（气象学专业论文）福建省灾害性天气系统风场的多普勒雷达反演研究.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，不包含其他人或其它 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 作裢名：逊 日期：型q ：噬 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 的鹩少量复制并允许论文避入学校图书馆被查阕；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趣 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，茎：量笠 日期：1 鲤立：! 罗 福建省灾害性天气系统风场的多普勒雷达反演研究 摘要 论文对双、三多普勒天气雷达三维风场反演技术的研究进展和各种反演技术的优缺点 进行了阐述，并对福建省双多普勒雷达风场反演系统公共探测区采样数据的可靠性进行了 初步研究，认为福建省目前布设的四部多普勒雷达不适合作双雷达风场反演 中国科学院大气物理研究所建立了反演三维风场的软件系统，该软件系统包括对原始 数据资料进行预处理的数据转换程序，插值程序中的c r e s s m a n 距离权重插值算法，运用简 单共轭法对网格点进行风场反演的反演程序和g r a d s 图形显示程序利用简单共轭法反演算 法对多普勒天气雷达探测到的飑线大暴雨过程、单点暴雨过程、区域大暴雨过程和突发性 强降水过程等四个降水系统的中尺度三维动力结构进行了研究。结合天气形势和多普勒雷 达探测资料，对该算法反演风场的可靠性进行了定性分析。结果表明：反演得到的流场效果 与雷达回波的演变特征较吻合，雷达径向速度产品反映出的流场特征在风场反演产品中得 到较好的结果。反演结果基本上可以反映三维风场的真实情况 2 0 0 3 年5 月1 6 日飑线大暴雨系统的三维风场特点是低层切变线和中尺度辐合线的扰动， 强的辐合中心与强回波梯度区基本重合，对短时强降水的产生具有相当重要作用。配合较 好的垂直上升运动机制导致了强降水的维持。小尺度涡旋存在，同时配合强的上升运动是 2 0 0 3 年9 月2 0 日单站暴雨形成的原因。2 0 0 5 年6 月1 2 日区域大暴雨过程发生期间该区不断有 强辐合区移入维持，同时强区配合有上升运动。突发性强降水发生地的上空有风速辐合， 受西面西北风与西南风形成切变的东移影响，同时西南面不断有风速辐合区东移北扩，辐 合区配合有强的垂直上升运动是2 0 0 6 年6 月1 8 日过程的重要动力特征 关键词：多普勒天气雷达简单共轭法风场反演三维风场暴雨 3 t h er e s e a r c ho fs y n o p t i cs y s t e m sw i n dr e t r i e v a lu s i n g d o p p l e rr a d a ri nf u j i a np r o v i n c e b s t r a c t i nt h i sp a 阳r r 9t h ep r o g r e s so ft h r e ed i m e n s i o n a lu i n df i e l dr e t r i e v a lt e c h i q f r o md o p p l e rr a d a rd a t aa n dt h ea d v a n t n g eo rd i s a d v a n t a g eo fo t h e rr e t r i e v a l t e c h n i q u e , a n dt h er e s e a r c ha b o u tt h er e l i a b i l l t yo fd a t ag a t h e r i n gi np u b l i cp r o b e a ao fd u a l d o p p l e rr a d a rr e t r i e v a ls y s t e m si nf h j i a np r o v i n c ea r ed i s c u s s e d , t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ef o u ru n i td o p p l e rr a d a rb u i l ti nf u j i a np r o v i n c ea r 6 n o ts u i t a b l ef o rw i n df i e l dr e t r i e v a le x p e r i m e n t t h r e ed i m e n s i o n a lw i n df i e l dr e t r i e v a ls o f t w a r ec o d eb yi p ，w h i c hi n o l u d e t h ep r o - t r e a t m e n to r i g i n a ld a t ac o n v e r tp r n g r 矾t