采用二步变分法反演多普勒雷达风场及其在中尺度暴雨过程研究中的应用

论文摘要

目前可以直接观测到中小尺度天气系统的有效工具首推多普勒天气雷达，其高分辨率的特性使我们把握中小尺度天气系统的细微结构成为可能。但是在绝大多数地区，一般只有单多普勒天气雷达的观测数据，因此从单多普勒雷达观测资料出发进行反演技术的研究工作就具有重要意义。本文在前人研究基础上提出了一种二步变分方法来反演单多普勒雷达风场：首先采用多元最优插值方法将常规探空资料插值生成初始风场，在此基础上在不考虑背景场约束以及三维风场平滑量约束的条件下极小化目标函数，反演出的三维风场作为最终反演所需的背景场，然后再进行反演得到最终的三维风场。依据此方法本文用反演的三维风场分析了2005年6月发生在江苏中部的一次中尺度暴雨过程。通过分析反演出的风场结构及相应计算出的物理诊断量，初步说明了该中尺度暴雨过程强降水中心形成的原因，表明此方法可以揭示出中小尺度天气系统的结构，体现中小尺度降水的特征。然后采用WRF模式对此过程进行数值模拟，得到与反演风场相同分辨率的高精度资料，对两者的风场作对比分析检验。结果表明两者的结果相当一致，说明二步变分法反演多普勒雷达三维风场的结果是可信的，具有较好的实用价值。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 第二章 多普勒雷达资料反演方法简介
• 2.1 传统反演方法国内外研究概况
• 2.2 变分反演方法国内外研究概况
• 2.2.1 简单共轭函数方法
• 2.2.2 基于四维变分方法
• 2.3 本文采用的二步变分反演方法
• 2.3.1 反演方法综述
• 2.3.1.1 二步变分反演方法的提出
• 2.3.1.2 准四维变分分析方法
• 2.3.1.3 背景场在准四维变分分析方法中的重要性
• 2.3.1.4 插值问题
• 2.3.2 背景场获取（首步变分）
• 2.3.2.1 求取初始场
• 2.3.2.2 求取背景场
• 2.3.3 次步变分
• 2.4 本章小结
• 第三章 采用二步变分法反演多普勒雷达风场研究中尺度暴雨个例
• 3.1 暴雨概述及大尺度背景
• 3.1.1 暴雨过程概述
• 3.1.2 暴雨过程大尺度背景
• 3.2 采用二步变分法反演多普勒雷达风场
• 3.2.1 资料获取及求取初始场
• 3.2.2 求取背景场
• 3.2.3 二步变分与传统单步变分反演结果对比
• 3.3 反演风场分析
• 3.3.1 反演区域降水分析
• 3.3.2 反演风场进一步分析
• 3.3.3 采用反演所得风场计算物理诊断量分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 WRF模式模拟风场与反演风场对比
• 4.1 WRF模式简介
• 4.2 本文采用的WRF模式模拟方案
• 4.3 模拟结果检验
• 4.3.1 雨量分布比较
• 4.3.2 风场分布比较
• 4.3.3 小结
• 4.4 模拟结果与反演结果对比
• 4.4.1 水平风场对比
• 4.4.2 垂直速度场对比
• 4.4.3 诊断量对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 主要结论与讨论
• 5.1 主要结论
• 5.2 讨论
• 致谢
• 参考文献
• 论文附图