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单多普勒雷达风场反演的理论分析与数值试验

水动力学研究与进展（A辑） 2005年第3期20卷 277-285页

作者：曹小群黄思训杜华栋解放军理工大学气象学院江苏南京211101 江苏省气象灾害与环境变化重点实验室

本文利用变分伴随方法,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。首先利用伴随方法导出了反演时所需的泛函梯度,然后进行了数值试验。试验结果表明,在引入误差系数与最优选择正则化参数的前提下,新反演方法不但... 详细信息

本文利用变分伴随方法,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。首先利用伴随方法导出了反演时所需的泛函梯度,然后进行了数值试验。试验结果表明,在引入误差系数与最优选择正则化参数的前提下,新反演方法不但解决了不适定问题,而且风场、源项和涡旋扩散系数的反演精度比普通反演方法都有提高。同时,新反演方法具有目标泛函下降速度快、迭代次数少、计算效率高等优点。

关键词：单多普勒雷达风场反演伴随方法正则化

单多普勒雷达反演热带气旋近中心风场的VAP扩展应用方法

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气象学报 2011年第1期69卷 170-180页

作者：罗昌荣孙照渤魏鸣池艳珍南京信息工程大学南京210044 福建省气象局福州350001 福建省气候中心福州350001

在尝试运用VAP疗法和扩展VAP(EVAP)方法,对"韦帕"台风期间移动天气雷达(CINRAD/CCJ)观测基数据进行单雷达风场反演时,发现部分区域出现风向、风速不合理的情况。分析认为,在热带气旋近中心区域风向风速变化均较剧烈,而上述两种算法的假... 详细信息

在尝试运用VAP疗法和扩展VAP(EVAP)方法,对"韦帕"台风期间移动天气雷达(CINRAD/CCJ)观测基数据进行单雷达风场反演时,发现部分区域出现风向、风速不合理的情况。分析认为,在热带气旋近中心区域风向风速变化均较剧烈,而上述两种算法的假定条件难以准确代表风场的实际变化。根据热带气旋发展成熟阶段的气旋环流近似轴对称的特点,文中提出一种新的假定条件,即在与热带气旋中心等距离的圆周上局地风速不变、风向均匀变化,对VAP方法进行扩展应用,称为EVAPTC(EVAP for Tropical Cyclone)方法。对理想模型流场试验及对实际个例的反演结果表明,EVAPTC方法简便,反演误差相对较小,能够基本反映出台风近中心的环流特点,尤其是螺旋云带上的风场特征。例如"韦帕"台风螺旋云带内侧有明显的辐合气流进入螺旋云带,螺旋云带尾部的外围气流绕着云体移动,螺旋云带上的强回波区存在着风场扰动等。

关键词：单多普勒雷达风场反演热带气旋

单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法(Ⅰ):方法与对比试验

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高原气象 2006年第3期25卷 516-524页

作者：周振波闵锦忠彭霞云杜宁珠南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室江苏南京210044

利用构造的均匀和涡旋风场模拟了单多普勒雷达径向风资料,分析了VAP方法对不同类型风场的反演能力,发现VAP方法对均匀风场反演能力很强,而对涡旋风场反演效果较差,这主要与该方法局地均匀风假定有关。据此,针对不满足VAP方法假定条件的... 详细信息

利用构造的均匀和涡旋风场模拟了单多普勒雷达径向风资料,分析了VAP方法对不同类型风场的反演能力,发现VAP方法对均匀风场反演能力很强,而对涡旋风场反演效果较差,这主要与该方法局地均匀风假定有关。据此,针对不满足VAP方法假定条件的局地非均匀风场,提出了扩展VAP方法,并用模拟资料进行了对比试验,结果表明,扩展VAP方法能显著提高局地非均匀风场的反演能力,反演风场在风速大小和方向上都更趋于合理。通过实例反演以及与双多普勒雷达反演结果对比,进一步证实了扩展VAP方法的反演能力。

关键词：单多普勒雷达风场反演扩展VAP方法

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基于单多普勒雷达的光流法改进技术

气象科学 2020年第4期40卷 497-504页

作者：吴晓锋唐晓文王元沈文强南京大学大气科学学院/中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210093 南京大桥机器有限公司南京210093 成都信息工程大学大气探测学院成都610225

本文对基于径向速度的光流法在实际应用中存在的误差进行了分析,并提出了有效的改进方案。合成数据试验结果表明:基于径向速度的光流法在反演低仰角(小于2.5°)数据和包含非线性变化的实际风场时存在较大的误差。在低仰角情况下,由于径... 详细信息

