单多普勒雷达水平风场的扩展VAP反演技术

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单多普勒天气雷达非对称VAP风场反演算法

Equipment Manufacturing Technology No.03,2020单多普勒天气雷达非对称VAP风场反演算法谢千里（中国民用航空中南地区空中交通管理局，广东广州510403）摘要:在VAP（Velocity Azimuth Processing）方法的基（上进行改进，根据局1风场是均一的假设条件，在无对称＞数据的地方，通过不对称取点来进行计算，从而反演出风场。

对天气雷达回波存在大量空缺的情况有较好的填充效果,具有较高的实用价值。

关键词：多普勒天气雷达;VAP;风场反演中图分类号：P49文献标识码:A文章编号:1672-545X(2020)03-0098-04 0引言1VAP算法简述多普勒雷达只能探测到风场径向速度分量，准确的水平风场至少需要两部多普勒雷达同时观测才能获得，且只能在覆盖重叠的区域才能进行合成。

然而多普勒雷达建设和维护费用高，难以实现大面积的多重覆盖。

目前我国的天气雷达建设现状是，虽然拼图能覆盖全国大部分地区，但雷达与雷达之间更多的是互补的覆盖关系，重叠区域较少。

所以单雷达的风场反，然重要的用价值。

目前，在多单多普勒天气雷达二维风场反演，量小，实用高的要VAW （Velocity-Azimuth Display）、V AP[2]以及它们的改进算。

风场反是雷达回面积的,VAD 用回面积大，且分雷达的，度，大，，VAD风场反较叫VAP用部，雷达回波面积要较，且分要，，VAP 风场反较叫实大多是天气雷达回的面积，且分，难以VAD，故在实用中,VAP用更高。

然而在回在大量和的实，VAP在回更大的，且分单大，得到的反风场区。

为，改进的VAP，以大反风场数据区。

VAP图1所，在同，邻方位角两点的风矢量相同，在0A=OB=0C且!A0B=!AOC=!，A，B，C三点处的风矢量相同，均为与径向0A，0B，0C的分别为a,"?, "2。

A,B,C的径向速度分（）1,（）2,（）3,0A的#,关系（=2（）1H",C）2cos"cos!（1）和式（2）"和风矢量大（,风量V的#+",,A的风量以右！的两个径向的B 点和C点的径向风速。

基于VAP方法的多普勒雷达风场反演研究

发现这种方法效果不明显，因此提出用９个３ ×３的方格数据共同进行滤波的方法。
ｌ广１ — ｒ＿ｆ／ｒ１＿ — ．— ＬＬ／ＬＩ一一－－
３１资料预处理的新方法．
图１风场原理示意图（极坐标）
以前资料的预处理一般采用一维线性平滑方法，这样可以滤掉部
分速度脉动，但在反演结果中仍然不能达到要求。因此采用平均值滤
波和中值滤波综合应用来去掉脉动和噪声数据。选取从第一个不为零的距离圈中的３方格数据开始进行滤波， ×３即对如图２所示的中心点（，）以及它周围的８个点共同进行滤波。在直接进行９点中值滤波时，即选取该９点的中间值代替中心坐标点（），的数据，
１引言
多普勒天气雷达风场产品在民用天气预报和预警中有着非常重要的地位，尤其在对强对流天气过程的预报
中有不可替代的地位。在基于单多普勒雷达的风场反演中采用陶祖钰教授提出的ＶＰ方法，Ａ在假定相邻方位角
的风矢量相等的条件下，从基速度资料中所测得的各个距离圈上的径向速度随方位角分布的廓线推算出风向和风速，这样可以保证反演得到的风场保留了天气中尺度特征。为了反演得到合理的ＶＰ风场，Ａ首要条件就是要求雷达速度资料中不能有明显脉动，通过雷达硬件的退模糊处理，能够滤除掉一部分速度模糊资料，但要能够客观的、准确的、合理的反演出实时风场，在软件设计中必须进行软件退模糊处理。常规做法是首先对雷达回波速度资料进行中值和均值综合滤波处理，以消除较大的脉动和噪音。然后通过双Ｐ进行软件速度退模糊处理，Ｉ最终对处理后的资料进行方格反演风场。研究设计在常规资料预处理的基础上，对低仰角数据按照提出对不同回波距离数据进行的距离方格法资料处理和实际风场反演。

