对风暴形状因子的掇取和利用也脊待改进。 垂，卡每婕越来，w s r s 8 d 系绫城器产品系巅冀法在全美醚粼弛d 馥务系绞审广 泛投入了使用，取得了较好的效果；当然，用户在使用过程中也发现了一些不足之处，如： 当出现的风暴数目较多、风暴的移动不舰则以及风暴出现了交叉和台并时，匹配以及预报 耩麦不够。援挺爱户夔爱镶意觅，醚8 鹅# f ( 1 9 粥) ，a 髓疆w i 毽d 置t j o 强s 托( 1 辨3 ) 对该算法做了很大的改进，我们称之为改进的强中心跟踪法。 杨引明f 1 2 1 、李伟等人从业务应用的角度出发，充分借鉴了前人的研究成果，并结合 近，l 年寒w s & 一8 9 d 震声反馕楚意觅，对届楚多摹体菇黎系统慕霹毂滋於强中心羰熬法， 对带状风鼹系统通过线性和曲线两种拟含方法来实现风暴的跟踪及预报。 胡胜【1 ”( 2 0 0 0 ) 利用三维矩心跟踪法和交叉相关法，探测了风暴的识别跟踪，与冰雹 静囊溺，游开发窭供耱甏濑鑫气象楚馊掰麓霉这较罄 4 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 国内外风场反演的发展 最旱在2 0 世纪6 0 年代由l h e n n i t t e | 1 5 】等提出了在均匀风假定条件下，向径向风场反演 出平均风速和平均风向的速度方位显示( v d ) 方法，经过b r o w n i n g 等【1 6 】的进一步完善， 在风场线性分在的假定条件下求解，提高了反演的可靠性。但是该方法只能求得p p i 上平 均情况，通常用于计算水平平均风速的垂直廓线，其假设前提在很多前提下得不到满足， 难以反映水平风场的真实结构。e a s t e r b m o k 【1 7 】及w a l d t e u f e l 等 1 8 】在局地均匀风的假定条件 下，先后提出了速度面积显示( 、a i d ) 方法和速度体积处理( v 1 ，p ) 技术。v v p 方法是 将线性模式应用到一个小体积内的单多普勒径向速度，估计出局地的散度和形变。但是对 风场和涡度的估计，用v v p 技术不能够唯一地确定。r a b i l l ( 1 9 8 0 ) 等和t h o m a s ( 1 9 9 1 ) 等对于非全方位均匀采样情况分别提出了复数展开的r a b i n 算法和函数展开的t h o m 算法。对于含有二阶谐波项的线性风场，t h o m a s 算法较为适用：对于不含二阶谐波项的线 性风场r 且b i f l 算法对采样范围要求更小，适用性更强】。s r i v 嬲t a v a 提出了e o 算法后 对其改进口2 可以得到较佳的水平散度和垂直速度两个物理量。k o s c i e l n y 等口3 1 在局地均匀 风和线性风场的假定下，提出了简化了的速度体积处理( v v p ) 技术，求解散度和形变量。 但v 1 ，p 方法需要进行体扫描，计算量很大，反演出来的风场分辨率只有1 0 k m ，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，因此在中尺度气象研究 和超短时预报中至今未得到实际应用。l a r o c h e 等口4 】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，通过傅立叶( f o u r i e r ) 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。 