基于雷达组网拼图的定量降水估测算法业务应用及效果评估

基于雷达组网实时的定量降水估测(QPE)及实时评估系统在浙江省杭州市气象局成功实现了业务应用,在评估雷达定量降水估测业务应用效果的同时,根据雷达反射率因子垂直廓线(VPR)特征,探讨分析了不同类型降水过程中雷达定量降水估测的误差源。系统联合杭州、宁波、舟山、温州、金华及衢州6部新一代天气雷达的基数据资料,以及覆盖浙江省且经反距离加权(Inverse Distance Weights,IDW)法实时质量控制的雨量计观测资料,采用先雷达组网拼图再降水估测的方案,集成Z-R关系法和最优插值法反演与校准雷达定量降水估测数据场。4次不同类型降水过程的评估结果表明:(1)在地物遮挡严重的浙江西北部和雷达覆盖较差的浙江南部,降水估测的雷达反射率因子如果源于0℃层亮带,会导致雷达定量降水估测严重高估;如果源于浅薄层云云系的云顶,会造成雷达定量降水估测严重低估。(2)多种降水类型云系并存,但使用相对单一的Z-R关系,会导致梅雨和台风期间雷达定量降水估测的局部高估或低估。(3)伴随飑线系统的强对流以及台风系统的非对称性也是导致雷达定量降水估测误差的重要原因。(4)联合Z-R关系和最优插值法,有效地降低了雷达定量降水估测的系统误差,但仍然存在大量的局部误差。     

基于云团分型动态Z-R算法的浙赣铁路沿线面雨量估算

利用雷达组网数据和自动站逐分钟雨量数据,选取浙赣铁路灾害降水个例,运用云团分型的动态Z-R关系拟合算法进行定量降水估测。结果表明:(1)基于铁路沿线的雷达-雨量计降水估测方案可以有效识别降水类型和降水区域的差异性特征,其估测精度优于简单分组Z-R关系拟合算法;(2)对降水估测结果进行效果检验,评估结果可以有效改善雷达QPE的系统误差和局部误差。     

BP神经网络在多普勒雷达降水量的估测中的应用

利用2005年4次降雨过程的多普勒雷达体扫的回波强度资料及相应的雨量计观测资料, 通过BP神经网络方法来估测临沂地区的降雨量, 同时以改进的最佳窗概率配对法建立的Z-R关系估测的降雨量为对照, 进一步验证BP神经网络方法的优越性。根据各个站点的平均相对误差、 均方根差、 相关系数和相关曲线斜率4个指标的比较, 小时雨量和累计降雨量估测结果表明： BP神经网络估测精度要明显优于Z-R关系式, 训练样本的精度高于检验样本的精度, BP神经网络估测的降雨量与站点实测雨量吻合性较好, 能够较真实地反映地面降雨情况; Z-R关系式估测的降雨量随着雨强的不同表现为不同程度的低估现象。     

基于云团的分组Z-R关系拟合方案效果评估与误差分析

为了降低因Z-R关系不确定导致的雷达定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation,简称QPE)误差,提出了基于云团的分组Z-R关系拟合方案,在风暴单体识别算法得到的不同降水云团或同一个云团内部的不同数据分组区域内,拟合并采用不同的Z-R关系反演地面降水信息。以2013年6月5—7日的梅雨锋过程为例,使用覆盖长江中下游地区的28部多普勒雷达和全国逐分钟雨量计的观测资料,对单一动态关系、简单分组Z-R关系以及基于云团的分组ZR关系反演的雷达1 h QPE进行效果对比和误差分析,结果表明:(1)基于云团的分组Z-R关系可以有效识别降水云系的局部特征,这是基于云团的分组Z-R关系优于其他两种Z-R关系方案的重要原因。(2)雷达波束部分遮挡导致的偏弱反射率因子,对雷达QPE数据场的不连续性和Z-R关系的不确定性均有影响。(3)雷达硬件或雷达标定引入的偏强(弱)的反射率因子,与简单分组Z-R关系得到的雷达QPE局部高(低)估相关,这降低了简单分组Z-R关系在大范围降水过程中的适用性,但对基于云团的分组Z-R关系的影响较小。     

雷达回波强度拼图的定量估测降水及其效果检验

为了得到精度更高的高时空分辨率格点定量估测降水量，需要将雷达资料和雨量计降水量资料进行有效的综合利用。利用广东6部多普勒雷达的回波强度拼图资料和稠密的自动雨量计降水强度观测资料，采用概率密度法建立Z-R关系进行雷达降水估计，并采用客观订正方法利用雨量计资料对雷达降水估计进行校准。交叉检验表明：利用雨量计对雷达降水估计进行客观方法订正可以取得比单纯用雨量计资料进行OI插值好的效果。OI雷达订正法较优。     