h ec r e s s i e ni t e r e t i v em e t h o d o fi t e r a t i v ep r o g r a lt h ep r o g r a mu s i n gs i d l ea d j o i n tm e t h o dt or e t r i e v eg r i d d e d i i n da n dt h eg r a d sd i 印1 a ，p r o g r m ls i d l ea d j o i n tm e t h o di sa s e dt or e s e a r c ht h e 3 d e m e e s i o nd y n a m i cs t r e c t t i r eo ff o u rt y p er a i ns y s t e m s ，w h i c ha r er e t r i e v a lt h e t h u n d e ra n dh e a v ys t o r m ，t h eo a ep o i n ts t o r m ，t h el o c a lb i gs t o r ma n dt h ea n d d e n l y r a i n yp r o g r e s s 1 1 ma n a l y s i sa b o u tt h er e l i a b i l i t yo fw i n dr e t r i e v a lu s i n gt h i s m e t h o d , i ti ss h o w e dt h a tt h ec h a r a n t 口o fr e t r i e v e ds t r e a mf i e l di ss i m i l a rw i t h r a d a re c h oe v o l v e m e n t ，t h ep r o d u c to fr a d a rr a d i a lv e l o c i t r e v e a lt h a tc i r c u l a t i o n c h a r a c t e rg e t sb e t t e rr e s u l t si ns t r e a mf i e l dr e t r i e v e i naw o r d , t h er e t r i e v e d r e s u l t sc 蛆b a s i c a l l yr e f l e c tt h er e a lc o n d i t i o no f3 - d e m e n s i o nw i n df i e l 正 t h e3 ds t r u c t u r ec h a r a c t e ro fs q u a l ll i n ea n dr a i n ys y s t e m s , t a k e np 1 ei n h 1 6 , 2 3 ，i st h a tt h ed i s t u r b a n c eo fl o wl e v e ls h e a rl i n ea n ds o - s c a l e c o n v e r g e n c el i n e ，8 咖gc o n v e r g e n c ec a n t e rc o i n c i d e n tw i t hs t r o n gg r a d i e n te c h o a r e a , w h i c hh a v ev e r yi m p o r t a n te f f e c to nh e a v yr a i ni nas h o r tt i m e t h ev e r t i c a l u p w a r dm o v e m e n tr e s u l ti nt h ep e r s i s to ft h u n d e rs t o r m t h ee x i s t o n c eo fs h o r t s c a l ev o r t e xa n ds t r o n gu p w a r dv e l o c i t y8 舶t h er e a s o no fo n es m t i c us t o r mi n s o p 。2 0 , 2 0 0 3 t h ed u r a t i o no fl o c a la r e ah e a v ys t o r m , i n j u n ，1 2 ，2 0 0 5 ，t h es t r o 醒 c o n v e r g e n c ea i 张y sm o v ei n t ot h i sa r e a , a n da l s ot h ev e r t i lm o v e m e n te x i s t i n d c o n v e r g e n c ee x i s ti nt h eu p p e ro fe u d d e ns t o r mr a i na r e a , b yi n f l u e a c eo ft h es h e a r r e