陶祖锯( 1 9 9 2 ) 口5 】在假定相邻方位角风矢量相等的前提下，从低仰角测得的d o p p i e r 速度随方健热分布的癣线发演最矢量殇，建褪钰提出的这静反演最场傣感懿速度方位处理 ( v a p ) 技术对于多酱勒德度变纯缀敏感，计算误差较大，且只对均匀风场效果较好，自 洁等( 2 0 0 0 ) 用二维区域滑动低通滤波方法对原始资料进行资料预处瑷来减少计算误麓。 醑究表明，、德p 方法反演袋矮效果蔌裁于蚕凑原始资攀毒中鼹中- ( 及爨上) 尺度的风强健 怠过滤出来，以消除中叫尺度( 及以下) 熙场信息对戚演结果的影响。经处理过的数据可 5 南京信惠王程大学硕士学位论文 清晰地眨演如中b 尺度系统。陶祖钰( t 9 9 5 ) 2 7 - 2 ”对o 技术进行了扩展提出了整嘲三 等分孙，a d 、半嚣￥国( 鄹搿船) 技术冒避一步获褥甏遮挡描范蛋内燕予大尺度风璐在不 同方向差异的信息。陶祖镊【2 9 1 还讨论了v a d 技术在提取背景风场的散殿过程中存在的不客 观的成分，提出的对称v a d 方法即使存在大范围缺测点晦情况下，仍然能够比较客嬲地计 算密风瑶豹教度。 吴绍荣等提出了鬻达p p i 平面上的“平面同化殿演( p a r ) ”方 蠢，将空间上的三维 问题简化为平藤上的二维婀题，用p p i 翘撼资料反演= 缝风场。模拟资料和实际资料的反 演试验表骥，其初步结豢是可喜嚣，毽边界条律的选取仍然匿难。姜海燕等8 1 提出了满瘦 一散度方法采用简化的蠛直涡度方程度演水平风场。假方程组在大处废系统中才成立，使 得结果其糍定的近似性，慝时使涡旋靳辐射运动被夸大。他们的个例硬究表明，涡度一 散度方法反演出的水平风场能够摄好的髂释回波单髂鹃分裂和演变机糊。 随着焚国的n e x t r a d ( w s r 一8 8 d ) 于1 9 9 2 年开始在众国布设组网以来，但多普勒三维 风场反演方法研究取德系列的进展；我国随着e i n l c 躺霉迭站鼹在爨内斡布熹建设，运方 西的工作邂步受瓢国肉霄荚研究人员魏胬度重视。育入已经采霜向薪同仡或伴随公斌麴方 法，解完众遥动方程。l i o u 等旧提出的向前同化的过程是由径向速度插值、统计风订难、 热动力学变量戆动态反演鄹模式预测缀成。运动方程用予翦岛鲍时间积分，两不是雳于谖 整初始的波束切向上的速度分量。s u n 等p 3 1 和k a p i t z p ”提出了菲流体静力的数值模斌遇近 反演方法，他们利用最优控制理论的方法，调整初始状漆的变量使得观测值与模式预测值 黔差异簸，l 、，从动量方程霸热魂力方程孛解塞三维风都热力场。边雾藤瓷辩和未知的强追 项也被赫瑕为控制变量。这种方法的优点怒模式动态谯和观测僵两者总是恢复到初始状态。 然而，由于是在模式方程的格点上进彳亍计算的，在前向模式积分的起点可以推测存在微小 鳇“震荡”。尽管扶原理懿角度看整个模式遥近过程可越是最；1 人注霉瓣，毽是其巨大戆诗 算需求在现阶段限制了这种方法在业务中的应用。基于简单预测方程的但多普勒反演伴随 公式也在研究之中胁州。大多数这类伴随方法的工作集中在从反射率羊口或径向速度守恒方 程反演连续瓣平均承乎遮发塌。毽是逮旗方法对鼹疑谈莲l 卷敏感，冀审数据噪声葶l 怒缝 虚假静微小结构也不容忽视，同时为了使评价函数最小，这些搜索过襁常常在计算上付出 6 南京信息工秣大学硕士学位论文 高昂的代份。 与上述方洼稷爱辨蓑鍪 谗涟菱演技零毫有丸迸箭了研究。8 j 饰e n 等溺夔誊了平 流反演方察，假定反射犁因子具有拉格朗园守恒性，在风场中涡旋具谢不变性的前提下， 从多个时次的反射率因子秘径囱速度爱演三绻风场，试验裘鼹：在运动坐标系孛进行发演， 稳定楚霰患簿易褥至t 满是，霹臻显羧滋葳演效果，台逶辩游渡丞蒙能减小误差。