Original paper

Noise filtering in a variational wind field retrieval from Doppler radar

Wüest, Marc; Zawadzki, Isztar; Schmid, Willi

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 2 (2001), p. 131 - 140

published: Apr 25, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0131

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Abstract

Two different concepts for noise filtering in a DOPPLER radar wind field retrieval are compared. The first technique is a smoothing on the raw radar data. The second method uses a smoothness constraint within a variational technique in which a model wind field is adjusted to radar data by minimizing a cost function. The wind field retrieval algorithm is described by PROTAT and ZAWADZKI (1999) and is further extended here by adding a topography constraint for its application in mountainous terrain. The experiments are carried out with analytic wind fields artificially affected by noise. In a first step only the horizontal wind is retrieved. In a second step the continuity equation serves to calculate the three-dimensional wind field. Power spectra and an error analysis of the retrieved wind fields as well as the performance of the algorithm lead to the following results. An efficient noise filtering by a mere data smoothing is accompanied by a lack of accuracy in the retrieved wind components. The smoothness constraint eliminates the noise more efficiently than smoothing of raw data while producing an accurate wind field. For the retrieval of the vertical velocity wind field, the smoothness constraint is indispensable.

Kurzfassung

Zwei unterschiedliche Konzepte für die Rauschunterdrückung bei der Herleitung des Windfeldes von DOPPLER-Radargeräten werden in dieser Arbeit verglichen. Die erste Technik zur Rauschunterdrückung glättet die rohen Radardaten (data smoothing). Die zweite Methode ist eine glättende Modellgleichung (smoothness constraint), welche in einer Variationstechnik angewandt wird, um ein Modell-Windfeld an die Beobachtungen der Radargeräte anzupassen. Der Algorithmus zur Bestimmung des Windfeldes stammt von PROTAT and ZAWADZKI (1999) und wird mit einer Gleichung erweitert, welche die Topographie berücksichtigt. Für die Experimente wird ein analytisches Windfeld benützt, welchem künstliches Rauschen hinzugefügt wird. Zuerst wird nur das horizontale Windfeld hergeleitet. In einem zweiten Schritt wird die Kontinuitätsgleichung zur Bestimmung des dreidimensionalen Windfeldes beigezogen. Energiespektren und eine Fehleranalyse für die hergeleiteten Windfelder, sowie die Geschwindigkeit des Algorithmus führen zu den folgenden Resultaten: die Glättung der Rohdaten führt nur bei gleichzeitiger Abnahme der Genauigkeit des Windfeldes zu einer effizienten Rauschunterdrückung. Unter Benutzung der glättenden Modellgleichung wird das Rauschen effizienter unterdrückt und es wird ein genaues Windfeld hergeleitet. Für die Bestimmung des vertikalen Windfeldes ist die glättende Modellgleichung unerlässlich.