s u l t e df r o mw e s t e r l ya n ds o u t h w e s t e r l ya i r f l o wm o v i n ge a s t e r l ya n d - i n d c o n v e r g e n c ec o n t i n u o u s l ym o v ef r o - s o u t ht on o r t h , t h ec o n v e r g e n ta r e aa s s o c i a t e d s t r o n gv e r t i 阻lm e v 钮e n t ，a l lo fa b o v et h r e ei st h ei = o o r t a n td y n a m i cc h a r a c t e r o ft h ep r o g r e s si nj u l ，坩。2 0 k e y w o r d s ：d o p p l e rr a c l a r s i m p l ea d j o i n tm e t h o d - i n dr e t r i e m 3 - d e m e n s i o n - i i df i e l dh e a v ys t o r m 4 1 引言 1 1 研究的目的和意义 福建省地处东南沿海，受福建独特的地形地貌影响，福建的气候情况复杂中小尺度 系统的相互作用可以产生多种灾害性天气，这些灾害性天气如雷暴、暴雨、大风、冰雹、 龙卷、下击暴流等具有局地性、突发性等特点，生命史短。破坏性强每年灾害性天气给 福建省带来巨大的财产损失，甚至喜接威胁到生命多普勒天气雷达能够同时获取降水粒 子的径向速度和反射率等信息，具有高时空分辨率等特点，它的应用极大地拓展了对这些 灾害性天气的认知能力和临近预警报能力 随着国内新一代天气雷达布网工作的迅速进展，近年来，福建省也先后布设4 部多普 勒天气雷达率先在全国实现覆盖全省的雷达网，使得业务多普勒雷达探测覆盖面和探测能 力迅速增加，如何充分利用多普勒雷达探测资料，从中尽可能多地提取有意义的气象信息， 是气象工作者越来越关心的问题。但是，多普勒雷达只能探测到风的径向分量，欲知风矢量 场，还需要知道风场的切向速度甚至垂直速度分量“1 。而垂直于雷达波束的切向风对许多灾 害性天气的辨别，预警和监测起着关键作用。由这些物理量可以反演得到时空分辨率较高 的二维或三维风场，这对于研究中小尺度灾害性天气系统及其形成机理、大气动力学研究以 及业务监测预报方面具有重要意义。而目前业务中应用多普勒天气雷达资料对中小尺度灾 害性天气的预报还比较简单而粗糙，因此迫切需要结合福建地域特色，将理论和实践相结 合，研究影响福建省中小尺度系统的风场分布特点和原因，对提高灾害性天气临近预报的 准确率，最大限度地减少灾害性天气所带来的损失，具有重要意义 因此，如何从径向风反演得出实际风就成了多普勒雷达气象学的主要研究课题之一 应用相距一定距离的两部或多部天气多普勒雷达的观测资料还可以获得降水系统内部的三 维风场信息。多部多普勒雷达联合探测能够明显提高风场的反演精度，极大地提高了对中 小尺度系统的三维动力结构的认识。为了得到风的水平分布，需要两部雷达对同一探测区域 同时进行观测，得到两个相对于不同原点的径向速度场。双多普勒天气雷达能探测到风的两 个分量，在低仰角的情况下，可以通过几何方法求得较为精确的二维风场。但在实际业务中， 两部雷达共同观测区域一般相对较小，实时分析和组合这些资料还存在很大的困难。如果用 单部多普勒雷达的探测资料来反演二维或三维风场，必须对风场做某种假定，这种假定会给 风场反演带来较大的不确定性即便如此，由于是单都雷达观测，节省了人力、物力，便于在 气象业务中推广使用，可在一定程度上满足人们对风场资料的需求 1 2 国内外发展现状 1 2 1 对单多普勒雷达风场反演技术的研究积存在问题 要想从根本上了解中小尺度天气系统的结构，进而分析灾害性天气发生的条件及其演 变规律，需要得到这些天气系统的三维风场结构因此，单部多普勒雷达三维风场反演技术 应运而生从2 0 世纪6 0 年代至今，国内外的科研工作者们都纷纷致力于这方面的研究工作， 直接从单多普勒天气雷达估计矢量风场已经取得相当多的研究成果 1 2 i iv a d 技术 2 0 世纪6 0 年代l h e r m i t t e 等”1 在均匀风场假定条件下提出了速度方位显示“a d ) 方法， c a t o n “1 及b r o i 1 1 9 ”1 ( 1 9 6 8 ) 将其进一步完善。在线性风场假定条件下求解，反演出水平风 场平均风向风速、平均散度，伸长形变、切变形变以及垂直风廓线等信息( d o v i a k ，e ta l ， 1 9 8 4 ；杜晓勇等”1 ，2 0 0 2 ) ，从而提高了反演的可靠性。w i l s o n 等”1 还指出v a d 方法可以用 来计算雷达站周围的平均降水率。目前，v a d 方法已被广泛地应用于气象业务工作，但它 只能得到平均风场及其随高度的变化，其假设前提在很多情况下得不到满足，反演不出水 平风场的结构。 