应用雷达拼图数据估测降水试验

利用2008年6月5～7日广东省新一代天气雷达网(广州、梅州、韶关、阳江、深圳及汕头6部雷达)的雷达原始体扫资料及自动雨量站资料,对广东省3 km高度上的雷达网系统观测值差异进行了分析,发现广州雷达的观测值比周围雷达偏高1～3 dBz,梅州雷达比其周围雷达的观测值偏低1～2 dBz。用Z-R关系和最优插值校准法分别进行6 min和1 h估测降水,并用面雨量偏差和均方根误差对该次降水估测试验做了简单评估。结果显示:6 min定量估测降水,两种方法都会低估,面雨量越大,估测效果越好;对于1 h定量估测降水,各种估测方法都有偏高或偏低情况,但普遍偏高,其中用先累加再用最优插值校准法校准的雷达-雨量计联合估测方法效果最好;短时降水估测可以很好地反映降水过程变化,而长时间降水估测可以较准确估测降水大小。     

基于CINRAD SA双偏振雷达新型定量降水估测方法研究

杭州下沙S波段天气雷达在双偏振升级的基础上增加了精细化探测技术，为了进一步提高雷达定量降水估测精度，本文参考小时雨量计订正雷达估测降水算法模型，建立了一种基于分钟级雨量计数据的实时定量降雨估测雨强订正方法（简称QPE ADJUST法），利用雨量计资料对雷达的QPE数据逐体扫实时订正，累计完成1 h、3 h降水估测产品，提高了雷达降水估测精度。通过对雷达产品及自动站数据资料的评估，分别从降水估测算法、雷达分辨率影响及体扫周期速度影响3方面对QPE ADJUST法的估测降水效果进行了统计分析。结果表明：QPE ADJUST法在雷达高分辨率、快体扫周期的情况下均比其他算法更好地表现出降水时空分布特征，并将雷达小时定量降水估测的误差从50%降低至20%左右，有很高的估测精度和稳定性，具有业务应用价值。     

利用多普勒雷达定量估测降水试验

利用南昌多普勒雷达体扫资料和抚州市气象台站自记雨量资料,建立了定量估测降水方程,在抚河流域的不同区域进行了定量估测降水对比试验,据此给出了有利人工增雨作业的多普勒雷达产品判据。结果表明,综合利用多仰角基本反射率、回波顶高和垂直积分含水量进行定量估测降水,效果明显好于单独利用单仰角基本反射率估测定量降水。在降水量≤3 mm时,综合定量估测降水值、常规定量估测降水值与实测降水值比较吻合;在降水量>3 mm、特别是出现较大降水(>5 mm)时,与常规定量估测降水值相比,综合定量估测降水值更接近实测降水值。     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

舟山地区台风降水Z-R关系研究及其应用

利用2004—2005年舟山多普勒天气雷达台风基数据资料和浙江省自动雨量站网资料, 拟合适合于舟山地区台风降水的Z-R关系:Z=70R1.38, 并对其进行有效性确认。应用此关系对台风“南玛都”和“卡努”的降水进行雨量估测并与美国WSR-88D默认Z-R关系及实时雨量资料进行对比。结果表明:对于小雨量地区, 应用美国WSR-88D默认Z-R关系估测台风降水比较接近于实际。但是, 对于大雨量地区来说, 应用此关系估测台风降水更接近实际雨量, 而应用默认Z-R关系估测台风降水, 大雨雨量被严重低估。文中并进一步分析了产生误差的主要原因。     

梅雨锋云系内对流回波与层状回波的研究

本文利用1998年“淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX）”所获得的大量雷达资料及遥测雨量计计资料，细致分析了淮河流域梅雨锋云系的结构，根据层状云和对流云在雷达回波图中的不同特征，本文提出用松散系数D（反映云系结构疏松程度）来区分大范围云带中的降水云类型，同529张PPI资料统计表明，若D＞0．17则说明该区结构松散，降水属于层状云降水，D≤0．17时，云区是对流性降水，由于梅雨锋水具有明显的不均匀结构特征，其中锋面对流云带和强下挂回波带是造成强降水的主要原因，在用地面雨量资料和雷达资料对地面降水进行短时（3小时以内）校正时，针对不同的降水类型采用不同的Z－R关系比用同一种Z－R关系的校正精度大约提高4％。     

Study of Different Attenuation Correction Methods in Association with Rainfall Estimation for X-Band Polarimetric Radars

Different attenuation correction methods for the X-band dual linear polarimetric radar are analyzed in this paper.The specific differential phase shift K DP is always considered as an effective factor in radar signal attenuation correction.However,the values of K DP for light rains are too small,which results in unstable quality and large errors of rainfall estimation.Therefore,radar horizontal reflectivity Z H and specific differential phase shift are combined together in the Z H –K DP method to correct th...     

