京津冀夏季雷达定量降水估测的误差统计及定量气候校准

雷达定量降水估测（QPE）是短时临近预报的关键部分,在定量降水预报（QPF）、强降水预警、城市积水内涝、地质山洪灾害、精细化天气服务等方面具有重要作用。利用京津冀地区雷达定量降水估测资料和逐时自动气象站降水观测数据,分析了2011—2016年夏季京津冀地区雷达定量降水估测的误差空间分布特征,并重点提出了一种新的雷达本地化定量气候校准算法。结果表明,京津冀地区雷达定量降水估测较好地反映了总降水量东北—西南带状分布特征,但西北部山区、东北部山区及西南部山区估计偏弱,东北部山前地带估计偏强,西北部存在虚假降水估计,而北京市城区估计最为准确。利用雷达本地化定量气候校准算法对1 h雷达定量降水估测进行气候尺度上的约束订正,检验结果表明,经过校准后的雷达定量降水估测偏差（BIAS）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和均方根相对误差（RRMSE）均减小。绝大部分站点偏差减小幅度超过50%,京津冀东部及南部平原地带平均绝对误差、均方根误差和均方根相对误差减小幅度在20%左右,而北部及西南部山区误差减小幅度相对较小。降水个例检验结果表明,经过雷达定量气候校准后的雷达定量降水估测强度更接近自动气象站观测的降水量级,且降水结构细致,偏差、平均绝对误差和均方根误差均减小,与自动气象站观测降水的相关系数增大,因此该算法有助于改进雷达定量降水估测的准确度。      

新一代天气雷达定量降水估测集成系统

降水的定量测量是天气雷达的重要应用之一,新一代天气雷达定量降水估测集成系统(QPEGS)是一套基于新一代天气雷达的雷达雨量计联合估测降水软件,利用多种雨量计校准雷达降水的方法,生成1小时降水分布。其产品的时间分辨率达10分钟,空间分辨率1 km×1 km,适合省市级业务台站使用。过去3年的数据评估表明:校准雨量计数量和估测精度有明显正相关,校准雨量计数越多,降水估测精度越高,2003年的小时降水估测误差约40%,过程降水量的估测误差小于20%;雨量计密度保持不变的情况下,降水时段越长,降水区域越大,降水估测的精度也越高。     

天气雷达定量降水估测不同校准方法的比较与应用

利用天气雷达联合地面雨量计定量降水估测的局地平均校准法和局地分级平均校准法,分布估计2012年7月21日20:00至22日01:00 BT重庆市荣昌县及附近的降水。结果表明,局地分级平均校准法较局地平均校准法对强降水的估测效果好,同时两种方法的降水估测效果均与所取的局地校准半径大小有关。对降水分布及洪水灾情的分析表明,降水分布与河网的结合是进行中小河流洪水气象风险预报的重要着眼点。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

雨量计密度对校准雷达估测降水的影响及单点对校准的贡献

利用新一代天气雷达基数据资料和天津三次不同类型降水天气过程的降水量资料,采用变分校准方法,以校准区域内所有雨量计校准雷达得到的估测降水场作为"真值场",对比分析14种不同密度雨量计网校准雷达估测降水的效果,并对雨量计网中单个雨量计站点对校准雷达的贡献进行试验分析。结果表明:（1）参加校准的雨量计密度较小时,雷达估测降水的误差较大,估测效果不好;随校准雨量计密度的不断加大,雷达估测降水的偏差明显减小、估测精度不断提高并逐渐趋于稳定。（2）校准不同类型降水需要的雨量计密度不同,这与降水的性质有关;当校准雷达估测降水的效果与"真值场"的相当时,所需的雨量计密度为121 km²·部^-1。（3）在雨量计校准网中任意增加降水量不为零的站点,会在增加的站点周围出现估测偏差（高估或低估）,偏差的大小与站点降水量相对于其周围雨量计平均值的大小有关、偏差的影响范围则与站点周围雨量计的分布密度有关。（4）任意增大（减小）雨量计校准网中单个站点的降水量会使雷达对站点周围降水的估计偏高（偏低）,高（低）估的程度及影响范围与站点降水量增大（减小）的多少及站点周围雨量计分布密度有关,而与降水类型及降水随时间的演变无关。     

