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...     

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。     

双偏振雷达基本产品和回波分析

双线偏振技术扩展了常规多普勒雷达功能,可以直接探测到与降水粒子微物理特征有关的物理量,本文介绍了差分反射率因子Z_DR、传播常数差K_DP、相关系数ρ_hv(0)等双偏振雷达的主要基本产品生成原理,并利用空军最新721型双偏振天气雷达2008年7~8月探测资料进行了降水粒子相态识别和估测降水量分析,试图为双偏振雷达在飞行气象保障业务运行提供参考依据和帮助。      

双线偏振雷达产品生成软件系统研究

该项目的目的是以我国新一代天气雷达为工作平台,开发一套利用双线偏振雷达探测物理量,高精度反演降水强度、降水总量、液态含水量和识别冰雹区、过冷水区、降雨区、降雪区、降雹降雨混合区等的软件系统。 双线偏振雷达是继多普勒雷达技术后,将在我国逐步推广的雷达探测技术。在我国新一代多普勒天气雷达系统上增加双线偏振功能后,可以直接探测到与降水粒子的微物理特征有关的差分反射率因子、退偏振因子、差相移、零延迟交叉信号的相关系数等物理量。双线偏振雷达可以改善雷达估测降水的能力,有效识别降水粒子的相态和大小,在人工影响天气、灾害性天气的监测和预警、水库和城市水源的管理、航空等领域有很大应用潜力。     

GPM卫星和地面雷达对江苏盐城龙卷风强降水估测的对比

为综合评估卫星和天气雷达在2016年6月23日盐城龙卷风期间的强降水过程的降水估测精度,以国家级雨量站观测数据为基准,结合相关系数(CC)、相对误差(RB)、均方根误差(RMSE)以及分级评分指标,利用S波段的天气雷达定量降雨估测产品(RQPE)和全球降水观测计划多卫星融合产品(IMERG_FRCal,IMERG_FRUncal,IMERG_ERCal)进行比较。结果表明,雷达和卫星的累积降水量与雨量站的空间相关性很强(相关系数大于0.9),基本上能捕捉到整个降水过程的空间分布。降水主要分布在江苏省北部,但卫星高估了江苏省东北部强降水中心的降水量;对于小时时序区域平均降水,卫星高估了降水,而雷达低估了累积降水量。综合降水中心区域分析,IMERG的强降水区域降水量与雨量站的时间序列的偏差显著;RQPE在降水峰值达到之前及峰值之后与地面雨量站的变化趋势基本一致,但对降雨量峰值有明显的偏低。RQPE能较为准确地在时间上捕捉到降雨强度的变化趋势,但对于大雨及暴雨的估测能力不佳;RQPE的POD、SCI值都远远高于IMERG, FAR也较小。IMERG几乎未能监测到强降水的发生。总体上,RQPE对此次龙卷风强降水量的估测表现优于3种IMERG产品,特别是在捕捉强降水区域的空间分布方面,但对于强降水的估测能力仍需进一步改善。     

RBF神经网络在雷达定量估测降水中的应用研究

利用重庆气象局CINRAD/SA气象雷达降水回波资料和相应地区的地面雨量站资料,基于径向基函数神经网络,建立雷达定量估测降水模型,将其用于地面降水估测。作为比较,同时以变分法得到的Z-R关系式估测所得降水。经二者对比试验结果表明:建立的雷达定量估测降水模型的估测精度和稳定性要明显优于Z-R关系式,能较好地反映降雨的真实情况。     

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究北大核心CSCD

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。     

双线偏振多普勒天气雷达估测混合区降雨和降雹方法的理论研究

利用冰雹形状和空间取向的模型及降雹和降雨的滴谱分布,分析了C波段双线偏振雷达探测的降雨和冰雹的反射率因子ZH、差反射率因子ZDR和差传播相移KDp的取值范围,及混合区降水中不同大小的降雨降雹强度对这些参量的贡献.结果表明:对于C波段双线偏振雷达来讲,当降雹达到一定强度后,反射率因子反而随降雹强度的增大而减小,反射率因子和降雹强度不一定是一一对应关系,降雹的KDp与相态、空间取向和雹块的尺度均有关系.在混合性降水中,ZH的主要贡献来自冰雹,而KDp主要取决于降雨的大小,降雨和降雹对ZDR均有明显的影响,降雨的ZH和KDP有比较好的对应关系.在此基础上给出了利用ZH、ZDR和KDp定量估测相态混合区冰雹和降雨对应的反射率因子、降雨强度的方法,并从滴谱变化、雷达探测精度和冰雹对KDp的影响分析了这种方法的估测精度.     

