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(dá)作為一種新的氣象探測(cè)工具，具有高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一個(gè)天氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)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(shí)臨近預(yù)報(bào)中起到越來越重要的作用。由于雷達(dá)自身的局限性，徑向速度產(chǎn)品只是獲取到目標(biāo)粒子相對(duì)于雷達(dá)徑向上的速度方向與大小，并不能直接獲取目標(biāo)粒子的真實(shí)速度與方向，在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)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(chǎng)信息，如何從現(xiàn)有的雷達(dá)產(chǎn)品反演出真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)假設(shè)的速度方位顯示（VAD）方法是最早提出的風(fēng)場(chǎng)反演算法［1］，也是目前投入業(yè)務(wù)運(yùn)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(duì)應(yīng)的方位來判斷風(fēng)向風(fēng)速，此種方法只能得到一個(gè)大尺度的廓線特征，而且該方法反演出的平均風(fēng)廓線對(duì)徑向速度的隨機(jī)誤差不敏感，但此種誤差對(duì)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(chǎng)以及雷達(dá)掃描期間風(fēng)場(chǎng)不隨時(shí)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(gè)仰角資料進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演，將徑向、切向和垂直方向構(gòu)成的一個(gè)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(chǎng)數(shù)據(jù)，但該方法中包含的待反演參量個(gè)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(dòng)會(huì)造成反演的失?。?-9］。在假設(shè)風(fēng)場(chǎng)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(jì)算，對(duì)雷達(dá)回波面積要求較低、對(duì)回波的整體分布沒有要求［11-14］。

河源市的強(qiáng)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(dòng)路徑對(duì)于預(yù)報(bào)員來說比較重要，而環(huán)境風(fēng)場(chǎng)信息可以為預(yù)報(bào)提供一定的參考。河源雷達(dá)站由于海拔較高，凈空條件非常好，采用低仰角掃描時(shí)幾乎沒有遮擋，相對(duì)符合VAP方法所要求的條件。本研究挑選河源雷達(dá)站（海拔高度1 056 m）觀測(cè)到的幾個(gè)不同類型的天氣過程，利用VAP方法反演其風(fēng)場(chǎng)并分析以確定該方法對(duì)于河源雷達(dá)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(diǎn)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(jì)算風(fēng)向風(fēng)速，此方法即為VAP方法，計(jì)算公式為

其中，vr1、vr2分別為相鄰兩個(gè)方位角上的多普勒雷達(dá)徑向速度（m／s）；Δθ為相鄰兩個(gè)方位的方位差（°）；α為風(fēng)向與其中一個(gè)方位的夾角（°）；v為實(shí)際風(fēng)速（m／s），根據(jù)此公式通過設(shè)計(jì)程序就可以反演出真實(shí)風(fēng)場(chǎng)。本研究所用資料為河源雷達(dá)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(gè)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(qiáng)降水過程具有“暴雨范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、累積雨量大、降水強(qiáng)度強(qiáng)”等特點(diǎn)。

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

圖1為河源雷達(dá)站0.5°仰角的基本反射率疊加反演風(fēng)場(chǎng)信息，其中反演風(fēng)場(chǎng)海拔高度約2 km，從反演效果來看，雷達(dá)站東北部以南的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)以西南風(fēng)為主，且風(fēng)速較大，與實(shí)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(duì)應(yīng)著強(qiáng)回波中心，隨著時(shí)間推移，風(fēng)場(chǎng)交匯處的位置逐步往東南方向推進(jìn)，相應(yīng)的強(qiáng)回波中心也隨著移動(dòng)，切變線以北的區(qū)域則轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)場(chǎng)控制，回波強(qiáng)度減弱，切變線東南部西南風(fēng)維持且強(qiáng)盛，回波強(qiáng)度則繼續(xù)加強(qiáng)，強(qiáng)降水的位置與圖中切變線的位置有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)整個(gè)切變線南壓以后，降水就基本減弱消失。通過對(duì)該次降水過程的風(fēng)場(chǎng)反演分析發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)基本相符，尤其是在風(fēng)向方面與實(shí)況基本一致，在風(fēng)的大小方面反演的風(fēng)速有個(gè)持續(xù)增大的過程，這種風(fēng)速的變化趨勢(shì)也與實(shí)況基本相符合。

圖1 2019年6月9日20：00—23：00逐小時(shí)反演風(fēng)場(chǎng)疊加強(qiáng)度圖

圖2為河源雷達(dá)站0.5°仰角的20：00到24：00反演風(fēng)場(chǎng)疊加速度圖以及河源探空站20：00探空?qǐng)D，其中反演風(fēng)場(chǎng)海拔高度約2 km，由圖2可以看出，紅實(shí)線內(nèi)正負(fù)速度交匯的區(qū)域也是反演風(fēng)場(chǎng)切變線所在區(qū)域，說明反演風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)在風(fēng)向上有很大的對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì)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(chǎng)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(shí)況有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紅實(shí)線內(nèi)對(duì)于小塊回波的反演其風(fēng)向也與實(shí)況基本相同，反演風(fēng)速的大小也與實(shí)測(cè)徑向風(fēng)速有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，反演風(fēng)場(chǎng)能很好的彌補(bǔ)徑向速度圖單一風(fēng)向（正負(fù)速度）的缺點(diǎn)，能夠展示更趨近于實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)。但此反演方法對(duì)于雷達(dá)附近的風(fēng)場(chǎng)反演在風(fēng)向風(fēng)速上則不太理想，會(huì)產(chǎn)生風(fēng)場(chǎng)混亂的現(xiàn)象，可能是對(duì)于回波強(qiáng)度較弱的區(qū)域風(fēng)場(chǎng)反演效果不佳。