基于漂移克里金融合雷达、雨量计定量估测降水研究

文中介绍了一种新的融合雷达和雨量计数据开展定量估测降水研究的空间信息统计学方法—Kriging with external drift(KED)方法。该方法能很好地融合高精度、低时空分辨率的雨量计数据和低精度、高时空分辨率的雷达数据进行插值。通过变异函数描述降水场的空间结构信息,能够充分利用数据间的空间相关性,来改进估测精度和提高处理速度。利用其优良的数学特性,以期在定量估测降水业务研究上进行新的探索和尝试。选用湖南省有代表意义的3次降水过程资料,通过雷达直接估测降水（RAD）、变分校准（VAR）以及KED 3种方法,分别与雨量计测量值进行对比分析,选用代表站进行交叉验证结果均表明：RAD的均方差、绝对误差、相对误差最大,VAR次之,而KED最小。KED估测的结果与雨量计测量降水最为接近,估测效果最好;3种方法与雨量计实测值计算一定范围的误差频率,KED估测值具有最小的均方差和最小的标准差,且误差分布相对集中在0值附近,斜度和峰度最佳,试验证明该方法不仅能提高降水估测精度,且优于其他方法,VAR均方差次之,RAD均方差效果相对较差。联合雷达、雨量计估测降水的实质是把雷达估测值与雨量计测量的结果相融合,以雨量计来校准雷达估测值,保留了雷达探测到降水的中、小尺度精细特征。校准后的雨量场数值接近雨量计测值,而且能够准确反映雷达测得的降水分布形式。     

漂移克里金方法在雷达和雨量计联合估测降水中的应用

文中介绍了一种新的融合雷达和雨量计数据开展定量估测降水研究的空间信息统计学方法-Kriging with externaldrift(KED)方法.该方法能很好地融合高精度、低时空分辨率的雨量计数据和低精度、高时空分辨率的雷达数据进行插值.通过变异函数描述降水场的空间结构信息,能够充分利用数据间的空间相关性,来改进估测精度和提高处理速度.利用其优良的数学特性,以期在定量估测降水业务研究上进行新的探索和尝试.选用湖南省有代表意义的3次降水过程资料,通过雷达直接估测降水(RAD)、变分校准(VAR)以及KED3种方法,分别与雨量计测量值进行对比分析,选用代表站进行交叉验证结果均表明:RAD的均方差、绝对误差、相对误差最大,VAR次之,而KED最小.KED估测的结果与雨量计测量降水最为接近,估测效果最好;3种方法与雨量计实测值计算一定范围的误差频率,KED估测值具有最小的均方差和最小的标准差,且误差分布相对集中在0值附近,斜度和峰度最佳,试验证明该方法不仅能提高降水估测精度,且优于其他方法,VAR均方差次之,RAD均方差效果相对较差.联合雷达、雨量计估测降水的实质是把雷达估测值与雨量计测量的结果相融合,以雨量计来校准雷达估测值,保留了雷达探测剑降水的中、小尺度精细特征.校准后的雨量场数值接近雨量计测值,而且能够准确反映雷达测得的降水分布形式.     

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。     

雷达-雨量计联合估测区域降水量方法检验与评估

文章在"黄河淮河流域暴雨洪水预报系统"项目试验整理的高密度地面雨量站网数据和雷达连续采集体积扫描数据基础上,首次提出了对稠密雨量站网数据科学分组的方法,并采用分组数据对雷达-雨量计联合校准的10种方法进行了多参数的客观检验和评估。研究表明:(1)雨量站分组方法科学合理,可以满足评估的要求;(2)集成法估测区域降水量好于其他非集成的8种方法;(3)雷达对不同降水强度的估测精度具有三段式分布特征;(4)50~100 km为雷达估测降水的最佳区间,150~200 km区间的估测精度最差;(5)通过时间累积,可以提高各种估测方法区域降水量估测的精度和稳定度。     

顺序卡尔曼滤波校准法雷达定量估测降水检验

利用青岛市气象局多普勒天气雷达基数据和自动雨量计资料,对顺序卡尔曼滤波校准法进行定量估测降水的结果进行了大量样本和一个典型个例检验。5.0mm.h-1以下的弱降水没有参与校准因子的计算,在弱降水、稳定性降水、对流性降水和混合性降水过程中的均方根误差分别为1.15mm、1.13mm、3.0mm和2.18mm,校准方案对克服弱回波情况下雷达资料的不确定性和自动雨量计数据的不确定性带来降水估测误差有良好的效果。青岛的降水过程中,5.0～20.0mm.h-1降水的样本占有最高的比例,在校准因子计算时拥有较高的权重,该雨量档的误差也较小。稳定性天气过程中,降水回波性质差异不大,校准效果最好。滑动平均法是一个简单适用的雷达资料网格化方案。     

