多类型天气系统下VAP风场反演效果分析

郝建平，赖晓玲，胡伟峰，诸彩彬

（河源市气象局，广东河源 517000）

新一代天气雷达作为一种新的气象探测工具，具有高时空分辨率的特点，能够实现对一个天气系统的实时跟踪监测并获得有效照射体积内的反射率、径向速度以及谱宽等信息，在短时临近预报中起到越来越重要的作用。由于雷达自身的局限性，径向速度产品只是获取到目标粒子相对于雷达径向上的速度方向与大小，并不能直接获取目标粒子的真实速度与方向，在短时临近预报中预报员往往需要掌握更加精确的环境以及相应天气系统的风场信息，如何从现有的雷达产品反演出真实的风场信息就显得尤为重要。前人在此方面做了许多研究，其中基于均匀风场假设的速度方位显示（VAD）方法是最早提出的风场反演算法［1］，也是目前投入业务运行的方法之一，它根据径向速度的最大值和最小值以及对应的方位来判断风向风速，此种方法只能得到一个大尺度的廓线特征，而且该方法反演出的平均风廓线对径向速度的随机误差不敏感，但此种误差对VAD方法反演的结果影响却很大。由于该方法的天然缺陷，研究者在此基础上发展出了几种VAD方法，如VARD［2］、EVAD［3］、GVAD［4］等。在线性风场以及雷达扫描期间风场不随时间变化的假设条件下，Waldteufel等［5］提出了体积速度过程（volume velocity process，VVP）方法，它利用多个仰角资料进行风场反演，将径向、切向和垂直方向构成的一个三维空间作为分析体积，该方法理论上可以获取三维风场数据，但该方法中包含的待反演参量个数较多，求解方程复杂，而且数据资料的缺失和算法中变量的扰动会造成反演的失败［6-9］。在假设风场局部均匀条件下，陶祖钰［10］提出了速度方位处理（velocity azimuth processing，VAP）反演方法，该方法适用于低仰角的情况，且该算法采用局部计算，对雷达回波面积要求较低、对回波的整体分布没有要求［11-14］。

河源市的强降水云系往往由西部或者西北部的降水云系移入，如何精确的把握降水云系的移动路径对于预报员来说比较重要，而环境风场信息可以为预报提供一定的参考。河源雷达站由于海拔较高，净空条件非常好，采用低仰角扫描时几乎没有遮挡，相对符合VAP方法所要求的条件。本研究挑选河源雷达站（海拔高度1 056 m）观测到的几个不同类型的天气过程，利用VAP方法反演其风场并分析以确定该方法对于河源雷达站的适用性。

1 方法与资料

假设在同一距离圈上相邻方向角的两点风矢量相等，在此假设条件下，风速的大小和风向与径向之间的夹角就决定了多普勒速度随方位角的变化，这样就可以根据各距离圈上多普勒速度随方位角的分布计算风向风速，此方法即为VAP方法，计算公式为

其中，vr1、vr2分别为相邻两个方位角上的多普勒雷达径向速度（m／s）；Δθ为相邻两个方位的方位差（°）；α为风向与其中一个方位的夹角（°）；v为实际风速（m／s），根据此公式通过设计程序就可以反演出真实风场。本研究所用资料为河源雷达站基数据资料，所用数据需要经过速度去模糊处理。

2 前汛期暴雨过程个例反演分析

2019年6月9—14日，受高空槽和西南急流影响，河源市出现暴雨到大暴雨、局部特大暴雨降水过程，全市过程平均降雨量为229.9 mm。该次持续强降水过程具有“暴雨范围广、持续时间长、累积雨量大、降水强度强”等特点。

本研究选取6月9日19：00—24：00（北京时，下同）的雷达资料进行分析，该段降水较强，回波强度大且范围广。19：00左右，在雷达站北部地区有回波生成并迅速发展；20：00回波强度逐步增强，范围也在增大，但回波主体还是在雷达西北部，此时有几个强中心出现，回波整体移动缓慢；21：00，回波范围迅速扩大，强度也整体增强，形成以河源市连平县至和平县等地为中心的强回波区域，回波整体移动速度较慢且强度还在继续加强；22：00，原强回波中心东移，在原区域形成新的强回波带，回波范围进一步加大，整体强度也进一步增强，移动速度仍然缓慢，回波强度没有减弱的迹象；23：00，回波强度整体再次增强，范围加大，原强度中心继续维持，回波整体移动缓慢，但此时强度达到最大值，由于强中心维持时间长且回波移动缓慢，此时累计降水量已达到一个相当大的值。

图1为河源雷达站0.5°仰角的基本反射率叠加反演风场信息，其中反演风场海拔高度约2 km，从反演效果来看，雷达站东北部以南的环境风场以西南风为主，且风速较大，与实况相吻合，西北偏北地区以西风为主，在图中红色线条圈出的地方交汇形成切变线，而此切变线的南端也正好对应着强回波中心，随着时间推移，风场交汇处的位置逐步往东南方向推进，相应的强回波中心也随着移动，切变线以北的区域则转为偏西风场控制，回波强度减弱，切变线东南部西南风维持且强盛，回波强度则继续加强，强降水的位置与图中切变线的位置有很好的对应关系，当整个切变线南压以后，降水就基本减弱消失。通过对该次降水过程的风场反演分析发现，该风场反演结果与实际风场基本相符，尤其是在风向方面与实况基本一致，在风的大小方面反演的风速有个持续增大的过程，这种风速的变化趋势也与实况基本相符合。

