多類型天氣系統(tǒng)下VAP風(fēng)場反演效果分析

郝建平，賴曉玲，胡偉峰，諸彩彬

（河源市氣象局，廣東河源 517000）

新一代天氣雷達作為一種新的氣象探測工具，具有高時空分辨率的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對一個天氣系統(tǒng)的實時跟蹤監(jiān)測并獲得有效照射體積內(nèi)的反射率、徑向速度以及譜寬等信息，在短時臨近預(yù)報中起到越來越重要的作用。由于雷達自身的局限性，徑向速度產(chǎn)品只是獲取到目標粒子相對于雷達徑向上的速度方向與大小，并不能直接獲取目標粒子的真實速度與方向，在短時臨近預(yù)報中預(yù)報員往往需要掌握更加精確的環(huán)境以及相應(yīng)天氣系統(tǒng)的風(fēng)場信息，如何從現(xiàn)有的雷達產(chǎn)品反演出真實的風(fēng)場信息就顯得尤為重要。前人在此方面做了許多研究，其中基于均勻風(fēng)場假設(shè)的速度方位顯示（VAD）方法是最早提出的風(fēng)場反演算法［1］，也是目前投入業(yè)務(wù)運行的方法之一，它根據(jù)徑向速度的最大值和最小值以及對應(yīng)的方位來判斷風(fēng)向風(fēng)速，此種方法只能得到一個大尺度的廓線特征，而且該方法反演出的平均風(fēng)廓線對徑向速度的隨機誤差不敏感，但此種誤差對VAD方法反演的結(jié)果影響卻很大。由于該方法的天然缺陷，研究者在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了幾種VAD方法，如VARD［2］、EVAD［3］、GVAD［4］等。在線性風(fēng)場以及雷達掃描期間風(fēng)場不隨時間變化的假設(shè)條件下，Waldteufel等［5］提出了體積速度過程（volume velocity process，VVP）方法，它利用多個仰角資料進行風(fēng)場反演，將徑向、切向和垂直方向構(gòu)成的一個三維空間作為分析體積，該方法理論上可以獲取三維風(fēng)場數(shù)據(jù)，但該方法中包含的待反演參量個數(shù)較多，求解方程復(fù)雜，而且數(shù)據(jù)資料的缺失和算法中變量的擾動會造成反演的失?。?-9］。在假設(shè)風(fēng)場局部均勻條件下，陶祖鈺［10］提出了速度方位處理（velocity azimuth processing，VAP）反演方法，該方法適用于低仰角的情況，且該算法采用局部計算，對雷達回波面積要求較低、對回波的整體分布沒有要求［11-14］。

河源市的強降水云系往往由西部或者西北部的降水云系移入，如何精確的把握降水云系的移動路徑對于預(yù)報員來說比較重要，而環(huán)境風(fēng)場信息可以為預(yù)報提供一定的參考。河源雷達站由于海拔較高，凈空條件非常好，采用低仰角掃描時幾乎沒有遮擋，相對符合VAP方法所要求的條件。本研究挑選河源雷達站（海拔高度1 056 m）觀測到的幾個不同類型的天氣過程，利用VAP方法反演其風(fēng)場并分析以確定該方法對于河源雷達站的適用性。

1 方法與資料

假設(shè)在同一距離圈上相鄰方向角的兩點風(fēng)矢量相等，在此假設(shè)條件下，風(fēng)速的大小和風(fēng)向與徑向之間的夾角就決定了多普勒速度隨方位角的變化，這樣就可以根據(jù)各距離圈上多普勒速度隨方位角的分布計算風(fēng)向風(fēng)速，此方法即為VAP方法，計算公式為

其中，vr1、vr2分別為相鄰兩個方位角上的多普勒雷達徑向速度（m／s）；Δθ為相鄰兩個方位的方位差（°）；α為風(fēng)向與其中一個方位的夾角（°）；v為實際風(fēng)速（m／s），根據(jù)此公式通過設(shè)計程序就可以反演出真實風(fēng)場。本研究所用資料為河源雷達站基數(shù)據(jù)資料，所用數(shù)據(jù)需要經(jīng)過速度去模糊處理。

2 前汛期暴雨過程個例反演分析

2019年6月9—14日，受高空槽和西南急流影響，河源市出現(xiàn)暴雨到大暴雨、局部特大暴雨降水過程，全市過程平均降雨量為229.9 mm。該次持續(xù)強降水過程具有“暴雨范圍廣、持續(xù)時間長、累積雨量大、降水強度強”等特點。

本研究選取6月9日19：00—24：00（北京時，下同）的雷達資料進行分析，該段降水較強，回波強度大且范圍廣。19：00左右，在雷達站北部地區(qū)有回波生成并迅速發(fā)展；20：00回波強度逐步增強，范圍也在增大，但回波主體還是在雷達西北部，此時有幾個強中心出現(xiàn)，回波整體移動緩慢；21：00，回波范圍迅速擴大，強度也整體增強，形成以河源市連平縣至和平縣等地為中心的強回波區(qū)域，回波整體移動速度較慢且強度還在繼續(xù)加強；22：00，原強回波中心東移，在原區(qū)域形成新的強回波帶，回波范圍進一步加大，整體強度也進一步增強，移動速度仍然緩慢，回波強度沒有減弱的跡象；23：00，回波強度整體再次增強，范圍加大，原強度中心繼續(xù)維持，回波整體移動緩慢，但此時強度達到最大值，由于強中心維持時間長且回波移動緩慢，此時累計降水量已達到一個相當大的值。