1 2 1 2v v p 技术 w p 方法即速度体积处理方法( v o l u m ev e l o c i t yp r o c e s s i n g ) 是由w a l d t e u f e l 和 c o r b i n ( 1 9 7 9 ) 最早提出的。是一种在三维体积内线性风场的分析技术，它采用径向、切 向及垂直三方向构成的三维空间作为分析体积，在分析体积内假设径向风场里线性分布， 而且扫描期间风场不随时间而变。但w p 方法计算工作量非常大同时分辨率太小，理论分 析表明只有在样本数量很大的情况下才能达到必要的精度。在求解过程中，方程组存在病 态矩阵问题“。国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目的单多普勒天气雷达风场反演技术的 研究成果中，通过研究和比较选用予优共轭梯度法来改进v v p 算法，基本上解决了v v p 求 解过程中出现的病态问题。 1 2 i 3 涡度一散度法 姜海燕等“”利用极坐标下简化的二维涡度和散度方程反演水平风场即涡度一散度方法。 该方法对较小尺度的强对流系统有较好的描述。个例研究表明，利用该方法反演出的水平风 场能够较好地解释回波单体的分裂和演变机制但涡旋场和辐散运动反演将会出现较大误 差，反演的结果还依赖初始条件的给定。以反演二维风场的涡度、散度方法为基础，王东 峰、葛润生等“( 1 9 9 9 ) 加入连续方程作约束，将该方法发展到反演三维风场 i 2 1 4p a r 方法 吴绍荣等“”采用类似四维同化的思路简化为p p i 面上的二维情况，提出了平面同化反 演( p a r ) 方法但边界条件仍然很难选取。 6 i 2 1 5y a p 方法 陶祖钰“”、宋春梅等“”分别在p e r s s o n 提出的均匀风理论的基础上发展了速度方位处 理( v a p ) 方法( v e l o c i t ya z i m u t hp r o c e s s i n g ) 假定相邻方位角的风矢量相等，运用几何方 法求取二维风场计算方法简便可行，计算量小，而且保留了许多中尺度天气信息但y a p 方法假设条件过强，只适合于较大范围均匀风场通过线性平滑进行滤波，会滤掉了部分风 场信息 1 2 1 6 嘲法 p e r s o n “”提出极坐标下计算低仰角水平风场的w 方法。但由于加入了风场无辐散的假 定，必然使反演的风场不能很好地反映真实中小尺度的信息。 1 2 1 7 示踪法 1 9 9 0 年，t u r t l e 和f o o t e 提出示踪法，将连续时次的p p i 扫描平面分割成若干大小的 面元，利用求相关的方法。计算出扫描间隔时段内的二维平均风矢量。但对变化迅速的天气 系统不能适用 1 2 1 8 二步变分反演方法 邱崇践等发展了一种新的由单多普勒雷达资料反演三维风场的变分方法即二步变分反 演方法。先利用变分方法反演风场，利用薛纪善等人建立的三维变分同化系统同化，把反演 数据插值到网格点上 ，2 1 ，g4 d v a r 同化反演方法 s u n 等“”提出了的四维变分( 4 d v a r ) 同化反演方法，计算三维风场和温度场，还能同时 得到其他一些气象要素场。由于采用完整闭合的大气运动方程组作为控制方程，假定少，数 值实验效果较好，可以用于不同天气过程的反演但存在计算量大的问题 1 2 1 1 0 伴随技术 近些年来，提出并发展了一系列基于简单伴随函数方法( s i m p l ea d j o i n t ：s a ) ( o i u ， e ta l 吧! 9 9 2 ：x uq i n ，e ta l ，1 9 9 4 a 。 ，1 9 9 4 b 唑1 9 9 4 c 巴1 9 9 5 。1 ，2 0 0 1 a 唑2 0 0 l b 嘲# 邱崇践等，1 9 9 6 ；g a oj i d o n g 。”，e ts l ，2 0 0 1 ) 反演水平风场( 或三维) 风场的单多普勒 雷达风场反演技术，采用反射率或径向速度的守恒方程及其伴随方程反演风场。s a 算法中 的“简单”二字是由于反演时只使用回波强度守恒方程或径向动量方程做为强约束条件， 。伴随”二字是由于采用伴随技术来极小化模式预报量和观测量之间的差 1 9 9 4 年，邱崇践等人提出简单伴随函数方法的单多普勒天气雷达风场反演技 术径向速度的动量方程为 a v j v + v ，a y r ar + ( v 。0 a y a d y 。i ，女可；y ，= f 其中v r 是径向速度，v 是柱坐标中的水平l a p l a c e 算子，k 是水平粘性系数，f m 是强 迫项的时间平均部分。( v m ，v ，f m ，k ) 则是需要反演的控制变量。 用此方程作为控制方程，将控制方程中的( v m ，v 锄，f m ，k ) 作为控制变量，先给一组初始 猜测值，然后将控制方程向后积分，预报出下时段的v r ，计算出v r 与实测值的残差，运用模 式共轭方程组反向积分的方法，计算残差对各初始猜测值( v r m ，v a m ，f m ，k ) 的梯度，再用共轭 梯度方法计算出搜索方向，进而得到新的猜测值反复迭代直至残差达到极小值，则最后的 猜测值( v r m ，v 锄，f ，k ) 即为所需反演的量。 