基于雷达组网拼图的定量降水反演I—动态Z-I关系法

综合利用辽宁省及周边区域9部多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动气象站降水观测资料,通过最优化法,建立适合辽宁本地区的动态Z-I关系,实时得到高时空分辨率雷达定量降水反演资料。结果表明:对2011年台风"米雷"和2012年台风"达维"降水反演表明,动态Z-I关系法可以反演地面降水的主要空间分布特征,但反演的强降水中心存在较大偏差;动态Z-I关系法定量降水反演能力整体优于固定Z-I关系法,但存在高估小雨强度和抑制大雨强度的系统性偏差,特别是对于20.0 mm·h~(-1)以上量级的强降水,平均误差达-10.0 mm以上,平均相对误差超过70.0%;各量级降水样本所占比例的差异与地理区域气候条件的差异,是动态Z-I关系法反演降水产生误差的两个主要原因。     

基于动态Z-I关系雷达回波定量估测降水方法研究

选取石家庄市新一代天气雷达2009-2012年29个降水过程雷达二次产品数据（低层5个仰角及组合反射率因子）和加密自动站逐分钟降水资料,依据与雷达回波强度最相近及与自动站位置距离最近的原则,建立随时空变化的动态Z-I关系,来定量估测无自动站观测格点的降水量,从而实时获取高分辨率雷达估测降水资料;对雷达定量估测降水与自动站观测降水的空间分布进行了对比,利用交叉检验方法分析了雷达定量估测降水的误差,结果表明:该方法反演降水的平均误差较小,为—0.6mm·h^-1,能较好地表现出降水的时空分布特征,显示出不同等级降水的面积和演变,具有反演40 mm·h^-1以上的强降水中心的能力,表明该方法具有业务应用价值,对强降雨灾害的评估具有指导作用。     

优化ZI关系及其在淮河流域面雨量测量中的应用

利用合肥新一代天气雷达2003年6—7月观测数据和地面观测的逐时雨量资料，得到分段最优化Z-I关系，在淠河灌区的水源地响洪甸流域和佛子岭流域进行降水测量。结果表明：强降水阶段流域面雨量，优化Z-I关系后得到的流域累积面雨量与雨量计比值从39％提高到73％，同时相关系数从0．78提高到0．8。528小时时间序列上佛子岭流域在优化Z-I关系之后，流域平均面雨量与雨量计的回归线斜率从0．4提高到0．72，lmm·h^-1以上流域平均面雨量累积值与雨量计累积值的比值从48．4％提高到了85．9％。可见，优化Z-I关系后雷达反演值更接近于雨量观测值，同时雷达定量估测流域面雨量的精度得到很大提高。     

雨滴谱数据在S波段双偏振天气雷达数据质量评估中的应用

结合T-Matrix方法和雨滴谱仪数据反演双偏振参量,设计了一种雨滴谱反演评估方法(雨滴谱法),利用其反演结果可对双偏振天气雷达数据进行评估。将此方法应用于不同类型降水过程的雷达偏振参量数据质量评估,结果表明:满足微雨条件时,雨滴谱法与传统的微雨滴法均能有效监测由雷达系统误差导致的观测偏差,且评估结果十分接近;不满足微雨条件时,雨滴谱法评估的不同类型降水过程的雷达数据质量与满足微雨条件下的评估结果十分接近,客观证明了系统调整后雷达运行良好、数据质量稳定;不同雨强(R)情况下,雨滴谱法的评估结果具有一致性。10 mm·h^-1≤R<20 mm·h^-1时,雷达观测的数据质量最为稳定。该雨滴谱法适用范围广,可动态评估双偏振雷达偏振参量质量,有助于雷达调整和数据校正。     

Z-I关系最优化在海口雷达估测热带气旋降水中的应用

利用海口新一代天气雷达2008—2013年观测数据和地面观测的逐时雨量资料,得到分区域最优化Z-I关系,在海南岛全省范围内进行降水估测。结果表明:优化Z-I关系后得到的雷达与雨量计平均比值基本接近1,同时平均绝对误差和均方根误差也明显偏小,说明雷达测量值接近于雨量计,明显优于雷达默认的Z-I关系值,可见,优化Z—I关系后雷达反演值更接近于雨量观测值,同时雷达定量估测各区域雨量的精度得到很大提高。     