河源探空站與河源雷達(dá)站直線距離約10 km，可用該站點(diǎn)的探空資料與反演資料用作對(duì)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)高度），風(fēng)向風(fēng)速在該高度與該時(shí)次反演風(fēng)場(chǎng)接近一致（西南風(fēng)，風(fēng)速約10 m／s），說明該風(fēng)場(chǎng)反演方法對(duì)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(chǎng)疊加速度圖及河源探空?qǐng)D（d）

3 臺(tái)風(fēng)個(gè)例風(fēng)場(chǎng)反演分析

由于河源地處粵北山區(qū)，臺(tái)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(tái)風(fēng)作為反演分析對(duì)象。該臺(tái)風(fēng)于9月16日在西太平洋生成，進(jìn)入南海后于22日以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)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(tái)風(fēng)過程移動(dòng)速度快風(fēng)力大、降水強(qiáng)度較強(qiáng)，對(duì)河源市主要是風(fēng)力影響，無強(qiáng)降水。河源雷達(dá)站對(duì)該次過程全程進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，合適的觀測(cè)距離以及觀測(cè)高度使得該次觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很高的可靠性。圖3a-c為河源雷達(dá)站0.5°仰角、反演風(fēng)場(chǎng)海拔高度約2 km的反演風(fēng)場(chǎng)疊加強(qiáng)度圖，由圖3a-b可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于臺(tái)風(fēng)外圍邊緣風(fēng)力相對(duì)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(tái)風(fēng)1、2象限風(fēng)場(chǎng)具有明顯的氣旋性彎曲特征，圖3a-b中紅色實(shí)線內(nèi)的風(fēng)向基本與實(shí)況相符，在臺(tái)風(fēng)南部區(qū)域，反演的風(fēng)場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)螺旋云帶移動(dòng)方向較為一致，但是與臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)有所不同，在臺(tái)風(fēng)中心及其附近由于風(fēng)力大，達(dá)到速度模糊，反演的風(fēng)場(chǎng)較為混亂，但是反演的風(fēng)力大小與實(shí)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(chǎng)疊加徑向速度圖（圖3c）可以發(fā)現(xiàn)，反演風(fēng)場(chǎng)整體風(fēng)向與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑高度相似，對(duì)于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(shí)況有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。分析20：00時(shí)次河源探空?qǐng)D（圖3d）可以發(fā)現(xiàn)，該時(shí)次在850到700 hPa之間（反演風(fēng)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)高度）風(fēng)速約為30～40 m／s，風(fēng)向東北偏北風(fēng)，對(duì)比該時(shí)次鄰近時(shí)次反演風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，反演風(fēng)場(chǎng)以偏東北風(fēng)為主，風(fēng)速30 m／s左右，說明反演風(fēng)場(chǎng)與實(shí)際風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)疊加強(qiáng)度、22日23：00速度圖（c）及河源探空?qǐng)D（d）

4 大范圍強(qiáng)對(duì)流天氣個(gè)例分析

2013年3月23日下午，河源市發(fā)生大范圍強(qiáng)對(duì)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(dá)站建站以來觀測(cè)到的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響范圍最大的一次強(qiáng)對(duì)流天氣。分析反演出的風(fēng)場(chǎng)信息疊加強(qiáng)度圖（圖4a-b）可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于超級(jí)單體回波，即圖4a中圈出的地區(qū)以及其它強(qiáng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)，但是可以較好的反演出環(huán)境風(fēng)場(chǎng)，該風(fēng)場(chǎng)與回波移動(dòng)方向基本一致，對(duì)回波的移動(dòng)方向具有較好的指示性；對(duì)于圖4a中圈出部分顯示有環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的輔合，在17：00（圖4b）該區(qū)域也有強(qiáng)降水回波迅速發(fā)展，與實(shí)況較為一致。分析風(fēng)場(chǎng)信息疊加徑向速度圖（圖4c）可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)以西南風(fēng)為主，對(duì)于單塊的降水回波可以很好的反演出環(huán)境風(fēng)場(chǎng)狀況，對(duì)回波內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)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(duì)于中小尺度系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的反演效果欠佳，或者是直接平滑了該部分?jǐn)?shù)據(jù)的影響；對(duì)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(chǎng)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(shí)況有較為一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)比當(dāng)日20：00時(shí)次的河源探空?qǐng)D（圖4d）可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)況850到700 hPa之間（反演風(fēng)場(chǎng)相對(duì)應(yīng)高度）為西南偏西風(fēng)，風(fēng)速較小，與反演風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)疊加強(qiáng)度，17：00速度圖（c）及河源探空?qǐng)D（d）

5 結(jié)論

1）對(duì)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(chǎng)分布及切變線的位置、移動(dòng)趨勢(shì)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(duì)于臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)該方法在臺(tái)風(fēng)1、2象限反演效果較好，但反演出的風(fēng)場(chǎng)只能指示回波的移動(dòng)方向，對(duì)于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的反演效果則不佳。在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中如需判斷降水回波移動(dòng)時(shí)可以適當(dāng)參考。

3）對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)該方法能夠很好的反演出環(huán)境風(fēng)場(chǎng)以及指示系統(tǒng)的移動(dòng)方向，但對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。