利用多普勒雷达资料识别低空风切变和辐合线方法研究

1) (北京大学物理学院大气科学系 ,北京 100871) 2) (中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室 ,北京 100081) 3) (陕西省气象台 ,西安 710015) 4) (北京敏视达雷达有限公司 ,北京 100085)
摘 要
该文研究了利用多普勒雷达径向速度资料识别低空风切变和辐合线的方法 ,讨论了不同的计算“窗口”大小对 资料预处理效果和梯度计算的影响 ,并对几次强对流天气进行识别 、分析 。结果表明 :预处理采取先中值滤波后滑 动平均 ,选择合适的“窗口”能在有效去除库间脉动的同时保持中尺度信息 ;经过资料预处理后 ,从径向速度计算的 切变结果与径向速度中反映的中尺度结构比较一致 ,能够从这些资料中自动提取辐合和切变的中尺度信息 ;强降 水回波与风切变高值区位置 、变化趋势一致 ;垂直切变能够提供径向风场的高低层配置信息 ;利用径向速度资料可 以实现对风切变和辐合线的自动识别 ,为灾害性天气预警 、预报提供重要的客观依据 。 关键词 : 多普勒天气雷达 ; 径向速度 ; 辐合线 ; 切变线
位角 , r 为距雷达距离 , m 为参与计算的资料点数 。
这里所取的点应该距雷达距离相同 ,即 r 为常数 。
1. 3 垂直切变的计算
这里定义垂直切变为 ,在相同方位角上 ,距雷达 距离相同 (即 r ,θ都是常数) 的上下两层 PPI 上径
向速度值随垂直高度的变化
,即
9 9
v h
。计算公式为
l
(
9 9
v) r
2
+
( r99θv )
2
,
9 9
v r
和
r99θv 分别为式 (1) 、式 (2) 计算的径向切变和切向切
变 。根据需要
,只计算
9 9
v r
<
0
区域的资料 。
2 数据资料
本文应用了 3 个天气过程资料 ,其中两个为 S 波段新一代天气雷达 (CINRAD/ SA) 观测结果 ,分别 是 2005 年 3 月 22 日广州的一次强飑线天气过程和 2004 年 6 月 21 日济南的暴雨过程 ;荆州 C 波段新 一代天气雷达 ( CINRAD/ CC) 于 2002 年 7 月 22 — 23 日观测到的一次混合云暴雨天气过程 。
Ξ 国家重点基础研究发展规划项目“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究”(2004CB418305) 和北京敏视达雷达有限公司课 题“低层风场反演系统和边界层辐合线/ 风切变识别系统研制”共同资助 。 2006203210 收到 ,2007201212 收到达资料识别低空风切变和辐合线方法研究 3 15
乎消失 ;在 b —c 段 ,这 4 个滤波结果的大梯度区几乎 重合 ,保持了这个区间的大梯度特征。可见 ,对较大 尺度的大梯度区域 ,选择合适的滤波参数 ,可以实现 去除资料脉动的同时保持大梯度值不变 。 3. 2 滑动平均分析
令 n4 = 5 ,10 ,20 ,40 作径向滑动平均 ,与原始数 据对比 ,结果见彩图 1b。图中 n4 取值较小时大的梯 度区间可以保持 ,但库间脉动仍然存在 ,没有中值滤 波的效果好 ;随着 n4 的增加 ,库间脉动去除的同时 , 大梯度区却逐渐减小 。说明单纯的滑动平均不能实 现在去除库间脉动的同时保留需要的中尺度结构 。 3. 3 中值滤波后滑动平均分析
引 言
切变线在气象上是专指具有气旋式切变的风场 不连续线 ,为我国主要降水天气系统之一 。而风场 上气流聚合的不连续线 ,称为辐合线[1 ] 。天气系统 中具有辐合线或切变线性质的很多 ,如飑线 、锋面 等 。辐合线或切变线上也常会出现强对流或其他天 气现象 。
风切变包括水平风的垂直切变 ,水平风的水平 切变以及垂直的风切变 。许多研究和经验表明 ,中 低层的中尺度辐合线或切变线的建立对于暴雨的发 生和落区具有很好的指示作用[2 ] ,并且是强单体合 并的动力因素 。强对流过程的预报对交通 、大型政 治 、体育等活动的气象保障有重要的意义 。低空风 切变还是造成飞行器在起飞或降落时发生事故的主 要原因 。对于龙卷 、飑线等强对流云的发展和维持 , 低层风的垂直切变也有很重要的作用[324 ] 。
第 18 2007
卷 年
3期 6月
J OU RNAL
应用气象学报
OF APPL IED METEOROLO GICAL
SCIENCE
Vol. 18 , No. 3 J une 2007
利用多普勒雷达资料识别低空风切变 和辐合线方法研究 Ξ
王 楠1) 2) 3) 刘黎平2) 徐宝祥2) 张建云4)
