雷达风场提取螺旋度和散度信息方法及应用研究

First a technique of computer-simulated Doppler signal from Sirmeans (1975) is applied to analyze mean wind fields, mean divergence fields and calculated errors of the helicity of this project. When it is fair weather, the data of clear air Doppler velocity is used to retrieve mean wind and mean divergence fields by using VAD method. With the calculated surface relative helicity and its vertical layers integration, the cold or warm advection of low level atmosphere is obtained quantitativly. The influence of vertical wind shear is evaluated by calculation of normalized surface relative helicity and its vertical layers integration. If the precipitation echoes appear outside the observation ranges of clear air echoes Doppler velocity scan mode, it is necessary to calculate storm relative helicity and its vertical layers integration. If the precipitation echoes appear within the observation ranges of clear air echoes Doppler velocity scan mode, in addition to the calculation of the above mentioned helicities, considering the fall speed of raindrops, the EVAD technique is applied to extract the mean divergence of atmosphere. Via the extracted mean divergence and various helicities values, and in combination with other products of Doppler weather radar, the convective storm growth can be predicted. This study can explore the detection potential of Doppler weather radar and better understand the process of the growth, maintaining and decay of storms. It will improve the accuracy of forecast of hazards compared with the previous methods and further enhance the warning capability to maximize the benefits.

首先应用Sirmans的模拟多普勒速度仿真信号技术，分析平均风场、平均散度和本项目拟研究的螺旋度的计算误差。当无降水回波时，应用晴空回波速度资料通过VAD技术反演平均风场信息和平均散度。计算地面相对螺旋度及其沿垂直方向的积分形式，以定量获取低层大气冷暖平流信息。计算标准化地面相对螺旋度及其沿垂直方向的积分形式，以评估风垂直切变的作用。在晴空回波区以外的探测范围内出现降水回波时，另外再计算风暴相对螺旋度及其积分形式。在晴空回波范围内出现降水回波时，除计算上述各种螺旋度外，考虑到雨滴下落速度的影响，应用EVAD技术提取大气平均散度信息。应用所提取的平均散度和各种螺旋度信息，结合多普勒天气雷达其他产品，预测风暴发展动态。通过本项目的研究，可以进一步挖掘多普勒天气雷达的探测潜力，更加清楚了解风暴发生演变过程，提高风暴降水的预警预报准确率，发挥最大效益。

多普勒天气雷达作为目前业务应用中最先进的探测工具之一，不仅具备可以观测降水回波强度场分布的能力，而且可以获得云体内部风场分布和结构方面的信息。本项目利用江苏省多普勒天气雷达数据，开展了以下研究工作：1、应用速度缺测填补技术对回波缺测区域进行填补，在此基础上计算散度和螺旋度，提高了从风场信息中提取散度信息和螺旋度信息的精度。2、对于风暴发生发展的不同阶段，分别使用VAD方法和EVAD方法提取散度信息，在风暴未进入晴空回波区的范围时，应用晴空回波速度资料通过VAD技术反演平均风场信息，在此基础上提取平均散度并计算螺旋度。在风暴进入晴空回波区范围时，使用EVAD技术反演平均散度，并使用SCIT风暴追踪方法提取风暴的移向移速信息，计算风暴相对螺旋度。3、定量提取的散度信息和螺旋度信息，与风暴的发生发展和维持具有一定的关系，有助于提高对风暴发展状况的认识。在大范围降水过程中，散度的变化会导致风暴发展变化，低层辐合加强，风暴增强，降水加强。螺旋度的变化可以一定程度上预测风暴的发展情况，较大的正值螺旋度预示着风暴将要加强，螺旋度从正转负则预示着风暴减弱。定量提取的螺旋度及密度的分层分布可以反映风暴发生发展过程中的垂直结构演变情况。同时研究了降雪过程中的散度和螺旋度变化，在降雪过程中散度变化要较螺旋度变化更为明显，并且螺旋度的垂直分布与降雨过程有着不同特征。对比风暴中回波强度的演变情况，散度、螺旋度的变化，对风暴起到加强作用时，风暴中90百分位回波强度加强的作用要较50百分位回波强度更大。4、风暴移动信息提取的准确性对计算风暴相对螺旋度有着较大的影响，同时，本项目的研究较为适用于大范围的降水过程，对于一些小尺度的降水过程，提取的散度和螺旋度信息不一定能够准确反映真实风暴的发展演变情况，如何准确提取这一类风暴的散度和螺旋度信息还有待于以后进一步的研究。

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