深圳S波段与X波段双偏振雷达在定量降水估计中的应用

双偏振多普勒天气雷达的一个重要应用是进行定量降水估计（QPE）,它可以获得反射率（Z_H）、差分反射率（Z_DR）和差传播相移率（K_dp）这些与降水粒子有关的信息,常用的双偏振雷达降水估计方法有基于Z_H的R（Z_H）、基于Z_H和Z_DR的R（Z_H,Z_DR）、基于K_dp的R（K_dp）和基于K_dp与Z_DR的R（K_dp,Z_DR）这4种。文中利用深圳市S波段和X波段双偏振多普勒雷达探测资料,结合高精度地形数据和雨滴谱仪观测数据,设计了基于双偏振量的定量降水估计方法:首先利用地形数据和雷达地理信息,分析了雷达的遮挡状况,形成了这两部雷达的复合平面扫描仰角信息;随后利用雨滴谱仪观测资料,使用T矩阵方法统计得到了深圳地区的上述4种降水反演方法的参数;最后设计了混合降水反演方法,基于双偏振信号（即K_dp和Z_DR）的强弱,使用不同的降水反演方法进行定量降水估计。基于12个降水个例,利用各反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料比较。结果表明,混合降水反演方法在降水反演的准确度和稳定性上均优于任何一种单一定量降水估计反演方法。基于文中介绍的定量降水估计方法,使用深圳S波段和X波段雷达产生了定量降水估计产品,并与深圳目前业务定量降水估计产品进行对比评估。结果表明,使用本方法产生的定量降水估计产品在准确度和稳定性上要优于目前的业务产品。此外,X波段雷达的定量降水估计产品性能要略高于S波段雷达的定量降水估计产品,这说明高时、空分辨率的X波段雷达可以提高定量降水估计精度。但由于雷达扫描平面内双偏振雷达对融化层和冰区的偏振量观测与降水的关系尚未明确,因此,本方法仅适用于雷达扫描平面内液态降水区。      

S波段WSR-88D双偏振雷达观测非降水回波识别方法研究

与新一代天气雷达相比,双偏振雷达能发射水平和垂直极化偏振波,具有更多的测量信息,利于区分降水和非降水回波,在雷达定量估测降水中发挥着重要作用。本文根据双偏振雷达的测量变量(水平反射率、差分反射率和相关系数)及降水与非降水回波的结构特征,发展了一套S波段双偏振雷达数据质量控制算法,重点研究晴空回波和生物回波的识别。利用上海南汇WSR-88D偏振雷达的观测数据做测试和评估,评估结果表明该算法对南汇偏振雷达非降水回波识别准确率达93%以上,且对降水回波的误判率仅为3.82%。     

X波段双偏振雷达对造成北京门头沟泥石流的强降水观测分析

利用房山X波段双偏振雷达观测资料,分析2017年6月18日北京门头沟泥石流的强降水过程,重点研究了泥石流发生地上空10 km×10 km区域内雷达反射率因子时空变化特征,并结合雷达定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)讨论该类雷达探测设备在复杂地形区域的适用性。结果表明,在山区常规自动气象站布网稀疏的条件下,X波段双偏振雷达能够有效捕捉此次强降水的发生发展过程,同时,雷达定量降水估测得到的高分辨率降水场可以把握山区强降水中心,进而弥补山区雨量站匮乏的不足。此次过程中影响泥石流事件发生的降水时间发生在6月18日12—16时,其中,15时事发区域小时QPE最大值达到53.9 mm·h^-1,上游来水和局地突发性强降水共同作用是本次泥石流事件的主要成因。     

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。     

CINRAD-SA偏振雷达定量降水估测算法改进及应用评估

为了提高雷达定量降水估测的精度,建立一套高精度的双偏振雷达定量降水估测方法,并对其在业务应用中的表现进行评估。本文利用雨滴谱仪数据使用非球形粒子的散射模型（T-Matrix模型）进行不同偏振量的模拟计算,根据计算结果对实测雨滴谱数据（DSD）进行分类拟合,实现对CSU-HIDRO（Colorado State University-Hydrometeor Identification Rainfall Optimization）优化降水估测算法的改进。为了评估改进后CSU-HIDRO优化算法（简称CSU-HIDRO_I）的应用效果,本文选取2016～2017年两年汛期发生于中国华南地区的6次大范围强降水过程为评估对象,分别采用单偏振雷达定量降水估测的R(Z_H)关系法（WSR-88D Precipitation Processing System,简称PPS法）和CSU-HIDRO_I法进行小时降水量估测。按照不同降水率大小以及距离雷达20～60 km和60~100 km范围分别对两种降水估测方法进行评估,并将雷达估测的小时降水量同地面雨量计小时降水量资料进行对比,结果表明:（1）CSU-HIDRO_I法在应用评估过程中取得了较好的评估效果,其估测精度及稳定性均较好。（2）PPS法对小雨（降水率R<2.5 mm/h）存在一定的高估,对大雨及暴雨（R>8 mm/h）存在明显低估,而CSU-HIDRO_I法能够有效的降低强降水的低估情况,同时提高了小雨的估测精度。与PPS法相比,CSU-HIDRO_I法对小雨、中雨、大雨及暴雨的估测偏差分别降低了38%、24%、17%、15%。（3）PPS法在降水估测中对离雷达的距离更为敏感,相同降水率下不同距离处的相对误差波动较大,CSU-HIDRO_I法对距离敏感性较弱,相同降水率强度下,相对误差随距离的变化波动较小。     