本文对基于径向速度的光流法在实际应用中存在的误差进行了分析,并提出了有效的改进方案。合成数据试验结果表明:基于径向速度的光流法在反演低仰角(小于2.5°)数据和包含非线性变化的实际风场时存在较大的误差。在低仰角情况下,由于径向速度在垂直方向的分量非常小,导致垂直速度的反演包含较大的计算误差并影响水平速度的反演精度。而当实际风场存在较大非线性变化时(如锋面、切变线等),算法中的局部约束条件被破坏,导致切变区域反演精度降低或出现奇异值。针对这两种情况,本文提出了有效的改进算法。在低仰角情况下引入了简化的约束方程,并加入了径向速度一致性的约束条件来克服实际风场非线性带来的误差。通过理想数据试验和实际个例的检验发现,改进后的算法可以有效地提高风场反演的精度和应用范围。

关键词：单多普勒雷达光流法一致性约束约束方程简化

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单多普勒雷达反演涡旋风场方法分析

气象科技 2019年第5期47卷 719-730页

作者：常亚楠戴建华黄兴友郑石上海海洋气象台上海201306 上海中心气象台上海201306 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044 辽宁省气象装备保障中心沈阳110166

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(... 详细信息

由于单雷达在探测台风临近、登陆时仍具有双部或多部雷达难以具备的优势,目前利用单多普勒雷达反演涡旋风场的方法并不多见,本文对能够反演涡旋风场的3种方法NIVAP(自然坐标系的积分VAP方法)、EVAPTC(反演热带气旋的EVAP方法)、GBVTD(地基速度追踪法)进行了比较,分别从每种方法的假设条件和数学方法以及结果精度来比较3种方法对涡旋风场的适用性。利用中尺度气旋Rankine模式模拟了纯涡旋性气旋、只有环境风场时、环境风场和辐合(辐散)同时存在时的径向速度场及风场,比较了各种情况下的反演风场和模拟风场的相似系数。在对模拟风场比较之后,选取了2014年"威马逊"台风登陆前1h、登陆时及登陆后1h的3个实测雷达资料,对比分析了3种方法反演实测资料的风场特征,3种方法中EVAPTC方法最好,GBVTD方法在应用中有一定的限制,NIVAP方法较差。

关键词：单多普勒雷达反演风场涡旋风场 NIVAP EVAPTC GBVTD

基于单多普勒雷达的切变区风场反演技术及其在线状对流研究中的应用

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基于单多普勒雷达的切变区风场反演技术及其在线状对流研究中的应...

作者：吴晓锋南京大学

学位级别：硕士

通过对现有的多普勒雷达风场反演技术的回顾,我们发现现有的风场反演技术在某些方面还存在一些不完善之处(尤其是不适用于非线性变化风场和生消演变较快的强对流区)。针对这些问题,本文提出三种基于单多普勒雷达的适用于切变区的风场反... 详细信息

通过对现有的多普勒雷达风场反演技术的回顾,我们发现现有的风场反演技术在某些方面还存在一些不完善之处(尤其是不适用于非线性变化风场和生消演变较快的强对流区)。针对这些问题,本文提出三种基于单多普勒雷达的适用于切变区的风场反演技术,通过误差分析发现多约束变分法是其中反演效果最好、反演误差最小的一种方法。将多约束变分法应用到线状对流系统的研究中,以获取线状对流系统中的风场结构特征,进而增强对线状对流系统的分析能力和预报能力。本文从风场反演的原理、算法的可靠性以及算法在线状对流系统研究中的应用三个方面进行了详细的分析,并得到以下主要结论:相较逆矩阵法而言,多约束变分法的反演结果更加平滑,更接近真实风场;相较单约束变分法而言,多约束变分法的计算效率更高,且避免了将径向速度场误认为理想结果进行输出的情况。通过三组合成数据对三种算法的反演结果的误差分析表明:不管是在均匀风场、线性变化风场还是非线性变化风场中,多约束变分法的反演误差都小于其他两种算法,且能较好地反演非线性变化风场中的风切变区。通过与2015年6月1日发生在湖北监利的“东方之星”翻沉事件中双多普勒天气雷达(荆州雷达和岳阳雷达)的风场反演结果的对比发现:多约束变分法的反演结果与双多普勒雷达的反演结果基本一致,都可以较好地反映飑线系统的前侧入流、后侧入流、切变区以及辐合区,因此认为多约束变分法可以作为分析线状对流系统风场结构的有效手段。

关键词：单多普勒雷达风场反演切变区线状对流

北京7.21暴雨及中气旋结构的单多普勒雷达分析

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空中交通 2015年第11期 46-51页

作者：张强于洁民航华北空管局

引言暴雨一直以来都是北京夏季一种主要的灾害性天气，也是气象预报服务的重点，许多气象工作者对此做了大量工作。雷雨顺、孙建华、何敏、矫梅燕、毕宝贵等针对华北地区暴雨、天气形势、环流异常及其预报方法进行了总结分析和研究。... 详细信息

引言暴雨一直以来都是北京夏季一种主要的灾害性天气，也是气象预报服务的重点，许多气象工作者对此做了大量工作。雷雨顺、孙建华、何敏、矫梅燕、毕宝贵等针对华北地区暴雨、天气形势、环流异常及其预报方法进行了总结分析和研究。这些研究为我们认识北京的暴雨天气提供了基础和预报思路。