基于风向线性变化假定的单Doppler雷达风场IVAP反演技术

基于风向线性变化假定的单Doppler雷达风场IVAP反演技
术
王欣颖;梁旭东
【期刊名称】《暴雨灾害》
【年(卷),期】2009(028)001
【摘要】IVAP和扩展VAP技术是在常用的VAD和VAP技术基础上发展起来的单Doppler雷达风场反演技术.在IVAP和扩展VAP技术基础上,进一步改进IVAP 技术,将IVAP技术反演假定从局地均匀扩展到局地风速均匀、风向随方位角线性变化,进而提高IVAP技术的反演能力.使用涡旋流场试验表明,改进后的IVAP技术对于风速稳定,而风向变化的风场的反演能力有明显提高.由于改进后的IVAP技术保持了IVAP技术反演时可不对原始资料进行平滑预处理,对于小尺度扰动具有滤波作用,其应用更为广泛.
【总页数】5页(P71-74,91)
【作者】王欣颖;梁旭东
【作者单位】解放军理工大学,南京,211101;上海市气象局,上海,200030;中国气象局上海台风研究所,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】P412.25
【相关文献】
1.由单Doppler雷达资料反演水平风场的简单共轭函数方法的改进方案 [J], 邱崇践;Xu.,O
2.单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用 [J], 李华宏;曹杰;王曼;胡娟;闵颖
3.从单Doppler速度场反演风矢量场的VAP方法 [J], 陶祖钰
4.单Doppler雷达IVAP风场反演试验 [J], 梅珏;梁旭东;吕环宇
5.双Doppler雷达非同时性资料反演三维风场的改进方案 [J], 刘舜;邱崇践
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多普勒激光雷达风场反演研究进展

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：１００１５０７８（２０２１）０１０００３０６·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：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２１．０１．００１ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒＺＵＯＪｉｎｈｕｉ，ＪＩＡＹｕｄｏｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｃｌｅａｒｓｋｙｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，Ｄｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒｃａｎｏｎｌｙｏｂｔａｉｎｒａｄｉａｌｗｉｎｄｓｐｅｅｄ，ｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｗｉｎｄｆｉｅｌｄｉｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｍｕｌｔｉＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｉｓｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒａｎｄｍａｎｙｒａｄａｒｓｈａｄｔｈｅｓａｍｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｅａｒｌｙｓｔａｇｅ，ｔｈｅｒｅｗａｓｎｏｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉＤｏｐｐｌｅｒｌｉｄａｒ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｒｅｉｓｎｏｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｓｉｎｇｌｅｒａｄａｒａｎｄｍｕｌｔｉｒａｄａｒ，ａｎｄｔｈｅａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂｅｃｏｍｅｓｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈ（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。

多普勒雷达风场反演VAP方法的资料预处理

多普勒雷达风场反演VAP方法的资料预处理
白洁;陶祖钰
【期刊名称】《应用气象学报》
【年(卷),期】2000(011)001
【摘要】在分析了三类单多普勒雷达反演风场方法的基础上,认为VAP方法是近期内可望在业务中应用的方法,并指出VAP方法的关键是能否将原始资料中的中-β及以上尺度的风场信息过滤出来,以消除中-γ尺度以下风场信息对反演结果的影响.为此提出了二维区域滑动低通滤波方法对资料进行预处理.此外还对VAP方法的风速计算公式进行了改进以减小计算误差.
【总页数】6页(P21-26)
【作者】白洁;陶祖钰
【作者单位】空军第七研究所,北京,100085;北京大学地球物理系暴雨监测与预测国家重点实验室,北京,100871
【正文语种】中文
【中图分类】P4
【相关文献】
1.基于VAP方法的多普勒雷达风场反演研究 [J], 周鑫;刘艳
2.一次冰雹过程的多普勒雷达资料的风场反演与分析 [J], 石燕;冯晋勤;闵爱荣;李武阶
3.C波段双多基地多普勒雷达资料处理和三维变分风场反演方法研究 [J], 刘黎平;莫月琴;沙雪松;苏涛
4.单多普勒天气雷达非对称VAP风场反演算法 [J], 谢千里
5.单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法(Ⅰ):方法与对比试验 [J], 周振波;闵锦忠;彭霞云;杜宁珠
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单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用

