高密度雷达网风场反演的优化方法及其应用效果检验

摘要

高质量多普勒天气雷达三维风场反演产品是研究和预报中小尺度天气系统不可或缺的资料。现有的天气雷达三维变分风场反演方法（3DVAR）主要基于单部或数部雷达进行小范围风场反演，利用多部雷达资料进行而大范围风场反演计算量大、程序运行速度慢，不利于业务有效开展。利用广东省11部S波段多普勒天气雷达和27部X波段相控阵天气雷达，在3DVAR方法的基础上，结合双雷达风场反演方法提出了一种能够获得高质量大范围风场结果的优化方法（D-3DVAR）。优化过程共分三步：（1）基于天气系统位置确定风场反演区域从而减少雷达数量；（2）通过计算雷达网在双雷达风场反演贡献比例减少雷达数量；（3）在双雷达风场反演过程中每个格点仅选取最优的两个径向速度进行风场反演计算，其余径向速度不参与后续的风场反演，每进行一步优化后进行风场反演的结果记为优化1—3。以2022年5月13日广东沿海地区一次飑线过程为例，应用D-3DVAR方法对雷达网风场进行反演，并对反演结果进行对比检验。结果表明，三步优化的风场反演方法能够得到大湾区大范围的双多普勒雷达风场反演结果，在2 km高度能够较好覆盖大湾区陆地区域，在4 km高度能够覆盖海岸线内大部分区域。相较优化1，优化2和优化3的风场反演程序运行速度提高了3倍，优化3与优化1的风场反演结果基本特征一致，风速误差基本小于1.7 m·s^-1，风向误差基本小于10°；但优化3的风场反演结果更能突出中小尺度天气系统风场强上升气流和垂直涡旋特征。

关键词

风场反演 / 相控阵天气雷达 / 多普勒天气雷达 / 效果检验 / 三维变分