不同校准方法检验雷达定量估测降水的效果对比

应用雷达低仰角基本反射率资料和地面加密自动站降水量资料,采用最优化方法,根据天津地区降水特点和不同降水类型,建立适用本地的雷达Z-I关系。经实际应用检验,积混降水类型Z-I关系具实用性。在天津本地化Z-I关系基础上,通过了对比分析6种不同校准方法在天津夏季降水估测中的检验效果。结果表明：Z-I关系校准法和最大集成法对降水的估测偏高,误差较大;最优插值法的估测精度最高,平均绝对误差和均方根误差最小;但计算不同校准方法与实况相关性表明,变分校准法的估测效果与雨量计降水量的相关性最好。同时,所有估测校准法对小雨量级的降水均出现了不同程度的偏高估测。     

变分技术在校准数字化天气雷达定量估测降水中的应用

利用1998年7月20－22日鄂东地区持续性特大暴雨的数字化天气雷达反演资料和雨量计网测量资料，采用变分技术校准雷达定量估测降水，结果表明：经变分法校准后的雷达估测降水不仅保留了雷达探测到的降水形势，并且与雨量计网测定的降水量之间的误差有明显的改进。     

卡尔曼滤波法在西峰雷达估测降水中的应用

应用卡尔曼滤波校准法,利用地面自动雨量计的降水量值,对庆阳市2007年7月和9月2次降水过程中的2个雨量较明显时段的雷达估测值进行了校准分析,并与雨量计测量的雨量值进行了误差比较分析。结果显示：混合降水过程的校准效果要优于均匀降水过程。校准后,混合降水过程的相对误差从166.4%下降到了7.6%,均匀降水过程的相对误差从284.3%下降到了56.9%。由此可以看出卡尔曼滤波校准法能有效消除雷达估测降水过程中的各种随机噪声,并能提高雷达定量估算区域降水量的精度,同时还较好地保留了雷达探测降水的精细结构。     

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。     

基于偏度方法的地物杂波识别及去除

基于2013年常州站多普勒天气雷达基数据,利用偏度方法逐网格识别和去除地物杂波。结果表明:地物杂波具有高的反射率分布,为负偏度;非地物杂波则呈现较低的反射率分布,为正偏度。采用偏度方法设计的雷达地物杂波去除方法可有效去除地物杂波,滤波后的新雷达基数据可在业务上应用于雷达定量估测降水和预报,进一步提高雷达降水估测和预报能力。     

利用雷达资料对自动雨量计实时质量控制的方法研究

自动雨量计资料是对降水的直接测量,在流域面雨量计算、气候研究、气象服务等方面具有重要意义。但是,由于风力、蒸发、灌溉、校准、漏斗堵塞、机械故障、信号传输等原因往往造成其存在不同类型的系统误差和随机误差, 自动雨量计数据在定量使用前需要进行质量控制。目前,天气雷达以其高时空分辨率的优势已经成为监测降水的重要手段,本文首先采用两步校准法改善雷达估测降水,然后对雷达—雨量计对之间的差异进行统计学的分析,确定自动雨量计质量控制的一些标准,从而对雨量计进行质量控制。最后用两个降水过程对自动雨量计质量控制的结果进行了检验,结果表明:两步校准法改善了雷达估测降水的系统性偏差,并减小了雨量计站点上的相对误差;可以利用雷达估测降水实现对自动雨量计的实时质量控制,就整个数据集而言,约0.1%的数据被怀疑为误判,误判的自动雨量计主要位于雨带的边缘。但该质量控制算法同时也存在一定的局限性:在雨带的边缘或没有天气雷达覆盖的区域,以及雷达资料存在数据质量问题的情况下,往往会造成对雨量计的误判。     

郴州天气雷达估测降水量误差分析

新一代天气雷达系统使用Z-I关系式反演降水,在估测降雨时不同地域具有不同误差;在观测降水时受到水平阵风或短时大风、回波强度、地形、大气折射等因素影响,可能降低雷达定量估测降水的精度。本文利用湖南郴州雷达基数据不同低仰角反射率因子分别估算出降水量,对比分析了不同仰角雷达反演估测降水量与自动雨量站雨量数据之间的误差。通过对雷达估测降水的误差来源分析、估测降水误差并应用数学统计分析误差,初步得出:2.4°仰角估测降水与雨量站的观测数据线性相关系数最高,雷达估测的降水较为真实。而0.5°、1.5°仰角受地型影响估测降水可行性不高。     

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。     

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。     

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。