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长沙机场阵列天气雷达风场验证

李渝 马舒庆 杨玲 甄小琼 乔丹

李渝, 马舒庆, 杨玲, 等. 长沙机场阵列天气雷达风场验证. 应用气象学报, 2020, 31(6): 681-693. DOI: 10.11898/1001-7313.20200604..
引用本文: 李渝, 马舒庆, 杨玲, 等. 长沙机场阵列天气雷达风场验证. 应用气象学报, 2020, 31(6): 681-693. DOI: 10.11898/1001-7313.20200604.
Li Yu, Ma Shuqing, Yang Ling, et al. Wind field verification for array weather radar at Changsha Airport. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(6): 681-693. DOI:  10.11898/1001-7313.20200604.
Citation: Li Yu, Ma Shuqing, Yang Ling, et al. Wind field verification for array weather radar at Changsha Airport. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(6): 681-693. DOI:  10.11898/1001-7313.20200604.

长沙机场阵列天气雷达风场验证

DOI: 10.11898/1001-7313.20200604
资助项目: 

国家自然科学基金国家重大科研仪器研制(部委推荐)项目 31727901

详细信息
    通信作者:

    杨玲, cimyang@cuit.edu.cn

Wind Field Verification for Array Weather Radar at Changsha Airport

  • 摘要: 利用2019年4—9月高时空分辨率的长沙机场阵列天气雷达资料开展三维变分(three-dimensional variational data assimilation,3DVAR)风场反演研究。为验证该算法的反演效果,选取外场试验中10次降水过程,在阵列天气雷达的三维精细探测区内,采用阵列天气雷达合成风场和1部L波段边界层风廓线雷达产品作为参考值对阵列反演风场进行验证评估。结果表明:在稳定性降水条件下,阵列反演风场与阵列合成风场、风廓线雷达产品的结果较为一致;在对流性降水条件下,由于不均匀性会造成风廓线测风精度下降,风廓线雷达产品与阵列反演风场和阵列合成风场差异较大。阵列反演风场与阵列合成风场在稳定性、对流性降水条件下水平风速相对偏差分别低于19%,29%,水平风向差分别低于14.92°,26.35°,稳定性降水条件下阵列反演风场更优,误差在可接受范围内。两种算法得到的风场结构符合各类天气系统的基本特征,水平风场空间分布和风速、风向非常接近。
  • 图  1  3个收发子阵阵列天气雷达布局及探测区示意图

    (红色矩形为3DVAR风场反演范围,红色圆点为机场风廓线雷达站点)

    Fig. 1  Deployment diagram and spatial detection schematic diagram of the AWR consisting of three transmit-receive subarrays

    (the red rectangle denotes the 3DVAR wind field retrieval area, the red dot denotes the wind profile radar station at the airport)

    图  2  2019年5月12日15:30—17:30不同高度的水平风场

    (a)风廓线雷达产品,(b)阵列反演风场,(c)阵列合成风场

    Fig. 2  Horizontal wind field at different heights during 1530—1730 BT on 12 May 2019

    (a)wind profile radar products, (b)the AWR retrieval wind field, (c)the AWR synthetic wind field

    图  3  2019年4月26日18:00—20:00不同高度的水平风场

    (a)风廓线雷达产品,(b)阵列反演风场,(c)阵列合成风场

    Fig. 3  Horizontal wind field at different heights during 1800—2000 BT on 18 Aug 2019

    (a)wind profile radar products, (b)the AWR retrieval wind field, (c)the AWR synthetic wind field

    图  4  5个稳定性降水个例误差

    (a)水平风速均方根误差,(b)水平风速相对均方根误差,(c)水平风向均方根误差

    Fig. 4  Error charts of 5 stable precipitation cases

    (a)horizontal wind speed root mean square error, (b)horizontal wind speed relative root mean square error, (c)horizontal wind direction root mean square error

    图  5  2019年8月25日17:05:12阵列合成风场和阵列反演风场不同高度的水平风矢(填色为反射率因子)

    (a)阵列合成风场, 3 km高度,(b)阵列反演风场, 3 km高度,(c)阵列合成风场, 5 km高度, (d)阵列反演风场, 5 km高度

    Fig. 5  Horizontal wind for the AWR synthetic wind field and the AWR retrieved wind field at 170512 BT 25 Aug 2019 (the shaded is the reflectivity factor)

    (a)the AWR synthetic wind field, 3 km height, (b)the AWR retrieved wind field, 3 km height, (c)the AWR synthetic wind field, 5 km height, (d)the AWR retrieved wind field, 5 km height

    图  6  5个对流性降水个例误差

    (a)水平风速均方根误差,(b)水平风速相对均方根误差,(c)水平风向均方根误差

    Fig. 6  Error charts of 5 stable precipitation cases

    (a)horizontal wind speed root mean square error, (b)horizontal wind speed relative root mean square error, (c)horizontal wind direction root mean square error