关键词：单多普勒雷达暴雨北京中气旋气象工作者结构灾害性天气预报服务

一次强烈雹暴的三维结构和形成机制的单、双多普勒雷达分析

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大气科学 2011年第2期35卷 247-258页

作者：王俊俞小鼎邰庆国盛日锋周黎明山东省人民政府人工影响天气办公室济南250031 中国气象局培训中心北京100081 山东省气象局济南250031

利用单多普勒天气雷达的反射率因子、径向速度数据和双多普勒雷达反演的三维风场,分析了一次强烈雹暴的产生、发展和维持机制。主要结果为:该雹暴是产生于中等偏上垂直风切变和较大的对流有效位能条件下的右移风暴,它在旧无序多单体风... 详细信息

利用单多普勒天气雷达的反射率因子、径向速度数据和双多普勒雷达反演的三维风场,分析了一次强烈雹暴的产生、发展和维持机制。主要结果为:该雹暴是产生于中等偏上垂直风切变和较大的对流有效位能条件下的右移风暴,它在旧无序多单体风暴的右侧产生。旧的多单体风暴和雹暴初始阶段主要雷达回波区域负的径向速度(向着雷达的速度)占主导地位,随着风暴的发展,特别是地面出现小冰雹后,雹暴中出现正径向速度(远离雷达的速度)区并且迅速增强,正径向速度与环境的负径向速度在强回波附近形成强烈辐合,促使雹暴发展和维持;旧多单体风暴低层的水平辐合风场主要是弱东北—东南风转西北—西南风,雹暴的水平辐合风场是由东北风和西南风组成,邻近雹暴的雷暴单体和雹暴自身在低层的风场形成半圆形的反气旋性环流。垂直风场结构表明,雹暴在高层的辐散气流与邻近雷暴单体高层气流结合后形成的下沉辐散气流,是该雹暴北风入流的主要产生原因;雹暴与邻近雷暴间通过高层和低层风场间的相互作用,促进了雹暴的产生、发展和维持。

关键词：强烈雹暴双多普勒雷达三维结构单多普勒雷达

利用四维变分同化技术反演低层风场的准业务应用研究

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利用四维变分同化技术反演低层风场的准业务应用研究

作者：牟容中国气象科学研究院

学位级别：硕士

实时从新一代多普勒天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高天气雷达的应用水平有重要的作用,将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构,将有助于提高我国中小尺度天气的预报技术。本论文利用Sun等建立的... 详细信息

实时从新一代多普勒天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高天气雷达的应用水平有重要的作用,将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构,将有助于提高我国中小尺度天气的预报技术。本论文利用Sun等建立的4D-VAR同化算法,根据各参数对实时业务同化结果的不同影响简化4D-VAR同化方法,对单多普勒雷达资料4D-VAR同化技术实时反演低层风场的准业务应用的可能性进行了分析研究。主要结论如下:(1)湿模式迭代40次同化单部雷达资料的风场结果与双雷达反演、探空资料等所得的风场结构基本一致,可以将中尺度系统的主要结构反演出来。当我们仅考察风场结构时,干模式和湿模式的差异很小,相同条件下干模式反演风场也能达到湿模式的效果。(2)不同的初猜场和背景场会影响反演效果。使用前一时次模式反演结果作为背景场,可以取得更好的反演效果,尤其是迭代次数不多的情况;没有前一时刻模式反演结果作为背景场时,使用VAD分析作为初猜场也可以获得较好的反演效果,但是随着反演区域风场变化的增大,误差也会增大;使用零速度场作为初始场误差较大,不宜采用。分辨率大小和反演区域的变化对风场反演结果影响不大。(3)将模式移植到配置为Pentium4 Processor 2.0G/RAM 1G/PC上,干模式迭代15-20次可在6分钟内完成。利用VAD分析作为初始场,前一时次反演结果作为背景场,干模式迭代15次(简化4D-VAR同化方法),反演我国新一代多普勒天气雷达观测到的各类强天气过程,反演的风场结构与各类典型天气的基本特征都比较吻合,能在趋势上反映出流场特征。(4)将简化4D-VAR同化方法运用在识别辐合线、切变线中尺度系统中,反演风场计算的辐合、切变与直接使用PPI上的径向速度计算的辐合、切变,在形态和位置上基本一致,它能反映出系统的大多数辐合、切变。还能对一些流场方向垂直于雷达径向的辐合、切变进行一定程度的识别。间接地说明了采用简化4D-VAR同化方法算得的风场结果具有一定的合理性和可靠性。(5)将简化的4D-VAR同化技术并入敏视达雷达有限公司RPG业务软件中,模式的稳定性较好,反演的风场结构基本合理,能满足业务使用的需求。(6)对某些距离较近,又不能达到双(多)雷达反演产品要求的雷达资料,分别进行单部雷达风场反演,然后将风场拼图作为双(多)雷达的产品使用。

关键词：单多普勒雷达 4D-VAR同化低层风场准业务应用