双线偏振雷达的降水估测：II.误差分类分析

详细地定量地分析了降水估测中的Ｚ－Ｒ关系和各类误差。由此可知,指数函数形式与幂函数形式的Ｚ－Ｒ关系之间无明显差别,ＺＨ的参数因子ＡＨ不能太大,双线偏振雷达的测量误差导致的降雨强度估测误差在各类误差中最小,Ｚ－Ｒ关系的不可拟合误差之标准差约为０．２１５,因而不容忽视。降雨强度的估测误差可人为呈一偏差逼近０而标准差约为０．２６５的近正态分布,这对提高区域降水的估测精度尤为重要。     

X波段双偏振雷达探测数据分析与校验

保证移动X波段双偏振多普勒天气雷达在野外探测中雷达探测数据源的正确性,是预报员开展后续应用研究的重要前提。简要分析了差分反射率、相关系数、差分传播相移与差分相移系数的理论意义,同时结合多次观测经验,重点研究并验证了各双偏振产品在纯降水中的数值,研究双偏振参数对雷达硬件故障的指示意义,确保在探测时及时发现硬件故障与差损,提高探测数据质量。讨论了双偏振参数自测试校验,进行水平通道与垂直通道参数偏差校验,确保在探测之前获得双偏振通道的一致性。     

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。      

利用深度学习开展偏振雷达定量降水估测研究

利用2018—2020年经偏振升级改造后的广州S波段双偏振雷达（CINRAD/SAD）82892个体扫的0.5°仰角数据,以及雷达100 km探测范围内1109个雨量站共计538560个分钟雨量数据,分别构建了单参量、三参量雷达定量降水估测（QPE）深度学习网络架构（Z-Rnet、K_DP-Rnet、Pol-Rnet）,并以K_DP=0.5°/km为阈值分别训练得到大雨、小雨、总体等9个定量降水估测模型。在常用的均方误差作为损失函数的基础上,对不同降水强度采用不同权重提出了自定义损失函数,并利用比率偏差、相对偏差、均方差、平均绝对误差和平均相对误差作为评价指标对模型进行评估。通过对以积层混合云为主、以对流云为主和以层状云为主的3次降水过程的模型验证结果表明,利用深度学习训练的模型有较好的定量降水估测效果,区分雨强的小雨、大雨模型比不区分雨强的总体模型的效果要好。采用自定义损失函数模型效果更好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用传统均方误差损失函数提升了8.62%、12.52%、16.34%。自定义损失函数中,采用Z_H-Z_DR-K_DP三参量网络架构训练得到的定量降水估测模型效果最好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用Z_H的单参量Z-Rnet架构提升6.82%、8.43%、7.22%;较采用K_DP的单参量K_DP-Rnet架构提升12.33%、17.61%、17.26%。      

北京强对流天气中X波段双偏振雷达特征及应用

针对2018年夏季北京15次强对流天气过程,利用房山单站X波段双偏振雷达与北京观象台S波段天气雷达探测产品进行对比分析,探讨新探测手段的应用价值。结果表明：相对于常规天气雷达来说,双偏振雷达在粒子识别方面具有明显优势,成为冰雹等天气监测、预报预警的强有力手段。在冰雹识别上,X波段双偏振雷达的差分反射率因子（ ZDR）和相关系数（ρhv ）是两个重要的偏振量,ZDR 较小,接近0,有时为负值; ρhv小于0.9。在强降水识别方面, ZDR大值和差分传播相移率（KDP ）能够较好地指示雨强较大的降水。低仰角的 ZDR达5dB以上,KDP 在8°/km以上, ρhv达0.95以上时,地面5分钟雨量可达到或超过10mm。两种雷达的对比分析来看,反射率因子强度（R）、垂直累积液态水含量（VIL）均较SA天气雷达强度偏强。此外,由于X波段雷达波长较短,单部雷达的探测波束经过强降水区会发生比较严重的电磁衰减,致使强降水后部的降水回波强度偏弱,严重影响预报员对降水强度和降雨持续时间的判断,需要与SA天气雷达配合使用或者利用多部X波段雷达组网进行强降雨的监测分析。     

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。     

广州双偏振天气雷达在定量降水估测中的初步分析

利用广州双偏振天气雷达观测到的一次短时强降水过程资料和自动站资料,对比分析R(Z_H)、R(Z_H,Z_(DR))、R(K_(DP))降水估测算法的差异,结果表明:不同的降水估测方法有较大的差异,当降水强度20 mm/h时,采用R(Z_H)进行降水估测优于利用R(Z_H,Z_(DR))、R(K_(DP))方法;当降水强度20mm/h时,采用R(K_(DP))方法进行降水估测效果更好。造成这种现象的主要原因是在弱降水时,Z_(DR)、K_(DP)的测量误差较大,因此实际业务中需要对偏振参量进行进一步的质量控制,以优化基于双偏振雷达的定量降水估测效果。