[发明专利]基于单多普勒雷达的切变区风场反演方法

说明书

本发明公开了基于单多普勒雷达的切变区风场反演方法，该方法包括以下步骤：首先使用局部约束并假设在一个足够小的邻域内所有点的风速相等，同时在邻域选取时加入径向速度一致性约束，使算法能够适用于切变区风场；再利用最小二乘法计算得到一个初步的反演结果；然后引入一个全局约束泛函数并假设风速在整个反演区域满足一定条件；最后通过求解泛函数最小值的方法优化反演结果。该方法仅需单多普勒雷达某一时刻观测到的径向速度场即可反演包括切变区域在内的实际风场。

技术领域

本发明涉及基于单多普勒雷达的风场反演方法，特别是涉及基于单多普勒雷达的切变区风场反演方法，属于大气科学遥感资料分析研究领域。

背景技术

多普勒雷达目前已在气象领域得到了广泛的应用，它可以很好地观测和追踪中小尺度的降水系统。由于多普勒雷达仅能观测到降水粒子运动在雷达波束方向的投影，通常被称为径向速度，因此需要通过反演的方式得到气象分析和预报中常用的实际风场。在利用多普勒径向速度反演实际风场方面，前人已做了很多有意义的工作。

1970年，Lhermitte等人提出了基于双多普勒雷达的共面反演技术，后经Miller等人改进和完善，但是目前业务雷达形成双多普勒雷达共同覆盖的区域较小，因此该方法的适用范围很小。

现阶段业务雷达主要以单多普勒雷达为主，覆盖区域广，研究基于单多普勒雷达的风场反演方法，更有助于改善实际业务中的分析和预报工作。

早在1961年，Lhermitte等人就提出了基于单多普勒雷达的速度方位显示方法(VAD)，后经Browning等人的改进和完善，可以进一步得到风场的散度和形变等参数。VAD方法假定实际风场呈线性变化，在业务使用中存在一定的局限性：首先，VAD方法仅能得到雷达观测范围内平均的水平风场，不利于发挥雷达分辨率高的特性；其次，风场呈线性变化的假设在某些情况下并不能很好地成立，当风场中存在切变区时反演的风场和实际风场可能出现较大偏差。20世纪70年代，在局地线性风场的假定下，Waldteufel等提出了速度体积处理技术(VVP)，该方法可以同时反演风场的水平和垂直结构，但由于算法的系数矩阵存在病态问题，易导致反演风场产生误差。有研究试图通过减少反演参数的个数来减轻病态矩阵带来的问题，但被忽略的参数在反演时又可能成为新的误差来源。

为了改进基于多普勒雷达的风场反演技术，前人又引入了在计算机视觉领域应用较广的光流法。早在20世纪50年代，Gibson和Wallach等科学家就提出了光流法的基本原理。而真正提出有效光流计算方法的是Horn和Schunck两位科学家，他们创造性地将二维速度场和图像灰度相联系，引入了光流约束方程的算法，使得光流法在真正意义上得以实现。光流法在多普勒雷达反演实际风场的应用主要是针对雷达反射率，即将不同时刻的雷达反射率看成连续的多帧灰度图像，使用标准的算法即可求得两个时刻之间的平均速度。虽然光流法在运算速度、反演精度上都有一定的优势，但是雷达反射率应用于光流法仍存在模型误差。光流法要求图像遵循灰度不变性假设，而实际雷达反射率存在生消演变，故存在因反射率强度变化而导致的误差，这一误差在快速变化的强对流天气过程中更为显著。

发明内容

本发明针对现有基于多普勒雷达风场反演技术的不足，提出一种新的基于单多普勒雷达并适用于切变区的风场反演方法。其主要技术创新在于仅需单多普勒雷达某一时刻观测到的径向速度场即可反演包括切变区域在内的实际风场。