    图  7  2019年8月21日14:52:00阵列合成风场和阵列反演风场不同高度的水平风矢(填色为反射率因子)

    (a)阵列合成风场, 3 km高度,(b)阵列反演风场, 3 km高度,(c)阵列合成风场, 5 km高度, (d)阵列反演风场, 5 km高度

    Fig. 7  Horizontal wind for the AWR synthetic wind field and the AWR retrieved wind field at 145200 BT 21 Aug 2019 (the shaded is reflectivity factor)

    (a)the AWR synthetic wind field, 3 km height, (b)the AWR retrieved wind field, 3 km height, (c)the AWR synthetic wind field, 5 km height, (d)the AWR retrieved wind field, 5 km height

    表  1  降水个例及描述

    Table  1  Precipitation cases and description

    降水个例 时间 降水类型 与风廓线雷达产品对比时段 对比分析时刻
    1 2019-04-26T17:50—20:00 对流性降水 18:00—20:00 19:00:00
    2 2019-04-29T13:00—14:30 稳定性降水 13:15—14:15 13:35:12
    3 2019-05-12T15:30—18:00 稳定性降水 15:30—17:30 16:30:00
    4 2019-06-01T13:00—14:30 稳定性降水 13:00—13:50 13:20:00
    5 2019-07-12T12:20—14:30 稳定性降水 12:25—13:05 12:47:12
    6 2019-07-19T14:00—15:50 对流性降水 14:30—15:20 14:50:00
    7 2019-08-18T18:00—19:30 对流性降水 18:35—19:05 18:55:12
    8 2019-08-21T14:00—16:00 对流性降水 降水回波未经过风廓线 14:52:00
    9 2019-08-25T16:50—18:20 稳定性降水 16:55—17:15 17:05:12
    10 2019-09-10T17:50—19:00 对流性降水 18:00—18:30 18:15:12
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    表  2  不同子阵连线上中点位置的径向速度一致性分析

    Table  2  Radial velocity consistency analysis of the midpoint position on the connecting line of different subarrays

    高度/km A点径向速度/(m·s-1) B点径向速度/(m·s-1) C点径向速度/(m·s-1)
    子阵1 子阵2 子阵1 子阵3 子阵2 子阵3
    1.0 2.43 -2.53 7.62 -8.09 5.64 -6.75
    1.5 -11.86 9.84 6.58 -5.18 7.19 -7.42
    2.0 -19.41 17.30 -14.17 12.03 6.70 -8.09
    2.5 -19.13 17.66 -18.94 16.59 3.02 -4.69
    3.0 -20.48 18.60 -21.43 18.92 4.60 -5.24
    3.5 -19.46 17.13 -20.98 18.95 2.46 -3.06
    4.0 -17.84 16.89 -19.78 17.38 1.97 -1.63
    4.5 -17.25 16.34 -16.56 15.67 2.94 -3.85
    5.0 -15.94 14.04 -15.50 15.84 2.99 -3.55
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    表  3  个例分析时段内阵列反演风场与风廓线雷达产品水平风速和水平风向的平均绝对偏差、均方根误差和相对均方根误差

    Table  3  Mean absolute deviation, root mean square error and relative root mean square error of horizontal wind speed and direction of the AWR retrieved wind field and wind profile radar products in the case analysis period

    降水个例 分析时段 水平风速 水平风向
    平均绝对偏差/ (m·s-1) 均方根误差/ (m·s-1) 相对均方根误差/% 平均绝对偏差/(°) 均方根误差/(°)
    2 2019-04-29T13:15—14:15 2.85 3.27 24 7.15 10.06
    3 2019-05-12T15:30—17:30 3.74 3.21 20 10.81 15.87
    4 2019-06-01T13:00—13:50 3.96 3.48 29 9.19 15.55
    5 2019-07-12T12:25—13:05 2.10 2.91 19 5.72 7.56
    9 2019-08-25T16:55—17:15 1.28 3.92 31 9.42 17.49
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    表  4  个例分析时段内阵列反演风场与风廓线雷达产品水平风速和水平风向的平均绝对偏差、均方根误差和相对均方根误差

    Table  4  Mean absolute deviation, root mean square error and relative root mean square error of horizontal wind speed and direction of the AWR retrieved wind and wind profile radar products in the case analysis period

    降水个例 分析时段 水平风速 水平风向
    平均绝对偏差/ (m·s-1) 均方根误差/ (m·s-1) 相对均方根误差/% 平均绝对偏差/(°) 均方根误差/(°)
    1 2019-04-26T18:00—20:00 2.07 3.47 44 47.60 41.46
    6 2019-07-19T14:30—15:20 1.96 2.66 56 42.82 33.88
    7 2019-08-18T18:35—19:05 2.94 5.57 55 55.89 58.24
    10 2019-09-10T18:00—18:30 1.52 4.54 73 39.79 52.89
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-15
  • 修回日期:  2020-08-31
  • 刊出日期:  2020-10-27

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