图1 2019年6月9日20：00—23：00逐小时反演风场叠加强度图

图2为河源雷达站0.5°仰角的20：00到24：00反演风场叠加速度图以及河源探空站20：00探空图，其中反演风场海拔高度约2 km，由图2可以看出，红实线内正负速度交汇的区域也是反演风场切变线所在区域，说明反演风场与实际风场在风向上有很大的对应关系；对比径向风速的极大值区域（图2中冷暖色调最深区域）发现该处的反演风场在风速上也相应的处于极大值区域，说明反演风速与实况有较为一致的对应关系。红实线内对于小块回波的反演其风向也与实况基本相同，反演风速的大小也与实测径向风速有很好的对应关系，反演风场能很好的弥补径向速度图单一风向（正负速度）的缺点，能够展示更趋近于实际的风场。但此反演方法对于雷达附近的风场反演在风向风速上则不太理想，会产生风场混乱的现象，可能是对于回波强度较弱的区域风场反演效果不佳。

河源探空站与河源雷达站直线距离约10 km，可用该站点的探空资料与反演资料用作对比分析。由20：00河源探空（图2d）发现，在850到700 hPa之间（反演风场相对应高度），风向风速在该高度与该时次反演风场接近一致（西南风，风速约10 m／s），说明该风场反演方法对此种天气系统有较高的可靠性。

图2 2019年6月9日20：00（a）、22：00（b）、23：54（c）反演风场叠加速度图及河源探空图（d）

3 台风个例风场反演分析

由于河源地处粤北山区，台风直接过境数量较少，可挑选的样本数量少，本研究挑选2013年“天兔”台风作为反演分析对象。该台风于9月16日在西太平洋生成，进入南海后于22日以强台风级别在汕尾地区登陆，后沿着西北偏西方向横穿广东省，该次台风过程移动速度快风力大、降水强度较强，对河源市主要是风力影响，无强降水。河源雷达站对该次过程全程进行了跟踪观测，合适的观测距离以及观测高度使得该次观测数据具有很高的可靠性。图3a-c为河源雷达站0.5°仰角、反演风场海拔高度约2 km的反演风场叠加强度图，由图3a-b可以发现，对于台风外围边缘风力相对较小区域不论是风向还是风速反演效果都较为理想，其中在台风1、2象限风场具有明显的气旋性弯曲特征，图3a-b中红色实线内的风向基本与实况相符，在台风南部区域，反演的风场与台风螺旋云带移动方向较为一致，但是与台风内部风场结构有所不同，在台风中心及其附近由于风力大，达到速度模糊，反演的风场较为混乱，但是反演的风力大小与实况较为吻合，这可能原因与资料前期速度去模糊处理效果不佳有关。分析反演风场叠加径向速度图（图3c）可以发现，反演风场整体风向与台风移动路径高度相似，对于台风内部风场结构的反演则有较大的出入，尤其体现在出现速度模糊的区域；对比径向风速的极大值区域（图3c中冷暖色调最深区域）发现该处的反演风场在风速上也相应处于极大值区域，说明反演风速与实况有较为一致的对应关系。分析20：00时次河源探空图（图3d）可以发现，该时次在850到700 hPa之间（反演风场相对应高度）风速约为30～40 m／s，风向东北偏北风，对比该时次邻近时次反演风场可以发现，反演风场以偏东北风为主，风速30 m／s左右，说明反演风场与实际风场有较高的相关性。

图3 2013年9月22日23：00（a）、23日01：00（b）风场叠加强度、22日23：00速度图（c）及河源探空图（d）

4 大范围强对流天气个例分析

2013年3月23日下午，河源市发生大范围强对流性冰雹天气，降雹云系由西部沿东北方向影响经过的地区，从16：00持续到19：00左右，是河源雷达站建站以来观测到的持续时间最长、影响范围最大的一次强对流天气。分析反演出的风场信息叠加强度图（图4a-b）可以发现，对于超级单体回波，即图4a中圈出的地区以及其它强回波单体区域，该反演方法不能很好的反演出风暴内部风场结构，但是可以较好的反演出环境风场，该风场与回波移动方向基本一致，对回波的移动方向具有较好的指示性；对于图4a中圈出部分显示有环境风场的辅合，在17：00（图4b）该区域也有强降水回波迅速发展，与实况较为一致。分析风场信息叠加径向速度图（图4c）可以发现，整个环境风场以西南风为主，对于单块的降水回波可以很好的反演出环境风场状况，对回波内部风场结构反演效果不佳，可能原因在于数据分辨率问题以及该算法对于中小尺度系统内部风场结构的反演效果欠佳，或者是直接平滑了该部分数据的影响；对比径向风速的极大值区域（图4c中冷暖色调最深区域）发现该处的反演风场在风速上也相应的处于极大值区域，说明反演风速与实况有较为一致的对应关系。对比当日20：00时次的河源探空图（图4d）可以发现，实况850到700 hPa之间（反演风场相对应高度）为西南偏西风，风速较小，与反演风场结果较为近似。

图4 2013年3月23日16：30（a）、17：00（b）反演风场叠加强度，17：00速度图（c）及河源探空图（d）

5 结论

1）对于前汛期暴雨类型天气系统该方法反演效果较好，能够较好的反演出整体风场分布及切变线的位置、移动趋势等。类似天气系统如锋面降水、层状云降水等利用该方法反演的效果都较为理想。

2）对于台风系统该方法在台风1、2象限反演效果较好，但反演出的风场只能指示回波的移动方向，对于台风内部风场的反演效果则不佳。在实际业务应用中如需判断降水回波移动时可以适当参考。

3）对强对流天气系统该方法能够很好的反演出环境风场以及指示系统的移动方向，但对于系统内部风场该方法反演效果则不理想，可能的原因在于相关数据分辨率的影响以及该算法为满足相关数据的平滑性而在一定程度上忽略了中小尺度系统内部风场结构的影响。