[發明專利]強對流天氣中地面風場的識別方法

有效

• 申請號: 202110147682.9
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112946657B
• 公開（公告）日: 2023-10-27
• 發明（設計）人: 王詠青;胡志群;王子昕;敖振浪;呂雪芹
• 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;G01W1/00
• 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;裴詠萍

本發明公開了一種強對流天氣中地面風場的識別方法，該識別方法通過將多普勒雷達反演的矢量風場、再分析資料的風場和地面自動氣象觀測站的風場，采用典型關聯分析的方法融合得到強對流天氣活動的格點風場信息后，進行識別。本發明以典型關聯分析（Canonical Correlation Analysis）的方法融合不同時空分辨率、不同覆蓋范圍的地面自動氣象站數據、多普勒天氣雷達數據和再分析資料數據，得到強對流天氣活動的格點風場數據，為災害性天氣的短時預報提供重要信息，增強氣象數據的可利用性。

技術領域

本發明涉及氣象領域，具體涉及對相對流天氣中地面風場的識別，以便準確跟蹤預測災害天氣。

背景技術

對于中小尺度強對流天氣系統的認識和研究，離不開氣象觀測系統的發展。但是在面向同一觀測對象時，不同來源的氣象觀測數據往往時空不匹配、分辨率不統一，且各自有不同的代表觀測尺度與特征觀測誤差。

在強對流天氣系統的動力特征研究進程中，基于地面氣象站資料外推Hamiltonand Archbold(1945)給出了早期地面風場分布，展現了中尺度系統里風暴尺度空氣運動的特征。而水平和垂直尺度、及內部流場特征的認識，則來自于雷達探測技術的發展(哈羅德·布魯克斯等，2019；Houze,2018)。隨著多普勒雷達的應用，中尺度對流系統的徑向速度特征得到進一步揭示。Donaldson(1970)首次用多普勒雷達觀測到超級單體中的中氣旋，其后的許多研究都證實了中氣旋是超級單體風暴的流場特征，觀測到中氣旋，絕大多數情況出現強烈天氣(夏文梅等，2007；徐芬等，2014；俞小鼎，2006)。但是雷達徑向速度缺乏一定的直觀性，因此在雷達徑向速度數據的分析開發和應用方面開展了很多工作(常亞楠等，2019)。常見的是通過雷達徑向速度反演技術，獲得雷達探測范圍的矢量風場(韓頌雨等，2017；羅昌榮等，2012)。通過三維風場的直觀顯示，尋找到中尺度對流系統流場的旋轉特性，為災害性天氣的短時預報提供重要信息。多普勒雷達反演的風場，可以識別出了冰雹云內部“S”型水平流場特征(許煥斌，2012)。周海光(2018)利用雙多普勒雷達反演技術，研究了龍卷超級單體的三維流場結構，指出地面風場為旋轉輻合型。可見對于中尺度對流系統，內部的動力特征、氣流結構展現了其發展演變的規律(劉蓮等，2015；方桃妮等，2019)。

對強對流天氣系統，有多種數據描述，包括地面自動氣象站、雷達、衛星觀測數據和數值模式結果。雷達探測數據有著較高的時空分辨率，但是風場反演技術存在一定的假設條件，會產生誤差和過濾有用信息。地面自動觀測站風場，更加接近真實的氣流動向，受環境風場影響小，但是空間分辨率低。再分析資料的地面風場符合大氣動力學數值模式結果，但丟失了瞬時風場信息(俞小鼎等，2020)。

準確的低層三維風場信息，可以很好的指示風暴中的輻合上升和氣流旋轉動向，對強對流天氣過程的臨近預報尤為重要。因此為了更好的研究其內部動力特征，通過數據融合對多種風場觀測數據進行綜合分析，優勢互補得到客觀真實、便于使用的風場要素估計值(周艷青等，2018；朱曉蕾等，2019)。

為了更好地利用多源氣象觀測數據來獲得更加真實、準確的強對流天氣系統的物理量場，在觀測空間利用數據融合技術來綜合多種來源的觀測資料和多模式模擬數據是有效的手段(唐煥麗等，2020；潘旸等，2018；徐賓等，2018)。目前，國內外用于數據融合的算法比較多，包括權重分析方法、基于時空的插值方法、相關性分析方法、偏差訂正的方法等。Kako et al.(2011)將衛星數據與再分析數據用最優插值法進行融合，制作出高精度的網格化風矢量數據集。Vestergaard et al.(2013)利用典型關聯分析的方法將多通道衛星反演數據與雷達反射率融合，提高衛星云圖的精度。許遐禎等(2016)采用Cressman插值方法將遙感風場資料和沿岸氣象站風場資料融合，獲得我國近海時空分辨率較高風場。楊璐等(2019)運用反距離權重方法對自動氣象站風場與雷達同化系統獲得的三維風場進行偏差訂正，探討了數據融合技術在強對流天氣分析和診斷中的優勢。總的來說，在觀測空間對多源氣象數據進行融合，因為數據類型的不同、研究對象的不同，需要尋找合適的數據融合算法(師春香等，2019)。