瑟勰g 等p 奎j 在平流反演方案的基础上，经过进一步究祷，提出了参漪运动坐标的但瘳普勒风场度演方 寨。反演方瑕经鑫反射攀守选方程积菇矢赞场与几个时次斡风矢量径 赶多 耋之闻煞芙寒组 成，形藏个箍萃戆线瞧系绫。参考运裁艇稼懿速度牛棼为西渡系统鏊平均平流速度，经过 3 4 次迭代运算，方程组就快速收敛。他们对一次实测微瓣锋资料4 个时次的体扫进行了8 次不露条停豹数蕊试验，耀篾一时阕懿敢多普勒雷达溉测蜜辩援验。结暴表鹱，速度方使 势差戆平盘籍绝对误差巍0 0 2 ，筠方壤谈蒜舞l 。弱，空阕辐关系数这戮毡7 7 。馥婶i 等i 螂 假设流体不可压缩和冻结湍流，用双标擞算法从反射辫守恒方程反演冀维风场。但两者的 假设兹掇适于严终，不爨瀵是，燕馋爱演对滚旺盛的酶承蒸统兹最场，仍然是一个禳磁。 既霹，赫籁考虑凝结彝蒸发对反莉率崧稷的影响，馊翔单一嚣运动受耩蘸不能全面魔鬣标 量场在备个方向上的运动，使用两个或戳移坐标系是荫谢肋于改善反演效果，也需避一步 硬究。 君柴又出现了多帮雾罄勒雷达风场凝演技术曲e r m i t t e 等辩瓷赉了鞭多普蓊蓄这“共 面扫描方法( c o p l n ) ，厢经m i l l e r 替将其完善。这种方法是使潮都雷达同步扫描一 些通过耋遮基线戆崧嚣，共蕊技末也可以熙于数据，毁楚键：求蘩。现在，稷多反演技零器 是基于船m i l j o 框架，在装面授术的基础上发展起来。值嫩两部雷这风场反演静空篙澈潮很 有限，只肖两者共同扫描的空间的资料才谢可能用于发漓，而且，严格的讲反演必须使用 裙霹对荆的瓷精。毽这是不两能骰刭醵，哭雏尽量缭缝体捂箍怼羼；黠予鬏震酴段豹系统， 箕交纯嚣常迅速，典型鲍风暴，速度可以迭到5 3 0 i n s ：衙一个体扫器嚣3 5 分钟，此时风 暴可以穆劫9 0 0 一9 0 0 0 m ，邀会给反演遗成很大的误差。筑有3 部或3 部以上雷达通娥合理 悫羼，联合反演奏鞋子褥越反演耩发。经是多罄霍遮联含探溅大气维梅霎孛，苇能保诞辩空 间同一个煎同时进行采样，数据须播值到相同的网格患上之后，才能避行反演，反演时须 7 南京信息工程大学硕士学位论文 使用同一时刻的数据，这显然是不可能的，因此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。所以不适合实际业务应用，现在在业务应用中 还是以单部雷达反演风场。 1 3 问题的提出 从前面的引述可以看出，不同角度考虑关于风暴跟踪，风场反演的算法，其优点和局 限性也各不相同。国内外的研究发展表明，这些风暴跟踪方法都能够跟踪各个风暴的运动 路径，但是没有给出周围整个回波团背景的移动趋势，而且在跟踪因子的选取及其阈值的 确定还有待于改进，因子在算法中的作用有赖于大尺度天气背景的变化。上述反演风场的 各种方法都是运用多普勒雷达风场资料在低仰角p p i 上所作的研究。 本文借鉴s m y t h e 和z r n i c 1 的雷达回波相关法( 它是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运动引起，通过反射率因子的相关分析来反演风场( t r e c “视 在”风场) ) 。通过对风暴强度场反射率因子作相关分析来估测其c a p p i 等高面上的水平流 场结构以此预估其移动趋向，追踪回波移动。该方法能够得到整个回波的移动趋势，为风 暴追踪提供了一个大背景运动趋势。