邱崇践等( 1 9 9 6 ) 使用简单伴随函数方法的研究结果发现：使用多个时次的观测资料能 够提高反演结果的精确性，并降低对观测误差的敏感性；忽略弱散度和涡度的影响，能够 抑制由于数据噪声引起的虚假的细微结构；正确选择目标函数中各项的系数也能够明显地 改进反演结果对于强对流天气系统，其变化非常迅速，反射率守恒方程得不到满足，效 果较差最初，s a 方法是用多普勒雷达低仰角的资料，并假设低仰角近似为一个“平面”， 由于s a 方法忽略了粒子下落末速度的影响，因此对较高仰角雷达资料的反演效果不好，垂 直速度不能被同时反演出来。一种求垂直速度的算法是：首先使用s a 方法求解每个水平面 上的水平速度，然后在垂直方向上积分质量连续方程求解垂直速度，但这样做，水平速度 和垂直速度是由两个相互独立的计算过程得到的，相邻层的水平速度没有连续性，因此反 演得到的垂直速度精度较低( g a o ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。x uq i n 等( 2 0 0 1 ) 通过将动量方程和质量 连续方程做为弱约束条件，求解三维风场；g a o 等( 2 0 0 1 ) 也将s a 推广，定义一个目标函数， 包括回波强度守恒方程，并将质量连续方程、背景风场和空间平滑函数做为约束条件，使 用雷达的全部仰角的体扫资料，求解三维风场：由于质量连续方程做为弱约束条件，比较 成功地解决了积分质量连续方程造成的误差累计。 邱崇践等( 1 9 9 6 ) 使用最小二乘法( l s ) 求解低空的水平风场，对于雷达扫描较慢的数据 ( t * 1 2 0 s ) s a 算法反演得到的风场效果较好将s a 算法的一些技巧用于l s 反演，可以改 进其反演效果 o i u 等”人提出s a 方法存在计算量大的问题。 曹小群等o ”利用变分伴随方法，结合正则化思想，提出了一种反演单多普勒雷达风场 和参数的新方法。该方法首先利用伴随方法导出了反演时所需的泛函梯度，在目标泛函中 引入稳定泛函，然后进行了数值试验。结果表明，在引人误差系数与最优选择正则化参数 的前提下，新方法解决了传统的简单伴随方法在反演风场时存在不适定问题，而且反演精 度和计算效率有所提高。但仅就一维风场反演进行了数值试验研究。 1 2 2 对双三部多普勒雷达风场反演技术的研究和存在问题 从理论上讲，多部多普勒雷达联合探测的风场反演技术能够明显提高三维风场的反演 精度和可靠性。双三部多普勒天气雷达风场反演技术的研究成果主要是建立了多种双多普 勒天气雷达风场反演软件系统 1 2 2 1 迭代法 1 9 6 9 年国外就开展了双三部多普勒雷达风场反演技术的研究其中有双多普勒天气 雷达观测数据直接合成求解三维风场方法，a 瑚i j o 洲和r a y 等。“提出直接合成方法又称迭 代法，用三维速度场与雷达探测到的径向速度关系式及质量连续方程在笛卡儿坐标系中建 立方程组求解三维风场 1 2 2 2c o m n 反演技术 1 9 7 0 年，l h e r m i t t e ”提出共面反演技术( c o p l a n ) ，后经m i l l e r 等将其完善，通过两 部多普勒雷达同步扫描一些过雷达基线的斜面，在共面柱坐标下反演三维风场，并给出了求 解公式。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，共面技 术也可用于数据处理，以简化求解。缺点在于需要多次空间插值，降低了反演精度，而且其 反演区域也很有限 1 2 2 3 基于o d d 技术的e c o d 技术 1 9 8 0 年，r a y 等提出i o d d ( o v e r d e t e r m i n e dd u a ld o p p l e r ) 技术，用欧拉方程反演大气 风场。但该技术只能使用较底层仰角的径向速度资料，否则粒子下落末速度在径向上分量较 大，影响反演精度。1 9 9 6 年，c h o n g “1 等在o d d 技术的基础上又提出了e o d d ( e x t e n d e do d d ) 技 术。将地球表面作为平面处理，通过最小二乘法并引入质量连续方程作为约束条件求解三维 风场。这种技术是对笛卡尔坐标下水平风场分量的变分调整( 假定存在确定的垂直速度) ， 解决了叠代算法的缺点 1 2 2 4m u s c a t 技术 多部多普勒天气雷达综合和连续调整技术反演二维风场方法( m u s c a t ) ，实际上是一 种变分方法。这种方法首先是d o u s q u e t 和c h o n g 等”1 1 9 9 8 年提出的，并用于机载双波束多 普勒天气雷达资料的风场反演。在他们工作的基础上，2 0 0 2 年，周海光等将这种方法通 过改进用于地基双多普勒天气观测资料的三维风场反演，建立了国内首套多部多普勒天气 雷达联合探测大气风场的反演软件系统，研究了笛卡尔坐标下取多普勒天气雷达三维风场 反演技术，把地球的非平面因素考虑进去推导出了从雷达极坐标到直角坐标的转换公式。