这里采用沿径向速度变化比较大的一组数据为 例做分析 ,对于沿切向变化的分析情况和结果类似 , 故略去 。分析数据为 2004 年 6 月 21 日 17 :40 (世界 时 ,下同) 济南 CINRAD/ SA 雷达的观测资料 。选取 最低层 (0. 53°仰角) ,方位角为 44. 64°,第 120～240 个像素点的径向速度数据 。 3. 1 中值滤波分析
行 ,否则作为无资料处理 。最后为了显示更清楚 ,可
以再对计算结果进行中值滤波 。
3 16 应 用 气 象 学 报 18 卷
1. 4 径向方位组合切变 径向方位组合切变表示雷达径向速度沿径向、
切向的综合变化 ,定义为 :
差 。因为缺测区域的孤立性和不连续性 ,而切变线
和辐合线一般都是连续和有一定长度的 ,所以剔除
这些区域并不会影响到最终的计算结果 。
1. 2 径向速度的径向和切向切变的计算
采用最小二乘拟合法 ,对任一组随机数据 ( y1 , x 1) , ( y2 , x 2) , ……, ( yn , x n) ,可以求得通过这些点
别计算径向 、方位角 、仰角切变 ,也可以两两组合成 组合切变 。这种方法对资料的预处理比较简单 ,而 且线性内插也可能干扰原来的风场结构 ,最终影响 切变的计算 。另外 ,这些产品仅提供风切变图 ,不能 实现对辐合与切变线的自动识别 。
WSR288D 雷达产品中也有切变线识别产品 ,具 体算法是先沿径向选择一定数量的像素点 ,对原始 径向速度数据进行滑动平均 ,这里只选择反射率超 过一定阈值的相应数据 ,然后再用这些值计算径向 和切向切变 ,最后将梯度值插值到笛卡儿坐标系上 , 并进行滤波 。这种算法对资料的预处理也是比较简 单的 ,没有考虑到缺测区域和回波边缘 。而且最后 的产品仅限于平面位置显示 ( PPI) ,缺少垂直切变 。
资料预处理的主要目的是减小径向速度噪声的 同时有效保留径向速度的中尺度结构 。具体步骤如 下 : ①径向速度资料的中值滤波 。对每个目标点 , 选择周围 n1 ×n2 个像素点 (即分别沿切向和径向取 n1 和 n2 个点) ,将这些值排序 ,取中间值代替目标 点的值 ; ②沿径向和切向的滑动平均 。中值滤波后 再分别沿径向和切向计算连续 n3 和 n4 个像素点的 平均值 ,来代替中间点的值 。对于无径向速度资料 区及其附近资料的处理方法是 :不进行外插值处理 , 只有达到一定有效资料数量后才进行处理 ,否则将 无资料区附近的点也作为无资料处理 。这样避免了 在回波边缘区域由于计算点数不够而造成的计算误
本文介绍的就是在上述方法的基础上 ,做了许 多改进后 ,利用多普勒天气雷达的径向速度来自动 识别风切变线和辐合线 ,显示垂直切变图 ,为临近预 报提供更有效的参考资料的方法 。要注意的是 ,这 里识别的仅是径向速度的切变 (切向切变) 和辐合 (径向切变) ,与真实风场的切变和辐合是不同的概 念 ,但有联系 。
l
∑ ∑ v u k
vdk
9v 9h
k =1
-
=
ru
l
sinαu
-
k =1
rd
l
sinαd
(3)
式(3) 中 , vu , vd 分别为相邻上下两层径向速度 ,并 进行了平滑拟合 (拟合区间为 l ) ; ru , rd 分别为上 、 下层径向距离 ;αu ,αd 分别为上下两层 PPI 的仰角 。 计算时 也 是 只 当 上 下 两 层 的 数 据 同 时 有 效 时 才 进
CINRAD/ SA 雷达的最大可测半径为 230 km , 库长为 250 m , 低层相邻方位夹角为 1. 00°; CIN2 RAD/ CC 雷达的最大可测半径为 150 km ,库长为 150 m ,低层相邻方位夹角为 0. 70°。
3 资料预处理的效果分析
计算“窗口”大小 (即参与计算的资料点数 n1 , n2 , n3 , n4) 不同对预处理效果影响很大 。沿切向的 n1 , n3 都不可能取值过大 ,这是因为随着径向距离 的增加 ,相邻方位角之间的距离会增加 。为了尽量 减小这种差别 ,一般都取值为 3 。下面着重讨论当 径向 n2 , n4 变化时对预处理结果的影响 。
沿顺时针方向的变化 , 即 r99θv ( 除以 r 是为要归一 化) 。
m
m
m
∑ ∑ ∑ 9 v ∑ ∑ ∑ r9θ
=
v j θj - n
j =1
j =1
m
m
r
θj θj -
( v jθj)
j =1
m
n θj2
(2)
j =1 j =1
j =1
式 (2) 中 , v j 为第 j 个点的径向速度 ,θj 为相应的方
令 n2 = 5 ,10 ,20 ,40 对资料进行中值滤波 ,将结 果与原始资料对比 ,见彩图 1a。图中原始资料存在明 显的库间脉动 ,经中值滤波后这种脉动基本消失 ,但 仅做这样的处理后数据曲线不够平滑 。图中存在两 处梯度大值区 (a —b 段和 b —c 段) 。在 a —b 段 , n2 = 5 和 n2 = 10 的滤波结果还能保持这个区域的大梯度 值 , n2 = 20 的滤波结果中梯度明显减小 , n2 = 40 时几