单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用李华宏;曹杰;王曼;胡娟;闵颖【摘要】为了改善低纬高原地区天气预报水平,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达VAD (Velocity Azimuth Display)反演风场资料同化试验.通过设计不同的试验方案,对2009年6月30日00:00至7月1日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明:同化VAD反演风场资料后对区域模式的风矢量初始场有明显影响.同化系统能把雷达反演风场信息有效地引入模式初始场,改善强降水区域的水汽输送和风场辐合强度;同化VAD反演风场资料后对区域模式累计降水预报有一定改进作用.从长时间累计降水量定量检验结果看,具体表现为25 mm以上量级的降水准确率明显提高、漏报率下降,预报偏差更趋合理.不同的同化试验方案之间的模拟结果差异较大.同化频率越高、同化持续时间越长,对区域模式初始场和预报场的影响越明显.但同化持续时间不宜过长,否则可能导致系统移速过快、降水强度偏大、空报率增加等异常.【期刊名称】《气象科技》【年(卷),期】2014(042)005【总页数】9页(P823-831)【关键词】雷达反演风场;变分同化;低纬高原;暴雨预报【作者】李华宏;曹杰;王曼;胡娟;闵颖【作者单位】云南省气象台,昆明650034;云南大学大气科学系,昆明650091;云南大学大气科学系,昆明650091;云南省气象科学研究所,昆明650034;云南省气象台,昆明650034;云南省气象台,昆明650034【正文语种】中文引言随着各种反演技术和同化系统的发展，雷达资料在数值模式中的同化应用已成为当前气象行业的研究热点之一。

Xiao等［1－3］分别采用 MM5模式、WRF模式及其3DVAR系统进行了台风、暴雨等过程的雷达资料同化试验，结果表明雷达径向风资料对雨带的强度和范围预报有积极作用。

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法

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。

单多普勒雷达风场反演方法敏感性试验

维普资讯
第８卷第３期
２００７年６月
解放军理工大学学报（然科学版）自
ＪｕｎｌｏＵｎｖｒｉｆＳｉｎｅａｄＴｅｈｏｏｙｏｒａｆＰＩＡｉｅｓｔｏｃｅｃｎｃｎｌｇｙ
３南京大桥机器厂，．江苏南京２１０）１１１
摘要：为了比较３种单多普勒天气雷达风场反演方法（ＶＡＰ方法、即ｕｗ方法、涡度一度法）散的反演效果
和适用性，用这３种方法对几种典型的理想风场进行反演和敏感性对比试验，对造成反演效果差异的原因并
进行了细致的分析。试验结果表明，３种方法对均匀风场的反演效果都很好，这ｕｗ方法的误差最小且计算
量较小；３种方法对切变场的反演效果类似，向速度差值较大的ＵＷ方法相似系数却稍大，变越大时反径切
演误差越大；于涡旋场３种方法反演效果都不理想，为径向气流显著而切向气流不显著的涡旋场可以用对若
ｍｅｈｏｔｄ．ＳｅｓｔｖｎｄｏｒｓｉｅｅｐｅｉｎｓｗｅｅｏｎｏｃｎｉｉｅａｃｎｔａｔｖｘｒｍｅｔｒｄｅｔｏｍｐｒｔｓｍｅｈｄｓＴｈｅｕｌｓｓｏｗａｅｈｅｅｔｏ．ｅｒｓｔｈｔｔｔｙａｅａｌｓｉａｂｅｆｒｅｅｎｄｆｅｄａＤｔｏｄｉｅｔｒｔｎｔｅｏｔｒｔｏｈｅｓａｈａｈｅｒｌｕｔｌｏｖｎｗｉｉｌｎｄＶ— ｍｅｈｓｂｔｅｈａｈｈｅｗｏｆｒｔｈｅｒｆｅｄ．Ｔｈｅｅｍｅｈｓａｅｎｏｎｇｈｆｈｅｖｒｅｉｌｓｔｏｄｒｏｔｇｏｄｅｏｕｏｒｔｏｔｘ，ｂｕｈｅｒｓｌｓａｅｂｔｅｅｈｅｅｉｎｌａｔｔｅｕｔｒｅｔｒｗｈｎｔｒｓｏｙｒ — ｄｉｌｅｏｉｙ，ｅｐｃａｌｕｉｔＤｅｈｏａｖｌｃｔｓｅｉｌｙｓｎｇｈｅＶ— ｍｔｄ．Ｗｈｎｔｒｉｏｙｔｎｎｔａｌｉｙ，ｔｅｒｓｔｒｅｈｅｅｓｎｌａｇｅｉｌｖｅｏｃｔｈｅｕｌｓａｅｐｒＴｈｅｄｉｆｒｎｃｓｉｈｅｅｐｅｉｎｓｂｔｅｈｅｔｅｔｄｓｗｅｅａｓｓｕｓｄ．ｏｏ．ｆｅｅｅｎｔｘｒｍｅｔｅｗｅｎｔｈｒｅｍｅｈｏｒｌｏｄｉｃｓｅＫｅｒｙｗｏｄｓ：Ｄｏｐｌｒｒｄｒ；ｗｉｄｒｔｉｖｌｅｓｔｖｉｙｅｐｅｉｎｐｅａａｎｅｒｅａ；ｓｎｉｉｔｘｒｍｅｔ