提 出了雷达原始资料的预处理、空间插值、反演结果的可靠性检验等新方法，采用变分技术， 一步完成三维风场的求解，算法只使用了一次c r e s s m a n 插值，同时由于引入了质量连续方 程的二次平方项作为约束条件，反演精度和可靠性有所提高。 s u n 等提出的4 d v a r 同化方法亦可用于双三多普勒雷达反演 近年来我国在双多普勒雷达资料质量控制方面的研究取得了很大的进展1 9 9 8 年，张沛 源、何平1 等从理论上证明了三部多普勒天气雷达联合探测大气风场的误差分布是一组同 心圆，最佳布局为等边三角形2 0 0 2 年，张沛源、周海光等从双多普勒天气雷达对大气风 场的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 9 演可靠性的内在因素2 0 0 3 年刘黎平等“”提出了用双多普勒雷达观测资料进行回波强度、 径向速度和方位定位的质量控制方法，从理论上分析了双多普勒雷达观测误差引起的风场 反演的误差国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 ) 项目在双三部多普勒天气雷达风场反演技 术的研究成果中对双三部多普勒天气雷达风场反演的精度和可靠性进行了专门研究，提出 了不少有益的见解。 多部多普勒雷达较两部雷达反演的个最主要的优点是增加了水平敷度的精确性双 三部多普勒天气雷达联合探测大气风场存在的主要问题是不能满足反演理论要求的同点同 时的基本条件：( 1 ) 对空问同一点而言，各部雷达对这一点的采样体积不同( 2 ) 对空间各个 点而言，不可能做到多部雷达同时对空间同一点采样。( 3 ) 雷达扫描需要3 6 分钟时间。不可 能同时观测空间各点在反演对必须通过插值来解决另外还有雷达体扫采样的误差：由 于雷达的旁瓣效应和地物杂波所造成的观测误差；质量连续方程求解时边界条件的选择； 在质量连续方程积分过程中散度场误差累计，使得垂直速度场的求解失败：用差分法求解 质量连续方程时带来的误差等等多种因素影响反演结果的准确性。 1 2 3 对多部多普勒雷达风场反演技术的研究和存在问题 在此期间又相继发展了双或多部地基多普勒天气雷达联合探测大气风场技术、双机载 多普勒雷达联合探铡大气风场技术、视载双波束多普勒天气雷达大气风场探视技术、双机 机载双波束多普勒天气雷达联合探测大气风场技术，9 0 年代中又研制成功了地基单点发射 多点接收的多普勒天气雷达大气风场探测系统。这些探测系统目前只能部分解决空间采样 非同点、非同时进行的问题。 1 3 福建省内对暴雨及雷达资料的应用研究情况 福建省位于低纬度亚欧大陆东南岸，介于2 3 。3 3 卜2 8 01 9 n 之问，省界大致呈北北东一 南南西的斜长方形分布南北长，东南狭，属典型的亚热带季风气候近二十年来，福建 省诸多的暴雨研究成果主要集中在对前汛期暴雨、区域短时强降水和台风暴雨的业务研究 上 叶榕生等( 1 9 8 9 ) 系统阐述了福建前汛期暴雨的气候特征、环流形势、中尺度系统、 边界层状况，暴雨形成的主要物理条件及物理复、暴雨雷达回波特征、回波类型、雷达回 波与天气系统或要素场的关系、卫星云图、预报方法等在预报中的应用蔡义勇等”1 ( 1 9 9 8 ) 对前汛期暴雨天气系统进行自动分型，建立有无暴雨及暴雨落区的预报方案。林长城等 ( 2 0 0 0 ) 探讨前汛期间在福建地区上空云体云顶温度与地面雨强的关系，确定强降水的云 项温度阕值。林新彬等”( 2 0 0 2 ) 揭示了在不同地形环境下( 不同海拔高度、距海远近、山 1 0 脉坡向、山区与河谷盆地等) 短历时降水气候的不同特征刘爱鸣等( 2 0 0 3 ) 以高度场的 滑动分区切比雪夫展开系数做为信息源，提炼出福建省前汛期区域暴雨预报模型。 陈秋萍等“”( 2 0 0 0 ) 归纳了闽北暴雨回波系统类型及特征指出闽北短时强降水空间 分布特征是自西北向东南递减2 0 0 5 年建立了闽中北短时暴雨三种概念模型”1 黄东兴等 ( 2 0 0 0 ) 分析了“9 8 年6 月1 2 - 2 2 日”闽北连续性大暴雨的成因及雷达回波特征。认为降 水回波的汇合、停滞是造成区域强降水的重要因素之一，小尺度强核回波的排列走向直接 影响某区域降水的大小地形迎风坡、喇叭口是回波的加强源林样明等( 2 0 0 2 ) 对福 建。9 8 6 ”中尺度强降水的红外云图特征量进行了统计分析。陈泽面“”( 2 0 0 0 ) 建立了闽 南地区强降水的几种多普勒特征速度图指出受小尺度气旋、逆风区、辐合线影响可造成局 部地区强降水正地闪比率是个反映降水率大小的重要参数 刘爱鸣总结了福建省灾害性天气预报经验。在台风天气时，东风急流、暖式切变台风 倒槽、西风槽前形势下有利诱发台风暴雨。 近年来，李建通等在福建省开展“多普勒雷达定量测量区域降水量的研究”，曾光平等 ”1 ( 2 0 0 1 ) 利用建阳新一代天气雷达对南方对流云开展系统研究取得大量的有意义的结果 1 3 研究内容 1 3 1 研究的特色和创新 尽管我省对暴雨系统和多普勒雷达的研究已做了大量工作，但也仅限于对常规天气雷 达单参量回波特征及演变过程的研究。并未将三维风场的反演应用于实际资料的研究。这 对了解暴雨系统的动力结构是远远不够的。