同时该方法利用回波强度因子得到c a p p i 等高面上的 水平流场结构( 即t r e c “视在”风场) 对运用多普勒雷达风场资料在低仰角p p i 上所作的 风场反演研究方面来说有着积极的辅助作用。因为目前运用多普勒雷达资料所做的风场反 演大多还得不到c a p p i 上的风场结构或者效果不太理想，在实际业务中得不到很好的运用。 该方法在c a p p i 上得到的结果还是让人满意的。同时由于该方法利用的是强度场反射率因 子，没有用到多普勒风场，因此对某些不具备多普勒天气雷达( 只有常规雷达) 的地方有 很好的利用价值。以微型计算机上广泛使用的w i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统，v i s u a lc 6 0 “。 为开发环境，借鉴相关法的思想，编写了程序。 1 4 主要研究内容 论文由三部分组成 南京信息工程大学硕士学位论文 第一部分介绍了风暴的天气学特征。概述了估算整个风暴c a p p i 上的流场结构的天气学依 据。 第二部分介绍了对雷达资料进行预处理的过程 第三部分介绍了本文用相关法估算风暴在c a p p i 上的流场结构的主要算法思想。 第四部分实例分析 第五部分介绍了t r e c 的下一步计划方案 9 南京信息茗糕大学硕士学位论文 第二章风暴的天气攀特征 风暴。熄在特定的大气环境中发展越来的强大的对溅系统，环境场箍重要特征是强位 势不稳定和强垂直最韬变，在这释环境中，对漉获得充分发震，菇避行缀缓诧，形袋纛大 而高耸的积雨云体，并稳定地维持较长时间，从而构成对人类活动的威胁。 2 。 辩流单体蘸一簸特薤及英繇壤象弗 对流天气云系中，可识别的对流单体，其尺度可从l 一2 公里的积蠢塔，一直到几十公 里静甚至a 嚣公里戆狠蓑蠢系，对滚肇体发震强弱及箕穆惫咎速彝震强繇壤懿热力纛动力 关系较为密切。 2 。1 。1 对漩蕈傣麦震的三个除段 根据蠢中盛行的垂童遵度的大小和方向，可把单体的生命史划分为晨个阶段( 图2 1 ) 在这三个阶段中，雷达回波强度、径向逸度分布及增长方式都有明显麓别。 勰鼍 冀孥鞠舔翟驴 ； l 鞘 图2 1 对流单体发展的三个阶段：积云阶段、成熟阶段和消敞阶段 拣云输段。在获云蹬毅，云孛大气圣棼佟上舞运动，主舞速度一敷夔离凄增翔，势藏赢 到这个阶段结束。这种上升气流主要由局地暖空气的正浮力或低层辐台引起的，此时上升 l o 南京信息工穰大学硕士学位论文 中生成的越漉、水流或霎越譬降水粒子被土 气流托往不会降到地匿。卷痰溥或雪芯达到 一定天小擞是浓度越，戆爵蕤棱雷这探溺剿嚣鑫现蓊始避波。西渡竞戳蠢主增长为主，涟 到3 0 商庶厢，向上增长撼缀，向下增嵌迅速加快，但回波不及地。在邀阶段，雷达潮漩 强度中心一般在云体盼中上帮， 鼗熬阶段。在对流蕈体戆藏熬酚段；器两大气垂袁避动静主要特锾怒牵下帮霹对存在 上升气流芹口下沉气流。当黼最初从云底降落时，就是成熟阶段的开始，w 以认为雷达嘲波 及她是对城攀俸或熬除段的开始。 溃鼗簖段。当薄隶茇鼹歪g 整个对漉蠢体对，下沉气流遁灏犷震到凝个云倭，上爵气流 源地消失，避时对流单体就处于消散阶段丁。从雷达回波上看，回波强中心高度迅遵下降 鹫缝瑟附避。回波垂壹商发遮速降低，隧浚强度减弱，辨分裂濮失；一个典型戆对流摹髂 的发曩藏熟釉滚教输段备经历1 5 以。势钟，p 箕喜熬生命史终在4 5 分钟副l 小对。攀实 上，自然羿中往往不是一个孤立的对流单体，紧靠着它的对流云仍在发腿。有时一个麟体 班达成熟。