单多普勒激光雷达机场小尺度风场反演研究

第４０卷第１１期
２１００年１月１
激光与红外
ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ．０，ｏ１１４Ｎ．１
Ｎｏｅｅ２０１ｖｍｂｒ，０
文章编号：０－７（００１— ６－１１０８２１）１１８５０５１０
・ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ激光应用技术・
据进行比较，分析反演误差，结果表明几何方法能够较好的反映小尺度风场变化趋势。
关键词：场反演；风多普勒激光雷达；ＶＶＰ算法；何算法几
中图分类号：Ｎ５．８Ｔ９８９文献标识码：Ａ
ＲｅｅｒｈｏｉｐｒｉｒｓａｅｗｉｄｆｅｄｒｔｉｖｌｗｉｈｓａｃｆａｒｏｔｍｃｏｃｌｎｌｅｒｅａｔｉｓｎｌｐｌｒｌａｉｇｅＤｏｐｅｉｒｄ
ＪＡＮＧＬ —ｕ，ＡＮＤｏｂｎ，ＵＨＡＮＧＺ —ｏ，ＯＮＧＸｉｇｌｎＩｉｉＦａ — ｉｇＺｈｉｂＸＩｎ— ｇｏ
（ｎｌｇｎｅＳｇａａｄＩａｅｐｏｅｓｇＫｙＬｂｉｉＪ，ｏｌｅｏｌｃｏｉＩｆｒｔｎＥｇｎｅｎ，ＩｔｌｅｃｉｎｌｎｍｇｒｓｉｅａＴａｉＣｌｇｆｅｔｎｏｉｎｉｅｒｇｅｉｃｎｎｎｎｅＥｒｃｎｍａｏｉ
ｗｎｅｄｉｌｃｌｏｇｎｏｓＴｅｍｅｈｄｐｏｅｓｓｔｅｒｄａｅｏｉ，ｈｃｓｄｔｃｅｙＤｏｐｅｉａ，ｅｉｄｆｌｏａｙｈｍｏｅｅｕ．ｈｔｏｒｃｓｅｈａｉｖｌｃｔｗｉｈｉｅｅｔｄｂｐｌｒｌｒｔｒ — ｉｓｌｌｙｄＯ