圖1為河源雷達站0.5°仰角的基本反射率疊加反演風(fēng)場信息，其中反演風(fēng)場海拔高度約2 km，從反演效果來看，雷達站東北部以南的環(huán)境風(fēng)場以西南風(fēng)為主，且風(fēng)速較大，與實況相吻合，西北偏北地區(qū)以西風(fēng)為主，在圖中紅色線條圈出的地方交匯形成切變線，而此切變線的南端也正好對應(yīng)著強回波中心，隨著時間推移，風(fēng)場交匯處的位置逐步往東南方向推進，相應(yīng)的強回波中心也隨著移動，切變線以北的區(qū)域則轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)場控制，回波強度減弱，切變線東南部西南風(fēng)維持且強盛，回波強度則繼續(xù)加強，強降水的位置與圖中切變線的位置有很好的對應(yīng)關(guān)系，當整個切變線南壓以后，降水就基本減弱消失。通過對該次降水過程的風(fēng)場反演分析發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)場反演結(jié)果與實際風(fēng)場基本相符，尤其是在風(fēng)向方面與實況基本一致，在風(fēng)的大小方面反演的風(fēng)速有個持續(xù)增大的過程，這種風(fēng)速的變化趨勢也與實況基本相符合。

圖1 2019年6月9日20：00—23：00逐小時反演風(fēng)場疊加強度圖

圖2為河源雷達站0.5°仰角的20：00到24：00反演風(fēng)場疊加速度圖以及河源探空站20：00探空圖，其中反演風(fēng)場海拔高度約2 km，由圖2可以看出，紅實線內(nèi)正負速度交匯的區(qū)域也是反演風(fēng)場切變線所在區(qū)域，說明反演風(fēng)場與實際風(fēng)場在風(fēng)向上有很大的對應(yīng)關(guān)系；對比徑向風(fēng)速的極大值區(qū)域（圖2中冷暖色調(diào)最深區(qū)域）發(fā)現(xiàn)該處的反演風(fēng)場在風(fēng)速上也相應(yīng)的處于極大值區(qū)域，說明反演風(fēng)速與實況有較為一致的對應(yīng)關(guān)系。紅實線內(nèi)對于小塊回波的反演其風(fēng)向也與實況基本相同，反演風(fēng)速的大小也與實測徑向風(fēng)速有很好的對應(yīng)關(guān)系，反演風(fēng)場能很好的彌補徑向速度圖單一風(fēng)向（正負速度）的缺點，能夠展示更趨近于實際的風(fēng)場。但此反演方法對于雷達附近的風(fēng)場反演在風(fēng)向風(fēng)速上則不太理想，會產(chǎn)生風(fēng)場混亂的現(xiàn)象，可能是對于回波強度較弱的區(qū)域風(fēng)場反演效果不佳。

河源探空站與河源雷達站直線距離約10 km，可用該站點的探空資料與反演資料用作對比分析。由20：00河源探空（圖2d）發(fā)現(xiàn)，在850到700 hPa之間（反演風(fēng)場相對應(yīng)高度），風(fēng)向風(fēng)速在該高度與該時次反演風(fēng)場接近一致（西南風(fēng)，風(fēng)速約10 m／s），說明該風(fēng)場反演方法對此種天氣系統(tǒng)有較高的可靠性。

