[發明專利]基于多普勒天氣雷達數據的高空風反演方法

有效

• 申請號: 201810826385.5
• 申請日: 2018-07-25
• 公開（公告）號: CN109100723B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 王興;卞浩瑄;朱彬;楊勝朋;苗春生;王軍;徐經緯
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

本發明提出一種基于多普勒天氣雷達數據的高空風反演方法，該方法利用多普勒天氣雷達的外推產品和徑向速度產品，以及探空報資料進行多層次高空風場融合。本發明利用雷達回波圖像的外推結果，將各個仰角面的平均徑向速度場轉化為具有U、V分量的速度矢量場，提高高空風場主觀分析的可讀性。利用探空資料對雷達風場進行適當修正，修正的力度隨雷達網格點與探空站之間距離的增加而遞減，使得風場具有較好的整體性和連續性，且更加符合實際大氣風場的狀況。本發明相較一些多元資料融合的方法，本發明算法的運算復雜度適中，可提高雷達二次風場輸出的時效性。

技術領域

本發明屬于地球科學領域，尤其涉及一種利用多普勒天氣雷達等探測資料進行多層次高空風反演的方法。

背景技術

高空風場特征是進行天氣診斷分析的重要對象之一，在氣象、軍事和航空航天等領域起到至關重要的作用。當前，獲取地球上空大氣風場的途徑有很多，如利用探空氣球、多普勒天氣雷達、風廓線雷達以及氣象衛星等設備進行觀測或探測。這些設備和技術手段各有優勢，其中，多普勒天氣雷達(以下簡稱雷達)具有探測空間分辨率高、數據更新頻率快和實效性強等特點，在局地天氣實況監測和短時臨近天氣預報等方面得到廣泛的研究和應用。

平均徑向速度是雷達的基本產品之一，該速度的獲得是以多普勒效應為基本原理，其所表征的風場信息是以雷達為中心點，沿雷達體掃的某一徑向上的速度分量，而非真實的風速矢量。為了得到雷達探測覆蓋范圍內不同高度層的實際風場信息，多年來很多學者提出各自的方法，有的是利用雷達自身的多種產品，如反射率因子和平均徑向速度，通過數學方法構建約束方程，反演出風場信息；也有的是利用并結合多種探測資料，如風廓線雷達測風、衛星云跡風等多元數據計算出風場信息。由于天氣系統的復雜性，以及現有技術手段的局限性，在實際業務應用中，針對高空實況風場的反演仍存在一定的缺陷和不足。例如，僅利用單部雷達的反射率因子和平均徑向速度進行風場反演，方法相對簡單，但受雷達雜波、電磁波波束隨探測距離增加變得偏折、彎曲等不利影響，使得反演出的風場準確性較低。又例如，融合雷達徑向速度與云跡風或水汽導風等多元資料，這類方法主要受限于不同資料的空間分辨率不一致，空間網格點對應關系不一致，以及觀測時間不一致等問題，使得計算出的風場準確率時高時低，穩定性差。

發明內容

為了克服上述方法的不足，本發明提出一種利用多普勒天氣雷達的外推產品和徑向速度產品，以及探空報資料進行多層次高空風場融合的方法。

本發明所采用的具體技術方案如下：

一種基于多普勒天氣雷達數據的高空風反演方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：假設準備反演某一時刻t的高空風，首先選定一部雷達，利用該部雷達t時刻及之前最接近t時刻的N次雷達數據，采用外推算法得到雷達數據所表征的風暴體在各探測點的位移特征矢量，任一探測點的位移特征矢量記為其中，N取2N≤10的整數；表示雷達體掃的某一仰角面，γ表示雷達探測點與雷達中心點之間的距離庫，ω表示雷達體掃的方位角，t表示所處理的雷達數據對應時間；

步驟2：將上步中位移特征矢量根據雷達體掃的時間周期T_it，單位距離庫對應的長度L_u，按下式換算成移動速度矢量

作為矢量，表征速度的數值和方向的信息，定義所指的方向與正北方向的夾角為θ，當指向正北方向時，θ＝0，沿順時針方向旋轉，θ逐步增大；

步驟3：將上步中移動速度矢量分解為U、V兩個分量，其中，U分量與當前徑向垂直，V分量與當前徑向重合，假設表示在U軸的分量；表示在V軸的分量；

步驟4：假設在雷達數據中任一探測點位置的雷達平均徑向速度為當時，表示該速度的方向是沿著徑向指向圓心；反之，當時，表示該速度的方向是沿著徑向背離圓心；將作為基準速度，計算與的倍率，并以此倍率放大或縮小的數值，得到計算公式如下：