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降水时风廓线雷达风场反演效果评估

林晓萌 尉英华 陈宏 王艳春

林晓萌, 尉英华, 陈宏, 等. 降水时风廓线雷达风场反演效果评估. 应用气象学报, 2020, 31(3): 361-372. DOI:  10.11898/1001-7313.20200310..
引用本文: 林晓萌, 尉英华, 陈宏, 等. 降水时风廓线雷达风场反演效果评估. 应用气象学报, 2020, 31(3): 361-372. DOI:  10.11898/1001-7313.20200310.
Lin Xiaomeng, Wei Yinghua, Chen Hong, et al. The effect assessment of wind field inversion based on WPR in precipitation. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(3): 361-372. DOI:   10.11898/1001-7313.20200310.
Citation: Lin Xiaomeng, Wei Yinghua, Chen Hong, et al. The effect assessment of wind field inversion based on WPR in precipitation. J Appl Meteor Sci, 2020, 31(3): 361-372. DOI:   10.11898/1001-7313.20200310.

降水时风廓线雷达风场反演效果评估

DOI: 10.11898/1001-7313.20200310
资助项目: 

中国气象局预报员专项 CMAYBY2020-008

中国气象局预报员专项 CMAYBY2020-009

天津市气象局重点项目 202013 zdxm06

详细信息
    通信作者:

    尉英华, weiyinghua1980@163.com

The Effect Assessment of Wind Field Inversion Based on WPR in Precipitation

  • 摘要: 风廓线雷达(wind profile radar,WPR)因具有高时空分辨率特点,成为当前短时临近预报的重要参考工具。降水时WPR同时接收大气湍流回波和降水粒子散射回波,现有技术不能有效分离叠加在一起的湍流信号和降水信号,导致降水期间风廓线雷达反演的风场数据严重缺失或失真。根据风廓线雷达探测技术原理及降水天气的功率谱特点,提出了降水天气时风廓线雷达湍流信号提取方法(WPR-HW),并选取2015—2018年天津10次降水过程对WPR-HW方法进行模式检验及个例效果评估。结果表明:WPR-HW方法对改善降水期间风廓线雷达风场数据缺失问题效果明显,在选取的10次降水过程中,目前通用的风廓线雷达风场反演方法(WIND)风场数据平均缺失率为25.4%,WPR-HW方法未出现风场数据缺失现象;WPR-HW方法较WIND方法反演风场数据可信度有显著提高,反演数据与再分析数据的风速均方根误差由WIND方法的2.3 m·s-1降至WPR-HW方法的1.6 m·s-1,风向均方根误差由WIND方法的45°降至WPR-HW方法的22°,从而验证WPR-HW方法在降水期间适用。
  • 图  1  单峰谱(a)、双峰谱(b)、三峰谱(c)的功率谱密度

    Fig. 1  Power spectrum density of one peak(a), double peaks(b) and three peaks(c)

    图  2  WPR-HW方法反演风场与EC再分析风场对比统计

    (a)WPR-HW方法反演风速与EC再分析风速数据对比,(b)风向均方根误差占有率分布

    Fig. 2  Comparison of data processed by WPR-HW and ECMWF reanalysis data

    (a)comparison of wind speed, (b)distribution of root mean square error of wind direction

    图  3  WPR-HW方法反演风场与EC再分析风场平均相对偏差随高度变化

    Fig. 3  Relative bias along with height between data processed by WPR-HW and ECMWF reanalysis data

    图  4  2017年7月6日17:41宝坻站功率谱密度

    (a)北波束,(b)南波束

    Fig. 4  Power spectrum density of Baodi Station at 1740 BT 6 Jul 2017

    (a)north beam, (b)south beam

    图  5  2017年7月6日16:30—20:30 WIND方法(a)和WPR-HW方法(b)反演的宝坻站风羽图

    Fig. 5  The barb processed by WIND(a) and WPR-HW(b) at Baodi Station during 1630—2030 BT on 6 Jul 2017

    图  6  2017年7月6日16:30—20:30宝坻站降水量随时间分布

    Fig. 6  Precipitation of Baodi Station during 1630—2030 BT on 6 Jul 2017

    图  7  2017年7月6日17:00—18:30宝坻站WPR-HW方法反演产品

    (a)垂直速度时间-高度剖面,(b)速度谱宽时间-高度剖面

    Fig. 7  Vertical products processed by WPR-HW at Baodi Station during 1700—1830 BT on 6 Jul 2017

    (a)time-altitude section of vertical speed, (b)time-altitude section of spectrum width

    图  8  2018年8月13日17:40静海站功率谱密度

    (a)北波束,(b)南波束

    Fig. 8  The power spectrum density of Jinghai Station at 1740 BT 13 Aug 2018

    (a)north beam, (b)south beam

    图  9  2018年8月13日15:30—18:30 WIND方法(a)和WPR-HW方法(b)反演的静海站风羽图

    Fig. 9  The barb processed by WIND(a) and WPR-HW(b) at Jinghai Station during 1530—1830 BT on 13 Aug 2018

    图  10  2018年8月13日15:30—18:30利用WPR-HW方法反演的静海站垂直速度

    Fig. 10  Vertical speed processed by WPR-HW at Jinghai Station during 1530—1830 BT on 13 Aug 2018

    表  1  风廓线雷达参数

    Table  1  Parameters of WPR

    参数 低模式 高模式
    起始采样库的高度/m 60 600
    宝坻站终止采样库的高度/m 1200 5280
    静海站终止采样库的高度/m 1500 7080
    距离库长/m 60 120
    相干累积 100 64
    fft点数 256 512
    谱平均数 8 4
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    表  2  10次降水过程WPR-HW方法风场反演效果统计

    Table  2  Statistics of case evaluation for data processed WPR-HW

    降水日期 降水量级 数据缺失率/% WPR-HW方法反演风场特征 WPR-HW方法降水预报提前量/min
    WIND方法 WPR-HW方法
    2015-09-04 大雨 26 0 风向切变 105
    2016-06-27 小雨 20 0 风向切变 150
    2016-07-20 暴雨 28 0 边界层急流 15
    2016-08-07 大雨 30 0 边界层急流,风速辐合 60
    2017-05-22 小雨 21 0 风向切变 150
    2017-06-22 小雨 23 0 边界层急流 150
    2017-06-23 中到大雨 27 0 边界层急流,风向切变 15
    2017-07-06 暴雨 22 0 边界层急流,风速辐合 30
    2017-08-02 大雨 26 0 边界层急流 45
    2018-08-13 暴雨 31 0 风向切变,龙卷 30
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-10
  • 修回日期:  2020-02-20
  • 刊出日期:  2020-05-31

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