多普勒激光雷达风场反演方法研究

第５１卷　第１期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．１　２０２１年１月 ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＪａｎｕａｒｙ，２０２１ 文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０１ ０００３ ０６·综述与评论·多普勒激光雷达风场反演研究进展左金辉，贾豫东（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京１００１９２）摘　要：多普勒激光雷达因高精度测量、高空分辨率等特点对晴空天气的风场探测具有重要应用价值，但多普勒激光雷达只能获取径向风速，必需进行风场反演。

介绍了单部和多部多普勒激光雷达的风场反演技术的国内外进展及优缺点，其风场反演算法主要在微波雷达的基础上进行优化和创新。

结果表明，单部多普勒激光雷达中变分方法是最有前途的方法；早期多部雷达普遍存在同一性的问题，对多部多普勒激光雷达也没有提出更有效的方法，变分方法的提出使得单部雷达和多部雷达不再有根本的区别，同化方法成为今后的研究重点（典型方法是变分同化）。

关键词：多普勒激光雷达；风场反演；变分同化中图分类号：ＴＮ９５８．９８ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０１．００１ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒＺＵＯＪｉｎ ｈｕｉ，ＪＩＡＹｕ ｄｏｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｃｌｅａｒｓｋｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉ ｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｃａｎｏｎｌｙｏｂｔａｉｎｒａｄｉａｌｗｉｎｄｓｐｅｅｄ，ｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎ ｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｍｕｌｔｉ Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉａ ｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｍａｎｙｒａｄａｒｓｈａｄｔｈｅｓａｍｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｓｔａｇｅ，ｔｈｅｒｅｗａｓｎｏｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉ Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒａｄａｒａｎｄｍｕｌｔｉ ｒａｄａｒ，ａｎｄｔｈｅａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｆｏ ｃｕｓｏｆｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ（ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｖａｒｉａｔｉｏｎａｌａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ；ｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（Ａ类）（Ｎｏ．ＸＤＡ１７０１０４０１）资助。

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法方德贤1，2 3 董新宁4慕熙昱 1葛文忠11 南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京，2100932 重庆市气象台，重庆，4011473 南京工业大学，南京，2100934 重庆市气候中心，重庆，401147摘要文中提出的EVPP(Extended Velocity Plan Processing)方法是根据风场连续及局部分片光滑的性质，假定在一很小的分析窗内风矢量保持线性变化关系，使得在分析窗内反演得到的风场在矢径上的投影与实际观测的多普勒雷达径向速度场之间的误差达到最小，并利用零速度线这一特点对问题的求解做出约束，使得所得解尽可能达到全局最优，即：(1) 利用变分的思想求出水平风速的大小及方向；(2) 利用风场局部分片光滑，对风的方向做出矫正。

虽然由于风场受到线性假设这一限制，使得其使用的范围得到了局限，但是在本文中利用零速度线这一特征使得反演的结果得到了进一步的提高。

文中利用模拟的理想个例和实际观测到的个例分别进行了研究分析。

为了证明其理论的可行性，首先我们利用三维冰雹云模式模拟了辽宁2005年7月8日的一次冰雹云过程，考虑到个例的代表性，我们选择了辐合、辐散、旋转以及均匀风场等4种类型的流场结构进行了模拟分析，同时为了验证该种方法对于资料质量的依赖性以及噪声的敏感性，我们在理想质量中加入了随机噪声。

从对模拟风场的反演，证明了该方法理论上的可行性，而且噪声对其结构的影响不大。

然后针对台风、飑线、强对流等实际天气过程作了进一步分析。

最后对反演结果进行了误差分析，结果表明这一方法能较好地反演出中尺度系统的水平流场结构。

关键词：零速度线，线性规划，速度模糊。

初稿时间：2006年1月6日；修改稿时间：2006年5月11资助项目：国家自然科学基金项目“淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX）"(49794030)。

作者简介：方德贤，主要从事雷达资料质量控制和雷达风场反演、强天气识别等工作。

激光雷达风场矢量反演算法
激光雷达风场矢量反演算法是一种基于激光雷达数据的风场矢量反演方法。

该算法通过对激光雷达回波信号的分析，得到风向和风速的信息，从而反演出风场的矢量场。

具体来说，激光雷达风场矢量反演算法是通过测量激光雷达发射和接收回波信号的时间差、频率差等参数，来计算出风场的矢量信息。

其中，风速的计算基于多普勒效应，即通过测量回波信号的频率差来确定风速；而风向的计算则是基于激光雷达发射和接收回波信号的时间差，来确定风向。

激光雷达风场矢量反演算法具有非接触、高精度、高分辨率等优点，尤其适用于复杂地形和大气流场的测量。

目前，该算法已经广泛应用于气象、空气质量、环境监测等领域，为相关研究提供了有力的数据支持。

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气象研究与应用JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATION 第40卷增刊2019年12月Vol.40 SDec. 2019文章编号：1673-8411 (2019) S-0108-04广西多部多普勒雷达水平风场反演技术研究陈少斌，苏彦，卓健，周冬静，郭 彬（崇左市气象局，广西崇左532200）摘要：利用广西10部多普勒天气雷达的V27号雷达基本径向速度产品资料，釆用一种数学几何转换计算的反 演方法，对多部多普勒天气雷达回波重叠的区域进行风场反演。

