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，在短時臨近預報中預報員往往需要掌握更加精確的環(huán)境以及相應天氣系統(tǒng)的風場信息，如何從現(xiàn)有的雷達產(chǎn)品反演出真實的風場信息就顯得尤為重要。前人在此方面做了許多研究，其中基于均勻風場假設的速度方位顯示（VAD）方法是最早提出的風場反演算法［1］，也是目前投入業(yè)務運行的方法之一，它根據(jù)徑向速度的最大值和最小值以及對應的方位來判斷風向風速，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方法反演的結果影響卻很大。由于該方法的天然缺陷，研究者在此基礎上發(fā)展出了幾種VAD方法，如VARD［2］、EVAD［3］、GVAD［4］等。在線性風場以及雷達掃描期間風場不隨時間變化的假設條件下，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場反演，將徑向、切向和垂直方向構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］。在假設風場局部均勻條件下，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報員來說比較重要，而環(huán)境風場信息可以為預報提供一定的參考。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

假設在同一距離圈上相鄰方向角的兩點風矢量相等，在此假設條件下，風速的大小和風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向風速，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為風向與其中一個方位的夾角（°）；v為實際風速（m／s），根據(jù)此公式通過設計程序就可以反演出真實風場。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場信息，其中反演風場海拔高度約2 km，從反演效果來看，雷達站東北部以南的環(huán)境風場以西南風為主，且風速較大，與實況相吻合，西北偏北地區(qū)以西風為主，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著強回波中心，隨著時間推移，風場交匯處的位置逐步往東南方向推進，相應的強回波中心也隨著移動，切變線以北的區(qū)域則轉為偏西風場控制，回波強度減弱，切變線東南部西南風維持且強盛，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關系，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場反演分析發(fā)現(xiàn)，該風場反演結果與實際風場基本相符，尤其是在風向方面與實況基本一致，在風的大小方面反演的風速有個持續(xù)增大的過程，這種風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反演風場疊加速度圖以及河源探空站20：00探空圖，其中反演風場海拔高度約2 km，由圖2可以看出，紅實線內(nèi)正負速度交匯的區(qū)域也是反演風場切變線所在區(qū)域，說明反演風場與實際風場在風向上有很大的對應關系；對比徑向風速的極大值區(qū)域（圖2中冷暖色調(diào)最深區(qū)域）發(fā)現(xiàn)該處的反演風場在風速上也相應的處于極大值區(qū)域，說明反演風速與實況有較為一致的對應關系。紅實線內(nèi)對于小塊回波的反演其風向也與實況基本相同，反演風速的大小也與實測徑向風速有很好的對應關系，反演風場能很好的彌補徑向速度圖單一風向（正負速度）的缺點，能夠展示更趨近于實際的風場。但此反演方法對于雷達附近的風場反演在風向風速上則不太理想，會產(chǎn)生風場混亂的現(xiàn)象，可能是對于回波強度較弱的區(qū)域風場反演效果不佳。

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（反演風場相對應高度），風向風速在該高度與該時次反演風場接近一致（西南風，風速約10 m／s），說明該風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）反演風場疊加速度圖及河源探空圖（d）

3 臺風個例風場反演分析

由于河源地處粵北山區(qū)，臺風直接過境數(shù)量較少，可挑選的樣本數(shù)量少，本研究挑選2013年“天兔”臺風作為反演分析對象。該臺風于9月16日在西太平洋生成，進入南海后于22日以強臺風級別在汕尾地區(qū)登陸，后沿著西北偏西方向橫穿廣東省，該次臺風過程移動速度快風力大、降水強度較強，對河源市主要是風力影響，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、反演風場海拔高度約2 km的反演風場疊加強度圖，由圖3a-b可以發(fā)現(xiàn)，對于臺風外圍邊緣風力相對較小區(qū)域不論是風向還是風速反演效果都較為理想，其中在臺風1、2象限風場具有明顯的氣旋性彎曲特征，圖3a-b中紅色實線內(nèi)的風向基本與實況相符，在臺風南部區(qū)域，反演的風場與臺風螺旋云帶移動方向較為一致，但是與臺風內(nèi)部風場結構有所不同，在臺風中心及其附近由于風力大，達到速度模糊，反演的風場較為混亂，但是反演的風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。分析反演風場疊加徑向速度圖（圖3c）可以發(fā)現(xiàn)，反演風場整體風向與臺風移動路徑高度相似，對于臺風內(nèi)部風場結構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)該處的反演風場在風速上也相應處于極大值區(qū)域，說明反演風速與實況有較為一致的對應關系。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（反演風場相對應高度）風速約為30～40 m／s，風向東北偏北風，對比該時次鄰近時次反演風場可以發(fā)現(xiàn)，反演風場以偏東北風為主，風速30 m／s左右，說明反演風場與實際風場有較高的相關性。

圖3 2013年9月22日23：00（a）、23日01：00（b）風場疊加強度、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暴內(nèi)部風場結構，但是可以較好的反演出環(huán)境風場，該風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。分析風場信息疊加徑向速度圖（圖4c）可以發(fā)現(xiàn)，整個環(huán)境風場以西南風為主，對于單塊的降水回波可以很好的反演出環(huán)境風場狀況，對回波內(nèi)部風場結構反演效果不佳，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)部風場結構的反演效果欠佳，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)該處的反演風場在風速上也相應的處于極大值區(qū)域，說明反演風速與實況有較為一致的對應關系。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（反演風場相對應高度）為西南偏西風，風速較小，與反演風場結果較為近似。

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

5 結論

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）對于臺風系統(tǒng)該方法在臺風1、2象限反演效果較好，但反演出的風場只能指示回波的移動方向，對于臺風內(nèi)部風場的反演效果則不佳。在實際業(yè)務應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)境風場以及指示系統(tǒng)的移動方向，但對于系統(tǒng)內(nèi)部風場該方法反演效果則不理想，可能的原因在于相關數(shù)據(jù)分辨率的影響以及該算法為滿足相關數(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)部風場結構的影響。