圖2 2019年6月9日20：00（a）、22：00（b）、23：54（c）反演風(fēng)場疊加速度圖及河源探空圖（d）

3 臺風(fēng)個例風(fēng)場反演分析

由于河源地處粵北山區(qū)，臺風(fēng)直接過境數(shù)量較少，可挑選的樣本數(shù)量少，本研究挑選2013年“天兔”臺風(fēng)作為反演分析對象。該臺風(fēng)于9月16日在西太平洋生成，進入南海后于22日以強臺風(fēng)級別在汕尾地區(qū)登陸，后沿著西北偏西方向橫穿廣東省，該次臺風(fēng)過程移動速度快風(fēng)力大、降水強度較強，對河源市主要是風(fēng)力影響，無強降水。河源雷達站對該次過程全程進行了跟蹤觀測，合適的觀測距離以及觀測高度使得該次觀測數(shù)據(jù)具有很高的可靠性。圖3a-c為河源雷達站0.5°仰角、反演風(fēng)場海拔高度約2 km的反演風(fēng)場疊加強度圖，由圖3a-b可以發(fā)現(xiàn)，對于臺風(fēng)外圍邊緣風(fēng)力相對較小區(qū)域不論是風(fēng)向還是風(fēng)速反演效果都較為理想，其中在臺風(fēng)1、2象限風(fēng)場具有明顯的氣旋性彎曲特征，圖3a-b中紅色實線內(nèi)的風(fēng)向基本與實況相符，在臺風(fēng)南部區(qū)域，反演的風(fēng)場與臺風(fēng)螺旋云帶移動方向較為一致，但是與臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)有所不同，在臺風(fēng)中心及其附近由于風(fēng)力大，達到速度模糊，反演的風(fēng)場較為混亂，但是反演的風(fēng)力大小與實況較為吻合，這可能原因與資料前期速度去模糊處理效果不佳有關(guān)。分析反演風(fēng)場疊加徑向速度圖（圖3c）可以發(fā)現(xiàn)，反演風(fēng)場整體風(fēng)向與臺風(fēng)移動路徑高度相似，對于臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)的反演則有較大的出入，尤其體現(xiàn)在出現(xiàn)速度模糊的區(qū)域；對比徑向風(fēng)速的極大值區(qū)域（圖3c中冷暖色調(diào)最深區(qū)域）發(fā)現(xiàn)該處的反演風(fēng)場在風(fēng)速上也相應(yīng)處于極大值區(qū)域，說明反演風(fēng)速與實況有較為一致的對應(yīng)關(guān)系。分析20：00時次河源探空圖（圖3d）可以發(fā)現(xiàn)，該時次在850到700 hPa之間（反演風(fēng)場相對應(yīng)高度）風(fēng)速約為30～40 m／s，風(fēng)向東北偏北風(fēng)，對比該時次鄰近時次反演風(fēng)場可以發(fā)現(xiàn)，反演風(fēng)場以偏東北風(fēng)為主，風(fēng)速30 m／s左右，說明反演風(fēng)場與實際風(fēng)場有較高的相關(guān)性。

圖3 2013年9月22日23：00（a）、23日01：00（b）風(fēng)場疊加強度、22日23：00速度圖（c）及河源探空圖（d）

4 大范圍強對流天氣個例分析

2013年3月23日下午，河源市發(fā)生大范圍強對流性冰雹天氣，降雹云系由西部沿東北方向影響經(jīng)過的地區(qū)，從16：00持續(xù)到19：00左右，是河源雷達站建站以來觀測到的持續(xù)時間最長、影響范圍最大的一次強對流天氣。分析反演出的風(fēng)場信息疊加強度圖（圖4a-b）可以發(fā)現(xiàn)，對于超級單體回波，即圖4a中圈出的地區(qū)以及其它強回波單體區(qū)域，該反演方法不能很好的反演出風(fēng)暴內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)，但是可以較好的反演出環(huán)境風(fēng)場，該風(fēng)場與回波移動方向基本一致，對回波的移動方向具有較好的指示性；對于圖4a中圈出部分顯示有環(huán)境風(fēng)場的輔合，在17：00（圖4b）該區(qū)域也有強降水回波迅速發(fā)展，與實況較為一致。分析風(fēng)場信息疊加徑向速度圖（圖4c）可以發(fā)現(xiàn)，整個環(huán)境風(fēng)場以西南風(fēng)為主，對于單塊的降水回波可以很好的反演出環(huán)境風(fēng)場狀況，對回波內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)反演效果不佳，可能原因在于數(shù)據(jù)分辨率問題以及該算法對于中小尺度系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)的反演效果欠佳，或者是直接平滑了該部分數(shù)據(jù)的影響；對比徑向風(fēng)速的極大值區(qū)域（圖4c中冷暖色調(diào)最深區(qū)域）發(fā)現(xiàn)該處的反演風(fēng)場在風(fēng)速上也相應(yīng)的處于極大值區(qū)域，說明反演風(fēng)速與實況有較為一致的對應(yīng)關(guān)系。對比當日20：00時次的河源探空圖（圖4d）可以發(fā)現(xiàn)，實況850到700 hPa之間（反演風(fēng)場相對應(yīng)高度）為西南偏西風(fēng)，風(fēng)速較小，與反演風(fēng)場結(jié)果較為近似。

圖4 2013年3月23日16：30（a）、17：00（b）反演風(fēng)場疊加強度，17：00速度圖（c）及河源探空圖（d）

5 結(jié)論

1）對于前汛期暴雨類型天氣系統(tǒng)該方法反演效果較好，能夠較好的反演出整體風(fēng)場分布及切變線的位置、移動趨勢等。類似天氣系統(tǒng)如鋒面降水、層狀云降水等利用該方法反演的效果都較為理想。

2）對于臺風(fēng)系統(tǒng)該方法在臺風(fēng)1、2象限反演效果較好，但反演出的風(fēng)場只能指示回波的移動方向，對于臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場的反演效果則不佳。在實際業(yè)務(wù)應(yīng)用中如需判斷降水回波移動時可以適當參考。

3）對強對流天氣系統(tǒng)該方法能夠很好的反演出環(huán)境風(fēng)場以及指示系統(tǒng)的移動方向，但對于系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)場該方法反演效果則不理想，可能的原因在于相關(guān)數(shù)據(jù)分辨率的影響以及該算法為滿足相關(guān)數(shù)據(jù)的平滑性而在一定程度上忽略了中小尺度系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)的影響。