以2018年9月17日台风山竹过程为例，与广西6个探空站数据进行比较，对反演的风场产品进行检验，结果表明反演产品可以体现出台风的中心位置及其环流的风场 结构，同时对台风外围的强风区、强对流区也有较好的表征作用。

关键词：径向速度；几何转换；风场反演中图分类号：P44文献标识码：A为弥补单部多普勒天气雷达因探测范围、回波 衰减程度及地理环境的局限性，提高业务人员的短临预警能力,2017年崇左市气象局成立“多部多普 勒雷达风场反演与拼图系统”项目组，在多普勒雷达分布点比较密集、回波相互覆盖面积较大的情况下 进行风场反演，以期反演的风场产品能够比较直观地体现影响系统的风场特征及演变情况。

广西10部多普勒天气雷达由CINRAN/SA 和CINRAN/SB 型号的S 波段雷达组成，站点组网布局较合理，因此本项目组参考了张培昌⑴的双雷达共斜面扫描法和罗昌荣⑵的双雷达反演原理，研究采 用一种基于多部多普勒天气雷达数据资料，通过几何转换计算来反演风场。

该方法具有反演精确的优 点，反演的风速风向较为精确，反演风场的最高分辨率为lkmxlkm,并且算法可逆，可作为雷达数据资 料数值化应用的支撑技术，将雷达资料应用到各种自主开发的业务系统中。

1数据和产品风场反演系统使用的数据来源于全国综合气象信息共享系统（CIMISS ）的广西10部多普勒天气雷达的V27号逐仰角基本径向速度产品。

单多普勒雷达水平风场的扩展VAP反演技术梁旭东1梅珏21上海台风研究所，上海，2000302民航华东管理局气象中心，上海，200335摘要单Doppler雷达风场反演技术对于扩大Doppler雷达的应用范围具有重要的作用。

在传统的反演技术中，VAD技术和VAP技术具有操作简单，原理清晰的特点，具有一定的实用价值。

本文在提出“按方位角均匀假定反演关系”的基础上，进一步证明VAD和VAP技术是“按方位角均匀假定反演关系”的两种特殊应用，进而把这两个方法统一起来。

在此基础上，提出采用“按方位角均匀假定反演关系”进行全风速的反演的扩展VAP技术（EVAP），采用该技术可以克服VAP技术对小尺度脉动敏感，以及VAD技术对流场过于平滑的问题。

最后通过对发生在上海的“0185“特大暴雨的雷达风速的反演，对EVAP技术进行了应用试验。

一、引言由于Doppler雷达能提供较高时空分辨率的风场和降水粒子分布信息，而且具有较大的空间覆盖范围，因此在强对流天气的监测、分析、预报中具有非常广泛的应用。

但是由于Doppler雷达只能探测到径向速度，并不能直接探测大气的三维运动。

通过两个或多个Doppler雷达同时对同一个目标的探测可以较准确地得到完整的风矢量，但是由于Doppler雷达站点距离的限制，这很难在实际应用中实现，同时双Doppler雷达分析也需要解决一些与单Doppler反演中不会遇到的问题，比如双Doppler雷达分析时需要两部雷达同时运作，同时需要对两部雷达进行精度订正。

因此对单Doppler雷达反演技术的研究更具有实际应用价值。

通过雷达的一维观测反演三维的流场必须通过附加的约束条件来减少未知量。

已经有较多的研究通过一定的假设，采用单Doppler雷达的探测信息来反演全风场，并且取得了一定的成果。

近年来，风场反演方法研究更多的集中在采用同化技术。

但是基于同化技术的反演方法由于计算复杂，在实际应用中具有一定的局限性。

｝丽矍本文对敏多普勒天气雷达反演大气三维风场＿ｉ技行了初步探讨。

采用较简零豹凄量连续方程求致蘧童速塞方案，弱舔嚣帮霞速豹径囊逮壤授影关系爱演人气三维风场。

首先，为检验此种反演方法的可靠性，我们使用ＭＭ５数值模式输出的三维溅场、穗蕈强场、温缓场等数据，分裂模毅生成鼹郊霉达同疹鼹渊区熬疑阳速度场釉豳波强度场，然后根据戳．ｔ的反演理除利用模拟的双多普勒天气雷达观测到的径向速度场和回波强度场反演出大气兰维风场。

眨演出的三维触场再与ＭＭ５数值模式簸出妁三维斑场加以比较，验证姥种反演方法的可靠】｜生。

反演络莱表唆：爱演褥到的馘场帮模羧的械场总体趋势蘩本一致，蘩ｘｌｚ均离差、均方差、平均相对离差均较小；两者的Ｊ二升气流和下沉气流的分布也很接近；基本上可以反映三维风场的状况。