一种新的单多普勒雷达风场反演方法

一种新的单多普勒雷达风场反演方法
郎需兴;魏鸣;葛文忠;党人庆
【期刊名称】《气象科学》
【年(卷),期】2001(021)004
【摘要】本文提出的VPP(Velocity Plan Processing)方法是根据单位分析单元内部风场是均一的假定条件,通过变分的思想得到水平切向风场,进而转换成水平风场.文中对单位分析单元大小对反演风场误差的影响进行了分析,结果表明:分析单元方位角跨度大于等于6°时会得到较高的反演精度.为了验证VPP的结果,进行了模拟及实例反演,文中给出了两个反演实例,第一实例为梅雨锋过程,第二个为中尺度雹暴过程.结果表明可以很好地反演中尺度系统.
【总页数】8页(P417-424)
【作者】郎需兴;魏鸣;葛文忠;党人庆
【作者单位】南京大学大气科学系,;南京大学大气科学系,;南京大学大气科学系,;南京大学大气科学系,
【正文语种】中文
【中图分类】P407.8
【相关文献】
1.基于单多普勒激光雷达低空三维风场反演方法 [J], 庄子波;蒋立辉;田俊峰;李勇
2.单多普勒雷达风场反演方法敏感性试验 [J], 吴海燕;臧增亮;祝小康
3.单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法 [J], 方德贤;刘国庆;董新宁;
慕熙昱;葛文忠
4.单多普勒雷达径向风场反演散度场的一种新方法 [J], 臧增亮;吴海燕;黄泓
5.单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法(Ⅰ):方法与对比试验 [J], 周振波;闵锦忠;彭霞云;杜宁珠
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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。

传统的VAD和VAP技术直接从探测资料中提取风场信息，具有原理简单，算法简洁快速的特点，因此更便于业务应用。

本研究即在将VAD和VAP技术进行统一的基础上，提出扩展的VAP技术。

采用该技术具有原理简单，计算简洁的特点，同时由于该方法同时具有了VAD的平滑性以及VAP 的高分辨率能力，可以根据需要选择合适的反演区间得到满足特定平滑性和分辨率要求的风场，因此具有较广的应用范围。

二、单Doppler 雷达风场反演技术概述尽管Doppler 雷达只能观测到径向速度，但是在仰角较低不考虑垂直速度影响的情况下，不同的观测点上径向速度是二维流场的按权重组合θθθθθsin cos v u V --= (2.1)其中θV 是某一向径上方位角θ处的雷达经向速度，θu 为该点水平风的u 分量，θv 为该点水平风的v 分量。

如果把经向速度看作是对二维流场的按权重采样，则通过对采样样本的分析可以得到流场的基本特征，比如平均值，方差等，同时通过对整个距离圆上的经向速度的分析可以得到整个观测圆内的形变特征，如平均散度（陶祖钰1995[1]）或散度（刘淑媛,1999[2]），通过对某个采样区域的分析也可以得到该区域流场的某些基本特征。

在此基础上对该分析区域流场进行适当的假定即可得到整个流场在该假定下的完整分布。

根据经向速度的分布特征，在20世纪60年代由Lhemitte 等提出了在均匀风假定条件下，由经向风反演平均风场的速度方位显示(Velocity Azimuth Display,VAD )技术。

后经Caton 和Browning (1986[3])等的进一步完善。

该方法在假定风场水平均匀的情况下，通过径向风傅氏级数展开后各项系数与平均水平风场、风场散度、拉伸形变和切变的关系来进行平均风场及其形变特征的反演。

该方法原理简单，应用方便，但是只能给出平均的水平风场。

Easterbrook 和Waldteufel (1979[4])等在局地均匀风的假定条件下，先后提出了速度面积显示（VARD ）方法和速度体积处理（VVP ，Velocity Volume Processing ））技术。

Koscielny 等（1982[5]）等用简化了的VVP 方法反演出一个静止锋形势下的行星边界层的风场。

采用VVP 技术通过对给定体积内的径向速度的线性分析来反演该区域内的散度和形变量，但是该方法不能唯一地确定风场和涡度场。

通过假定相临方位角范围内风场均匀，陶祖钰等（1992[6]）提出了VAP 方法。

VAP 方法是假定水平风场在较小的区域内是均匀的，因此通过各距离圈上相临一定方位角的径向速度的变化量来反演水平风场。

由于该方法假定风场局地均匀，因此对于某一点的风场的反演不受整个距离圈的径向速度的影响，这是优于VAD 方法之处。

但是该方法对径向速度随方位角的变化较敏感，因此为了满足局地风场均匀的假定需要对径向速度进行平滑。

白洁（2000[7]）等采用二维滑动滤波方法来滤除径向速度中的小尺度脉动。

由于雷达反射率反映了大气中降水粒子的分布信息，而降水粒子除垂直运动外，在水平方向上受到气流的平流作用，因此通过对连续时刻的雷达反射率的相关分析也能反演水平风场，采用这种方法的有Zawadzki(1973[8])，Rinehart(1979[9]), Tuttle （1990[10]）等的TREC （Tracking Reflectivity Echoes by Correlation ）方法。