本文通过查阅大量的参考文献，在对福建省双 雷达风场反演的可靠性进行了初步研究的基础上，密切结合福建地域特色，联系在实际工 作中遇到的暴雨问题，将研究重点放在影响福建省暴雨中小尺度系统的三维风场分布特点 上，分析的个例过程基本上能够代表福建省的暴雨系统特征 1 3 2 研究的步骤 使用福建省龙岩c i n r a i ) s a 型新一代天气雷达数据资料，反演三维风场来研究该地区 暴雨系统的动力结构 第一步选取多普勒雷达典型暴雨天气个例资料。 第二步选择中国科学院大气物理研究所建立的简单共轭法反演三维风场的软件系统， 结合雷达回波的演变特征，利用反演输出的资料，对多普勒天气雷达探测到的若干中，小 尺度系统三维动力结构进行个例分析从中探讨暴雨系统的流场特征 第三步进一步研究反演得到的流场特征与天气环流背景和多普勒雷达回波的配置关 系，通过对该算法反演风场的可靠性进行了定性分析，检验风场反演的效果 2 双多普勒雷达数据可靠性研究 本文选取福建省内两部雷达距离最近( 其余几部雷达两两距离都超过2 0 0 k i n ，图1 ，龙 岩位于厦门的西北偏南1 2 约1 1 8 k , r 处，图2 ) 的龙岩多普勒雷达和厦门多普勒雷达组成 的双多普勒雷达系统的观测资料，两部雷达为同型号的c i n r d s a 多普勒雷达，都采用9 层的v c p 2 1 观测模式进行连续体积扫描观测，每6 分钟提供一个雷达的体扫资料，仰角在 0 5 0 到1 9 5 0 内变化，两部雷达都采用太阳法作了方位角和仰角的定标 广 i 图1 福建省多普勒雷达监测网i 在双多普勒雷达同步观测时，研究两都雷达对公共探测区的采样可靠性。双雷达系统 数据是否可靠，直接影响反演结果有很多因素影响两部雷达回波强度的对比结果，例如电 磁波在雨区的衰减、从极坐标系到笛卡儿坐标系的坐标变换造成的误差、插值算法的误差、 两部雷达很难同时对特定区域扫描，进行对比的回波并不是处于同一时刻等。使用统计的 方法比较两部雷达回波强度的差异图3 是2 0 0 5 年3 月2 2 日1 6 时厦门龙岩雷达不同回 波强度的概率分布。横坐标表示回波强度值，纵坐标则表示概率。从概率分布图来看，除 两部雷达观测的少部分回波区强度范围内两条曲线较吻合外。两部雷达探测到的回波强度 概率分布曲线形状在总体上并不一致。图4 是2 0 0 5 年3 月2 2 日1 6 时厦门龙岩雷达回波 探测到的强度相关分布横坐标表示厦门雷达探测到的回波强度值，纵坐标则表示龙岩雷达 探测到回波强度值。如果两部雷达探测到的回波强度分布特征相同，则相关图应该位于y = x 直线上龙岩、厦门两部雷达探测到的回波强度分布特征不相同，多数并没有位于y = x 直 线上，从强度相关分布图可以看出相关性不好。其他时段两部雷达回波强度的对比结果与 上面的类似。需要指出的是，由于两部雷达相距较远，参加同步探测的这两部多普勒天气雷 达不满足最佳布局设置。在综合考虑其他因素的情况下，认为福建省目前布设的四部多普 勒雷达不太适合作双雷达风场反演。 3 简单共轭法反演三维风场 一般说来，仅通过风场的一个方向的分量来反演实际二维水平风场，必须对风场作某 种假定，这种假定又给风场反演带来较大的不确定性，故需要用双多普勒雷达“共面观测” 资料来进行风场反演但要实现双多普勒雷达的。共面观测”需要耗费大量的人力、物力， 而且同样存在反演误差，同时由于福建省建好的4 部雷达：建阳( 闽北) 、龙岩( 闽西) 、 长乐( 闽中) 、厦门( 闽南) 均不满足双多普勒雷达反演三维风场的最佳距离设置( 两站之 间的距离在6 0 “8 0 k i n 范围内) ，故基于上述不利因素，我们利用单部雷达观测资料来反演水 平风场以及三维风场，这样不但节省了人力、物力，而且也便于在气象业务中推广使用， 同时可在一定程度上满足预报业务对风场资料的需求 综合以上因素，我们从大气所引进简单共轭法( s i m p l ea d j o i n tm e t h o d ) 反演三维风 场，从而发掘出一些对短时预报有价值的信息 3 1 雷达资料说明和处理方法 3 1 1 资料来源 使用福建省龙岩c i n r a d s a 型新一代天气雷达数据资料，反演三维风场来研究该地区 暴雨系统的动力结构。探测半径是2 3 0 k m ，数据的径向分辨率是i k m ，该数据按极坐标方式 排列。 3 1 2 质量控制和资料预处理 为了保证雷达观测数据的可靠性，对获取的资料进行了质量控制处理，处理的主要内容 有：退速度模糊处理，退距离模糊处理，非气象回波消除及地物遮挡区域的回波补偿 龙岩雷达在0 5 。仰角有点状的地面杂波影响。为此，在r d a 采用了r d a s o t 对地物杂 波实施抑制。在u c p 中我们在5 0 k m 距离内1 5 。仰角调整a d a t a t i o n 参数o p e r a t o rs e l c o d e = 2 ，c h a n n e ldw i d t h = 2 ，c h a n n e lsw i d t h = 3 使地面杂波抑制有超过5 0 d b z 的效果， 基本起到了对地物杂波的抑制作用 从多普勒雷达生成的基数据资料位于不规则的球坐标系格点上，多普勒雷达在各个高 度层最初的扫描资料中存在的杂波噪声、缺测以及雷达扫描仰角的不均匀分布通常是不稳 定的，这些不稳定的数据往往可能导致错误的结论，必须从资料中去除这些不稳定的资料 去除离雷达r n a 距离很近的数据以及超折射等。 