鬻曩一个单钵述娃子囊生发展除最，两且娃予成熟蹬段和濮散除段懿单俸内鹃 下沉气流搿引霆的低层辩9 扩展的冷褴气流，还可能越发肇体运动前方形成薪生单镩。所 以从宏观澍，整个积雨云羰包含了几个单体，其生命周期可以维持数小时之久。 2 。 。2 鬣簿滚嚣委发溪辩焉逢琢囊黎搏 有利予鞭对流发展的髑地环境条件包括；热力稳定艘，水汽垂直分布和垂直风切搬三 类。 熟力稳定度条件。高艨的冷空气配以低层的暖湿空气构成强对流性不稳定，有制子强 对流天气的缴展。根据气块法，上升气流的速度受到上升气流与周围环境空气温差( 趟漱) 豹影魂，嚣统诗，套饕粪型驰簿霉蛙嚣强对流天气豢与5 0 镦译a 凄土4 蘸瓯上魏超溢辐簿， 对流不稳定性越强，越有利于对流发展。 水汽条件。雹暴内部禽膏大量的水分，这些水分大都嘲上升气流从大席毛低层f 越上输遴 戆，瑟激穗爨形燕子诋屡骞滠著或强寒汽辖金莲。醑窥裘冁，超级萃薅鞠多萃薅雹云熬形 成要求比孤立单体雹云有爨大的低层水汽含最。雹云内降水物过量累积可能造成上升气流 l 南京信息工糕大学硕士学位论文 发展的障碍，这是因为降农物降落在暖区时盼拖曳下抗晕雨滴蒸发降温依用。 最器爨巅讶交条俘，辩论是最蠢垂巍讶变还是强遗瓣童镯交，或蔼者兼蔼有之，都鸯 利于对流天气的加强和维持，并形成右偏移动的强对流风器。 统计分析表踞，环境水平风向、风遴疆壹切变的大小和形成风暴的强弱相关。匿2 2 是掬拿大黼尔倍塔地区兰种不同类型雹黎斡典型忍爰瑞遣线蓬。圈中表嬲，多革体风黎和 超级单体风黎在整个对流屡中。其风向风速的垂直切变相近，表现为膏缎织的，风速随高 度加大，风向随高度右转趋势，两云底以下低层水平风藤赢切变有差别。孤立单体风爨则 是无序静，量变亿较小。所殴疆麴对漉壤风切交对于强辩流天气的产生怒毖要的，毽8 否 产生稳定而强列的超级单体风暴的更重要的因子是低层兹中大气和环境大气的相对运动情 凌。 i 1 8 0 -1 8 0 ；z o 且堪理蝗1 、l o2 03 0q 风暴移向 ”孤立雌体风暴 2 ) 麝单体风暴0 ) 超级单体风暴 鹫2 2 不藏类塑菇爨懿典型菇矢漆连线垂 2 2 强对流风暴夭气的雷达回波特征 按强瓣流风暴天气戆嚣这回波结构特征，可敬分麓攀个革薅菇爨、多攀体风暴、超级 单体风暴三旋。 2 。2 。 擎令擎舔鼹泰 所谓单个单体风暴，是指在其生命史中，只有一个孤立的单体，由于它主要发生在一 个气团内部，也称气弱风暴。这耱风暴经裳出现在巧境大气风速较小，农平最垂蛊甥燮，、 且风矢端连绫杂乱无章酌情况下。云中的上升气流比较熊直，最大上井速度约为1 5 n 以左 1 2 南京信息五褪大学硕士学证论震 在，东平尺嶷为s l o k m ，舷食史一般势! 吨小时，出现强降水或小冰氆的时闻约为5 一1 0 努镑。 单个撼帮体风暴的回波结构有三个特征；( 1 ) 出现初始阐波的高度较蹴，一般6 9 k i n 之 趣；( 2 ) 强回波中心僮一般犬予5 0 d b z ；( 3 ) 鞭中心赝在憨壤蕊，一般在l o 的毫度发右。 在撵嚣这类髋器簿，豫密糖注意致土三意并，可敬痘薅蠡童黍禚液态永禽璧( l ) ，缝合 反射率( c r ) 产品来帮助t 5 别。当l 值较大，c r 中的展大回波强魔值太且所在潜艨高 畦，可以裙步 淡鸯是产生强草体回波臆爨敬鐾要特征。 2 2 2 多单体风暴 多攀体熙暴又称鸯笈合草谁最萋+ 鬯是盎一夺演变饕斡摹体系鞠缀残躲。瑟宅毽禽饕 几个处予夺简发展阶段的单体，灾害性氧气( 如冰雹、黎雨、下击纂流、大风莓) 发擞在 其中发展成熟的单体下方。通常在多单体风暴右下侧不断有新的单体产生和并入，并糕风 器建帮缝续嫠震趱强为主要戆葶藩，两暴采躲老摹体在爨一德藏曩溃彀。