这种方法假定反射率的空间变化是由于水平平流的作用，使用该方法能得到连续时次间的平均水平风场，但是不适合于反射率在空间的分布比较均匀或则变化比较剧烈的区域。

Zhang （1996[11]）等采用反射率守恒，以及流场水平结构稳定的假定，但为了消除由于两次连续观测的时间间隔造成的虚假的反射率局地变化，采用移动坐标系的方法，并引入径向速度的约束使用多次连续观测来反演风场。

最近十几年来，Sun J.(1991[12])等采用伴随方法，采用三维动力和热力方程求解三维风场和热力量地方法来进行反演。

该方法能得到适合于模式的初始场。

Qiu and Xu 1992[13]; Laroche and Zawadzki 1993[14]; Xu et al. 1994a [15],b [16]; 1995[17].等应用伴随方法基于简单的模式也进行了反演研究。

但是由于该方法计算量较大，如何在实际中应用还有待研究。

综观这些反演技术，基于伴随同化技术的反演方法正越来越受到重视，但是该类方法实现比较复杂，计算量比较大，在实际应用中还存在困难。

基于回波强度（径向速度）在两次连续观测中守恒的反演技术由于没有直接考虑Doppler 雷达的径向风观测，其实并没有发挥Doppler 雷达的的探测优势。

相对来说，VAD 技术和VAP 技术原理简单，实现起来容易，更具有业务使用价值。

而且通过推导可以发现，VAD 技术和VAP 技术具有一致性。

这就可以对这两种技术进行统一并进行扩展使用。

三、 VAD 技术和VAP 技术的一致性根据Doppler 雷达探测原理，当仰角比较低，不考虑垂直速度时，某一向径上方位角θ处的径向风θV 可以表示为该点水平风θu 和θv 的组合：θθθθθsin cos v u V --= （3.1）将（3.1）两侧分别乘θsin 和θcos 并在方位角区间[1θ，2θ]上积分得到：θθθθθθθθθθθθθθθθd v d u d V ⎰⎰⎰--=2121212sin sin cos sin （3.2）θθθθθθθθθθθθθθθθd v d u d V ⎰⎰⎰--=212121sin cos cos cos 2(3.3)假定在[1θ，2θ]范围内风场是均匀的，以上两式可表示为：θθθθθθθθθθθθθθd v d u d V ⎰⎰⎰--=2121212sin sin cos sin (3.4)θθθθθθθθθθθθθθd v d u d V ⎰⎰⎰--=212121sin cos cos cos 2(3.5)其中u 、v 是[1θ，2θ]区间内的平均风。

由(3.4)式得：θθθθθθθθθθθθθθd d u d V v ⎰⎰⎰--=2121212sin sin cos sin (3.6)由(3.5)式得：⎰⎰⎰--=2121212cos sin cos cos θθθθθθθθθθθθθθd d v d V u (3.7)由(3.6)和(3.7) 式得)cos sin )sin cos (1/()cos sin sin cos sin cos cos (212121212121212121222222⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d d d V d d V u2222)sin cos (cos sin sin cos sin sin cos 21212121212121⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d V d d V (3.8a))sin cos )sin cos (1/()sin cos sin cos cos sin sin (212121212121212121222222θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d d d V d d V v ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=2222)sin cos (sin cos sin cos cos cos sin 21212121212121θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d V d d V ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=(3.8b)当[1θ，2θ]为半周期（[0，π]或[π，2π]）或全周期[0，2π]时0cos sin 0=⎰πθθθd (3.9)则(3.9)和(3.10)式即为VAD 技术：⎰⎰-=ππθθθθθ02coscos d d V u (3.10a)⎰⎰-=ππθθθθθ02sinsin d d V v (3.10b)当仅取区间[1θ，2θ]的两个端点1θ和2θ时由（3.8a ，b ）得：2222)sin cos (cos sin sin cos sin sin cos 21212121212121⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d V d d V u12211221cos sin cos sin sin sin θθθθθθ--=V V (3.12a)2222)sin cos (sin cos sin cos cos cos sin 21212121212121θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθd d d d d V d d V v ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+-=12211221cos sin cos sin cos cos θθθθθθ-+-=V V (3.12b)。