C波段双偏振雷达降水估计的误差分析与建模

双线偏振雷达定量降水估计精度受多种因素影响,为了更好地应用双偏振雷达估计降水并进一步提高降雨估测精度,需对雷达降水估计进行误差分析和建模.基于2015—2016年南京信息工程大学C波段双偏振雷达、雨滴谱仪观测资料以及南京地区雨量计数据,统计分析雷达估测降水的误差分布,分离雨量计代表性误差,并对随机误差和系统误差量化建模...     

Operational Evaluation of the Quantitative Precipitation Estimation by a CINRAD-SA Dual Polarization Radar System

In this paper, the quantitative precipitation estimation based on hydrometeor classification (HCA-QPE) algorithm was proposed for the first operational S band dual-polarization radar promoted by the CINRAD/SA radar of China. The HCA-QPE algorithm, the localized Colorado State University-Hydrometeor Identification of Rainfall (CSU-HIDRO) and Joint Polarization Experiment (JPOLE) algorithms, and the dynamic Z-R relationships based on variational correction QPE (DRVC-QPE) algorithm were evaluated with the rainfall events from March 1 to October 30, 2017 in the Guangdong Province. The results indicated that even though the HCA-QPE algorithm did not use the observed rainfall data for correction, its estimation accuracy was better than that of the DRVC-QPE algorithm when the rainfall rate was greater than 5mm h^(-1); and the stronger the rainfall intensity, the greater the QPE improvement. And the HCA-QPE algorithm worked better than the localized CSU-HIDRO and JPOLE algorithms. This study preliminarily verified the improved accuracy of QPE by a dual-polarization radar system modified from CINRAD-SA radar.     

青藏高原地区TRMM PR地面降雨率的修正

为掌握并改进青藏高原地区TRMM卫星降水雷达 (precipitation radar,PR) 地面降雨率准确度,统计分析了2005—2007年TRMM PR 2A25资料和逐小时地面雨量计,结果表明:青藏高原地区TRMM PR地面降雨率在层云降水时平均偏低35%,在对流云降水时平均偏高42%。Z-R关系的适用性是PR产生偏差的原因之一,研究将TRMM PR层云降水模型中20℃层Z-R关系的初始系数A和b分别修正为0.0288和0.6752,对流云降水模型中20℃层的初始系数A和b分别修正为0.0406和0.5809,得到两类降水模型0℃层与20℃层之间不同高度Z-R关系的更新系数。检验结果表明,修正降水模型后能够提高青藏高原地面降雨率测量的准确度。     

X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究

文中分析了X波段双线偏振雷达衰减订正各种方法的特点,考虑到差传播相移率(KDP)作为衰减订正的一种有效途径,以及由于KDP值较小,数据质量不稳定,往往导致订正误差较大,因此提出了同时利用水平反射率因子ZH与KDP进行衰减订正的ZH-KDP综合法.基于同样的考虑,在随后利用ZH、KDP进行降水估测时,提出了ZH-KDP-R综合估测方法.利用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和成都锦江电子系统工程有限公司,在研制3.2 cm波长同时收发式多普勒偏振天气雷达过程中,2005年8月在平凉外场试验取得的一批观测资料,对提出的衰减订正综合法及降水估测综合法的效果进行了分析检验,结果表明,ZH-KDP综合法对ZH、ZDR有稳定的订正效果,并且订正速度快,能够达到实时运行的要求.2005年8月11日15:08:03-22:05:46,间隔5-12 min不等,雷达开机取得了连续的观测资料,通过对这次降水过程的对比分析表明,ZH-KDP-R综合估测法比单因子KDP-R法、Z-R关系法,适用估测的降水强度变化范围广,与自动雨量记的观测结果较为吻合.Z-R关系法中,利用订正后的ZH值,比利用订正前的ZH值,降水估测值与雨量记实测值的误差明显减小,说明衰减订正后的雷达数据质量有明显的改善.     

雷达雨量计联合估算降水在城市内涝模型中的应用

为了满足城市暴雨内涝模型对面雨量精细化的需求,在天津城市暴雨内涝模型的基础上,将雷达估算降水产品应用到模型面雨量计算中,针对2012年7月25—26日天津的大暴雨过程,考察4种雷达估算降水产品和两种插值方法计算的内涝模型面雨量。经过对比发现,利用变分方法计算的雷达估算降水产品VAR用曲面插值方法计算内涝模型的面雨量整体效果最好。