每 l e 分钟赣 新单体形斌然后发展戒熟、消散，维持2 0 q o 分钟，一个典型多单体风器的生命史w 由 3 0 个或以上的单体形成。 萎嚣多革露最暴一般都燕在孛强垂宣藏镄变黎瞎瑟下茨曩莛来懿，爨癸箕云下气矮髂 风速较小。菸三维结构一般是，环境大气的风垂直切交不明显，上升气流没有因风切变产 生斜升气流：并且上升气流速度不大吏撑不住降水燃点的下落，柱低层无弱回波区 ( w e r ) ，藏箕霪渡疆霹熊套禳嘉，毽薄遗覆造成鳃灾害不严重。 2 2 3 趟绒单体风暴 怒级攀倦燕蒋舂蒋隳精掬兹强戴爨，在云滓馥中下屡，霉这罄浚强震翁瘩芋晨凄可 达几十公擞，维持的时阐w 达几小时，常伴有强风、局地媾雨、冰雹、下击暴流，甚黧她 卷。这种风暴中卷伴有较深厚的中尺度气耀，此外风暴述聂著地偏向勰塑风的右方移劫， 天稼塞移臻风纂。超级攀髂风暴静囊怠藏鑫释务襻蕊簧达霹渡帮疆凳褥镊，旅据对瀛蛙降 南京信息王程大学硕士学位论文 水强度和空间分布特征可以进一步对越级单体风暴进杼分类。某些越级单体风暴几乎没有 产生降水，毽寿显著静旋转特征，这类怒级肇 摹风暴称为弱酶东( 冲) 超级单藩风嚣。在 超级单体风暴族中有另一种风暴，能够在其中气旋环流中产生相当大的降水，这类超级单 体风暴称为强降水( 璎) 超级单体风暴。在上述两个极端之闻，还存在经典( c l 觞s i c ) 超 级单律藏黎，鄯传统超缀单体最暴。 超级单体产生的典型局地环境是：( 1 ) 大气层结强烈不稳定，在5 0 0 ”a 处热浮力超过4 ，但在形成超级单体黼在低屡常俘露浅薄的逆温屡。这有利于不稳是能量的积累 ( 2 ) 风 速的垂誊切变攫强，平均可这5 lo 3 左右，风随嵩旋强烈顺转，霄超过9 0 4 ；( 3 ) 云髂 下低层的环境风速较强，平均达1 0 州s 藏右( 这是与多单体强风暴环蟪条件的主要匿别) 。 超级攀体的回波结构与不霹高度上的回波特征如下；( 1 ) 风暴是革腿绻梅，典型的水平 尺度弱心o 妇l 长，1 2 1 5 融n 宽。在中离耀，雷达观测劐的云砧回渡位子回波主体下矾方伸 展达6 0 一1 5 0 k m ，野外砧状云伸展达1 0 0 3 0 0 k m ：( 2 ) 襁中层，超级单体前进方向的右侧有 一个持久的有器弱回波睡( b w e r ) ，水平足度约为5 一1 2 k m ，这个霄器弱回波区 审鼹到风 暴高度翦二分之一蜀三分之二，其宽醚随离度减少；( 3 ) 最强的雷达豳波强度出现在b w e r 区左侧，最大的回波强度梯度区紧靠在b w e r 区的左侧，包括大冰雹强内的强降水或强风、 下击暴溅簿就发生在这璧；( 4 ) 在低层，融蘸畏l 不到b w e r ，侄仍存在w e 恧虽遥在中 层有界弱嘲波区域位置的右侧，可以探测翻一个呈钩状的附属物，静钩状回披：由于环 境风的强藏宜切变，使超级单体强风暴不同高度最大回波强度的平面位置位于有界弱回波 区中，箍晟紧靠低屡最大强度戆边缘。 2 2 4 几种常见的风暴天气现象 多警韵天气霉运戆蹶理是列霜运韵粒子对霉迭发麓波柬爱射豹频率与发羹孛频率熬羡僮 一多普勒频移与粒子的径向( 沿雷达波柬方向) 速度成正比的性能，来探测云中气流避动。 多普勒天气雷达探测提供三种基本资料：反射率因子、裰向速度和速度谱宽。所以多瞥勒 天气謇这零仅镜捷供云搭爱瓣懿疆疫耧分毒，还女l 箍供器体孛粒子羚警均攘经、运动速度， 在一定假设条件下反演风场，从而得到嚣体的气流结构。 1 4 南京信息工程大学硕士学位落文 多普勒雷达探测强风暴，目前研究针对性较强的主癸有冰雹、龙卷、外流边界、下击 摹流、鹣线等，下嚣分弼颜班舟绍。 ( 1 ) 冰糍( h a i l ) ：大多从多单体风爨和超级单体风黪产生。1 冰截云回波特别强，根 据微波散射理论，由予兹中冰雹的尺度较水滴来德大，加上其它原因。冰雹云的雷达网波 强度慧燕夫予同逢区，鹂攀节对出现熬酱遘积雨云鹩麓波强度。超缓攀体风暴的雷这阐渡 强度是所霄对流云回波中最强的。2 回波顶高度高。出予冰雹云中的上升气流强于瞢讽雷 暴，所以冰壤云雷达回波盼高度也很离。3 。上手 ( 下沉) 气流特别强。云中鳃冰雹形成医， 郎含求蠢累积区雨因窘蠢丈囊的过冷永流爱珠雹，嚣掰也是强回波送。点撑这个冰栽形成 区需要比酱通雷暴强的多的上升气流；冰雹云同时也脊比普通雷暴强的多的下沉气流，形 成云下地蕊强最。向外辐敬的地面强风与向雷暴低层辍台的环境风之阗的阵风锋( 岁 流边 界) ，它稍农雷达反莉率因予圈上能反映趱来，在多替赣褥迭速度图上魂有菲常明显的特征。 冰雹云回波在平面位置盥示图上表现有：v 型缺口，由于云中大冰雹、大水滴等大粒子对 雷逸波的强度衰减作用，嚣达探测时奄磁波不蘸穿透主赘的大粒子( 冰雹区，在大粒子 ( 冰雹) 激的后半部形躐所谓的v 形缺蹋。钩状回波，宦们通常都燕越级单体风暴圈波型 的一种识别标志，所以只要确认探测到了钩状回波，结台回波体的强度、高度和尺度。一 般应能够辨认出超级单体风暴，从恧确认它是冰雹云。侄是雷达能否掇溅至超级单体的锪 状回波，还与雷达波束在超级单体中的能置、当时的分辨率等有关。对于确认的超级单体 风暴，同时还要注意到它会出现其它强烈天气。在数字雷达资料中，由于对回波信号进行 了平均，以及分辨率的鼹囊，钩状回波瓣特 芷有时著苓撮鸹显。耀斑嬲波；超级单髂风暴 回波割面中存在穹窿( b w e r ) 、回波墙、悬挂回波、旁瓣回波和强冰税云剖面上的群斑回 波。 ( 2 ) 巍卷( t ( ) 烈a d 0 ) ：是强雷暴孛产生豹破坏力极强的中小尺度灾害牲天气，它麴直 径一般腻几十米到凡百米。诧卷漏斗悬从强雷暴中伸下的尚未及她的离速涡旋，它由内层 气流和外屡气流构成，即从强雷暴底部向下伸展并。龙巷母云的雷达反射率因子都很强。 z 遘鬻都农5 0 d b z 戳上，藏卷母云翥霉燕超级单傣最豢，西嚣遣常零嚣暴超级单俸翁菇释 形态特征，有弱回波区、钩状回波等；襁向速度图上，豫卷母云常常有l 2 个中尺度气旋， 1 5 南京信息工程犬学硕士学位论文 即有一对栩邻的且对称的正负速度中心。中尺度气旋的尺度在几千米要i 几十千米。 ( s ) 溅泣葬：在对流风暴生食变静瘫赣，下沉冷空气出流在遗瑟辩近淘辨流凄，薅疆 而潮湿的环境大气之间的界面，称为外流边界，也称阵风锋。常会带来强的突发性地丽阵 风、显著的强风切变和从地面扩展至外流冷空气顶部的湍流，是否造成灾害主要看其强度； 如果呈弧虢分布静云线串宥降隶产生，郫么强风留交釉潦流会一直扩麓嚣云赢，强风甥变 和湍流都会对低空飞行的飞机造成毁灭性的灾害；能触发新风暴的发展；如果与现存的对 滤交汇，那么风暴会更加猛烈，并可能产生大的灾害谯哭气。在雷达反射率因子图中，外 流边界一般是一条浅蔼窄的增强了的圄波带，在多普勒速度叠中，辨流边界是一个低鼹辐 合区。 ( 4 ) 下奄暴漉( ) w n b j r s t ) ：封流风暴发展至i 成熟阶段后，冀审霉暴云中冷性下降 气流能遮列相当太的强璇，到达地面形成井流，并带泉臀暴大风，这种在地面；i 起灾害性 风的向外周地强下沉气流，称之为下击黎流。下击暴流怒一类较强的下沉运动，这类下沉 运动可畿她嚣附近产生破坏性辐数出渡爨渡。产生下毒黎滚的雷暴云，回波上常反妖冀钩 状霭波或弓袄回渡。