然嚣露瑙兹反演方法瓣２００３零７嚣５嚣发生程安霰害黪一次簿隶遘稔进｛］二分析，根据安徽省念肥站和马鞍山站对此次降水过程的联合探测资料，应川上述质量连续方程求取垂直速度方案反演出大气风场的三维结构。

反演｛｜；翡大气三缀诫场戆结擒及中尺度辩滤系绞配嚣黎本会理。

ｊ毙铡表鞠ｉ这秘反演方法‘蟮初步应用予辩实际风场的反演。

关键词：双多普勒雷达；反演；数值模拟；误差分析：个例研究。

ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｔｉｓｐｒｉｍａｒｉｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｏｆｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｒ臻｜ｗｉｎｄＰ｛ｅｌｄｂｙＤｕａｔ－Ｄｏｐｐ｜ｅｒｒａｄａｒ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｉｍｐｌｅｍａｓｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｅｑｕａｔｉｏｎ稔ｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｖｅｒｔｌｃａｌｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｄｕｓｅｒａｄｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｏｆＤｕａｌ＊Ｄｏｐｐｌｅｒｒａｄａｒｔｏｒｅｔｎｅｖｅ獭ｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉＯＲＢｌｗｉｎｄｆｉｅｌｄ，Ｆｉｒｓｔ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｔ海，ｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｏｆｔｈｉｓｒｅｔｒｉｅｖａｌｍｏｎｔｈ，龄ｕｓｉｎｇｔｈｅｄａｔａｏｆｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗｉｎｄｆｉｅｌｄ、ｒａｉｎｉｎｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｔｈａｔａｒｅｏｕｔｐｕｔｂｙＭＭ５ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｅｃｌｉｍａｔｅｔｈｅｒａｄｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄａｎｄｅｃｈｏｉｒ建ｅｎｔｉｏｎｆｉｅｌｄｉｎｔｈｅ溉一ｐｈａｓｅｅｂｓｅｒｃａ［酶ｎ妻瓣鼗ｏｆＤｕａｌ－Ｄｏｐｐｌｅｒｒａｄａｒ，ｔｈｅｎ，ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｕｐｗａｒｄｓｒｅｔｒｉｅｖａｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅｒａｄｉａＩｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄａｎｄｅｃｈｏｉｎｔｅｎｔｉｏｎｆｉｅｌｄＩｎｔｈｅｉｎ－ｐｈａｓｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｒｅａｏｆＤｔｒａ；－Ｄｏｐｐｌｅｒｒａｄａｒ，ｗｅｒｅｔｒｉｅｖｅｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅ髓ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｗｉｎ矮纛ｅ邂。

瑞利散射多普勒激光雷达风场反演方法*沈法华1，2，董吉辉2，刘成林1，王忠纯1，舒志峰2，孙东松2(1.盐城师范学院物理系江苏盐城2240022.中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥230031)摘要：关键词：激光雷达；瑞利散射；多普勒；风；Fabry-Perot 标准具中图分类号：TN958.98 文献标识码：AWind Retrieval Method of Rayleigh Doppler lidarSHEN Fa-hua1,2, Dong Ji-hui2, Liu Cheng-lin1, Wang Zhong-chun1, Shu Zhi-feng2,SUN Dong-Song2(1. Department of Physics, Yancheng Teachers College, Yancheng, 224002, China;2. Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Hefei, 230031,China)Abstract:Key words:Lidar, Rayleigh scattering, Doppler, Wind, Fabry-Perot etalon1引言高精度、高分辨率的全球大气风场观测在气象研究、天气预报、大气环境监测和国防高技术战略/战术武器系统的气象保障、靶场气象条件检测等方面都具有广泛的应用。

目前，直接探测多普勒测风激光雷达是能够实现全球范围三维风场测量的最有效工具。

直接探测测风激光雷达对大气风场的测量主要利用了气溶胶或分子作为后向散射目标。

在气溶胶散射较强的区域，一般在低对流层或边界层附近，米散射测风激光雷达提供了高频谱分辨率和高灵敏度测量的可能性。

但是在南半球的大部分地区和海洋中部地区，自由对流层的气溶胶浓度较低，而且在高对流层至平流层顶区域，气溶胶浓度一般很低，米散射测风激光雷达就无能*基金项目：安徽省国际科学合作计划项目（0908*******）作者简介：沈法华（1981~），男，博士，从事激光雷达大气探测研究；Email: sfh81914@。

多种单多普勒雷达风场反演方法对比试验
周海光;张沛源
【期刊名称】《气象》
【年(卷),期】2000(026)005
【摘要】采用典型风场资料对4种单多普勒天气雷达风场反演方法进行了对比试验,这4种方法是VAP方法,涡度-散度法,简单伴随函数方法,动力方程组求解方法.试验结果表明,不同风场应采用不同反演方法.
【总页数】4页(P13-16)
【作者】周海光;张沛源
【作者单位】中国气象科学研究院,北京,100081;中国气象科学研究院,北
京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】P4
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