1 3 3 2 简单伴随函数方法 3 2 1 选择龙岩新一代天气雷达资料反演风场的理由 龙岩雷达( c i n r a d s a ) 位于福建省的西部，与粤东、赣南毗邻。是我国首台 高山新一代多普勒天气雷达。本站的海拨高度为1 4 8 6 9 米，周围基本无遮挡角影响， 该雷达系统创造了我国天气雷达建设史上的“五个第一”，能很好地监测在半径 4 6 0 公里探测范围内的在福建省内有代表性特征的雷暴、暴雨、龙卷、冰雹，台风 等重大灾害性天气系统 3 2 2 选择简单共轭法反演风场的理由 采用简单伴随函数方法( s i m p l ea d j o i n tm e t h o d ) 对多普勒雷达资的径向风资料进行 三维风场反演的研究，将新一代天气雷达( c i n r a d s a ) 资料重大天气过程进行个饲反演验 证，研究结果表明：运用该方法能够一定程度地反演风场的三维结构，能够较好的反演三 维风场。具有一定的可信度和准确性，对分析和揭示中小尺度天气系统发生发展的演变规 律提供可靠依据 3 2 3 简单共轭法简介 近年来用单多普勒雷达资料反演气象要素( 如三维风场、压力、温度，水汽场等) 的 方法很多，从中国科学院大气物理研究所引进简单共轭法( s i m p l ea d j o i n tm e t h o d ) 反演 三维风场，就是假设反射率( 或径向速度) 为一在气流内的追踪者，由此去决定流场的大 小和方向，该方法是由o i u 和x u 在1 9 9 2 年提出的，该方法在三维空间的全动量和质量连 续方程上进行了改进，能够较好的反演三维风场 记待反演的直角坐标网格上的3 个风分量为u ，v 和霄将阆题表述为，找到u ，v 和- ， 使如下定义的目标泛函j 取极小值： 撕w ) 2 亲m 。一，v ，们一，b s 弘2 p l ( r ( u v o b s 2 嘉 7 2 广 ， ，y ，w ) = ，1 ，们一，。+ b 于f 占，+ 朋= j z ，。 。 p ) l ，c 2 ”+ pr 潴+ ps ( v 2 v ) 2 i , j , k + p j 知+ p 飞2 ，0 1 4 它由两个过程组成：( 1 ) 由直角坐标网格点上的u ，v 和- 用线性内插计算该网格体包含的 铡点m 处的u ，v ，- ，具体算法是找到第m 个雷达测点所处的网格体，利用该网格体的8 个 格点的u ，v 和- 作线性内插：( 2 ) 由测点m 处的u ，v ，- 合成径向速度。显然，目标泛函第一 部分的含义是要求由反演出的风矢量场插值计算的径向速度与观测尽量接近，这一插值是 由直角坐标网格点向球坐标网格作内插，避开了将观测资料由球坐标网格向直焦坐标网格 的插值分析过程及由此产生的问题。但计算网格较小时，许多网格体内没有观测值，分析 的结果有不连缨现象。为解决这问题，先用粗网格( 格距扩大2 倍) 作分析，然后再缩小 格距这时，第一次的分析场作为新的背景场 82 = ( 甜- 材- ) 2 + ( z ，一口 ) 。+ p ( z t ，-彬) 。 表示分析场和预先给出的背景场( 下标为b 的量) 的距离， c ，宴+ 宴+ 譬牙 仅 吲 位 是质量守街方程， 引繁 警十警+ 訾掣 是径向分量的动量守恒方程，其中时间倾向项是由相邻两次时间的观测计算的，其它项均 由分析值计算。在方程中运用了三维无辐散的假设，并略去了源项 v ：v = 塞+ 雾， r 一盈 鱼 一& 匆 分别是水平散度和涡度的垂直分量，s 是对u ，v 和_ i r 的三维平滑量，其定义如下： 8 2 ：8 2 + $ 2 + s 2 ，v矿 s i 2 勺| “k 知矿l l kj 耘书l 。i h 。警书l j 4 , k 剞| t 札；，l t 。j 。鬻d 娟1 “j 在目标函数e o 加入后三项约束是为了减轻观测误差对分析结果的影响。 不难由上面各式求出j 相对于各网格点的t l 。v 和w 的梯度，然后利用这些梯度值用极 小化算法睬用一种有限记忆的b f g s 算法) 即可找出极小值点 3 2 4 资料处理方法 资料处理方法，主要是应用新一代天气雷达( c l n i l a d s a ) 的原始数据资料提取反射率 值和多普勒速度值等反演风场所需的相关的信息进行预处理，运用c r e s s 眦距离权重插值 将处理后的雷达观测资料变换到相应的笛卡尔坐标网格点上，再用简单共轭法( s i m p l e a d j o i n em e t h o d ) 对网格点进行风场反演。 采用的原始资料为新一代天气雷达( c i n r d s a ) 数据，相邻两个体扫( v c p 2 1 ) 时阃 间隔约6 分钟，数据转换程序主要根据插值的要求提取径向点的反射率值、多普勒速度值、 方位角、仰角、径向数据点等信息；插值程序将转换后的径向数据点资料用c r e s s m a n 距离 权重法插值到指定范蕃相应的笛卡尔坐标区域上；反演程序反演指定区域内格点资料，从 中得到三维风场i 最后将反演后的风场资料用g r a d s 图形显示程序显示出 3