下蠢纂流位子钩内线钩的周匿，这种钩状是在雷器旋转上升气流中形 成的，旋转中心上空是高的回波盖，即冰水累积区。弓状回波常嵌槎绒状或圆形回波内， 线状或躅澎回波斡突出部努移动侠，形成弓状，恧下蠢黎流藏发生在箕翦进孛心躲酣避。 下击暴流裔微下击暴流和宏下击暴漉两种。徽下击暴流承平辐散尺度小于4 k m ， 孝续时间 2 - 1 0 分钟。其中微下击暴流又分为干的和漫的两种，千的微下击暴流煨指在强风阶段不伴 隧( 或缀少) 降东的微下蠢暴流，它主簧峦浅薄的、云蔗较毫的积掰兹发晨露来魄，一般 来说，遮蹙下击暴流事斡的发生类议“脉、神”，通常与弱的垂赢风切变肖关。这类下毒暴流 的雷达回波一般较弱。湿的微下击暴流缀常是指伴随着大雨的下击暴流，它是湿区下诲暴 滚斡主要形式。湿的徽下谧爨漉经常是 捧睫羞大瑟魄下去暴流，宅是潼医下去暴浚瓣主 要形式。溅的微下击暴流往往产生予较温遍界层帮较浅薄的云下层环境中。由于湿的微下 击暴流与强降水密切相关，所以湿的微下击暴通常伴随漪强的雷达反射率因子。宏下击暴 流水平辏数尺度大于等予4 x m ，持续拜重阏5 2 0 分辨。 在雷迭探测时，我们应特别注意：1 与下击暴流相关的毁灭性强风有时会出现猩弓状 1 6 鬻镕f 镶患王攒式学鞭学穆浚囊 溆波的涌篷豁沿，特裂警越一醺壤与弓状躜波申的活跃零体捆越应时，馕游髓更是如站* 2 。与萼黎錾液麓获夔簿繇蜜崔霍建嚣液辩翡漤之蕊是蕊+ 逮在号凌嚣渡整赣受熬基辩爨 燕如就。警逡释演猿发生辩，强风会先予糕耩农出现。多蒋黼雷达经常程警凝隧波之黎撵 鲻载疆的阵溅搽。3 转隧耱强降浓蠢媲黪爨麟熊蒸发，微1 f 澎纂濂攫砸鼹淤霉状回渡黔靛 瓣蹩漠+ 毒，巍漆激辫罴肇憋满凌羧夸弱辩流攀褡戆主蠹蕞溅羧襻簿龛蠡璃瓣鬻懿麓蠢。溶 稀龙卷常熬黯程微下击鬃滚辩裁澄耜气艇髓留窝区。 圆髓线s 暇强i i ，) ；愚摊謦凝鳃蹿 足澈对瀑系绫，怒# 锋蚕的蠛魏罄鹣活跃鹫黎 辩；是一嵇渫攀斑簿灌鬟统，蒸承乎最庭矮移辫嚣子寒，藏溪整翕囊豢秘豫枣霹，逡麦 予簦暴革律腑鬣命期。它镰籀褥器，以爱游对滚的嵌雀端髓审静强雷臻鬻$ l 怒局地器黼鞠 受害健强风，擞中纬凄零鬻产嫩拣雹甚至越瀑。莲燕，鹏线，凭其是飑姣土懿强霉豢，蕊 天气譬这掇涮孛爨受关注黧禚漩墼。登式气幂稳定，菇巍簸蕊菠强蠹瓣，飙蘧蘧蒸澎灞 加，高空间辩鬻内东移动静黼横辩舍对，常常辩骥伴有戳辩滚天气的霄簸绦斡飕线。毅孽： 憨蠖是一条撼黻犍雷暴赘，絮靛惑俸特餐鬻拣糕鳇强髹秀曳撼蛰上单令黉爨黪特征秘哭气 慧稿，霹予撼缎审爨强蔑器，冀瞽遘霾渡褥钲耋簧煮：将援麴_ ：鏊遮蠹鼓攀滋予，与串嚣凄 气旋以爱怒缓举体相伴随鹊镶状豳波。 巷之。穗鞲蠛走气中暴嚣蕊蕾了苓稳逝豫，台遘懿承浅静鸯鞋显磐释憋嚣蕊薛，虢骞 簿熊窭瑷簿夔并发震纛簧器。甄装其备慕燕姆跫天蠡羚，獬麓蓑嚣黪黎貔蹙孝苓窝秘特 性，并产生鞫陂盼特殊强风瓣天气。侧船，翔荣上升速勘糯黧和风垂誊磷辩大，就有霹髓 辫藏超级罩嚣撼黎；黪了惑黼堍嚣强暴辩；溉霹戆蹩联太融蕊；窝暴上弹毪瀑选理蓑转姆 馥，霉暴串黪藏孛足菱气麓藏赘气囊) ，剡磷蹙寄霪豢答鬣羰魏懿蓑转熟。瘤子大气孛静 承含量布麟，超级单体风黎除了出现强风、袜麓、龙卷骼，述可能出琥髑蛾嚣雨。 囊，意，吝塞鬻蕊豢芙气囊蘩 在广藤的热带洋西上，绒常没鹱着强大抟热带风爨，遮种风臻发展至i 悫的强度，程太 平浮土舔巍螽菇。叁最鼗最瓣，至夸爨蠢法中努穗定，懋蠢瓣窀是鑫熟磐太篾褒骜黧秘羧 麟蠢来懿。凌热带海洋上，海联鏊受太蘩蕊饕拿蠢傻海零懑纛舞褰，海底嚣瑟蒸发残窳浅歉 l ? 南京信息王穗太学硕士学位论烹 毒在空中，赦热带海洋上妁空气温度毒、溅度大，这种空