短时强降水监测和预警技术及其在山区的应用

为提高短时强降水的监测和预警技术在山区等复杂地形中的应用,本文选取相关的探空资料分析天气背景,划分降水类型,与自动站订正技术相结合,采用Z-I分型最优化技术估测降水,利用交叉相关法对雷达反射率因子进行外推,并预测30min后的累积降水量。根据近3年的观测资料,制定出适合岳阳地区雷达反射率因子以及雷达估测降水对应的降水量级。通过与自动站雨量对比,Z-I分型最优化技术估测降水的相对误差较小;与Z-I经验公式估测降水对比分析,雷达估测降水的准确率有一定提高。经过岳阳示范区一年的实际应用表明:该方法对短时强降水的估测和预警均取得良好的效果,对强降水引起的山体滑坡等灾害具有一定的防范作用。     

陇东南地区短时强降水的雷达回波特征及其降水反演

利用雷达基数据对比分析了天水、庆阳和兰州3部多普勒雷达等距离水平剖面上同步观测的回波强度差异,并研究了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和反演降水。结果表明,当回波强度10 dBz时,这3部雷达并不存在显著差异;从区域站和自动站的降水量对比分析可知,造成短时强降水的天气学尺度较小,对雷达回波的统计也映证了这一结论。有75%的强降水尺度20 km,表明原有的气象站并不能较好的反应局地降水;运用分组估测法、整体和分型Z-I关系法定量估测降水,结果发现分型Z-I关系法可以较好的反映陇东南地区的降水特点,较好的解决了低量值高估和高量值低估的问题,其中雨强在15~20 mm·h-1时反演效果最好。     

动态Z-R关系定量估算降水在暴雨个例中的效果评估

选取汉中市2018-07-01和2019-08-09两次暴雨过程中新一代天气雷达数据产品的组合反射率因子和自动雨量计逐小时降水资料,建立随时空变化的动态Z-R关系,获得雷达估算降水场,分析其空间分布特征,并对不同等级降水的估算能力进行了分析。结果表明：（1）动态Z-R关系定量降水估算在两次暴雨中表现良好,能很好地反映地面降水的分布特征,对于30 mm/h以下量级降水,实测降水量和估算降水量的面积和落区均表现一致,其中20～30 mm/h短时强降水估算面积最准确,但对于30 mm/h以上量级降水,估算面积减小,值偏弱,无法反映出降水最大值落区。（2）随着降水量级增大,估算的绝对误差也同步增大。具体表现为小雨量级有明显的高估,中雨及中雨以上量级则有不同程度的低估。从相对误差来看,大雨和暴雨量级的降水估算精度高,估算值能反映真实值。     

雷达定量降水动态分级Z-I关系估算方法

利用高时空分辨率的雷达定量降水估测和预报(RQPE和RQPF)对洪水监测、发布洪水警报起重要指导作用，目前国内外对其研究的方法主要采用概率配对法、Z-I关系法和基于Z-I关系的数学算法校正法，这些方法均存在强调某一因素忽略其它因素的问题，并且对短时强降水，尤其是极强降水低估严重。从统计和个例两方面对比分析了四种雷达定量降水方法的误差，致力于寻找一种将雷达回波反射率预报场反演为降水场时误差较小的技术方法，能改进对短时强降水、特别是极强降水严重低估问题的方法，并且该方法也能在业务应用中方便、快速、精确实现。对比研究结果表明：动态分级Z-I关系法是一种对雷达QPE和回波反射率预报场反演降水场都较好的方法，并且改进了对短时强降水、尤其是大于55 mm/h的短时极强降水低估的问题；在业务计算中仅需15秒，能满足6分钟更新一次计算结果的需要，而且不依赖气候统计，便于移植。     

动态Z-R关系定量估算降水方法在暴雨个例中的效果评估

选取汉中市2018-07-01和2019-08-09两次暴雨过程中新一代天气雷达数据产品的组合反射率因子和自动雨量计逐小时降水资料,建立随时空变化的动态Z-R关系,获得雷达估算降水场,分析其空间分布特征,并对不同等级降水的估算能力进行了分析。结果表明:(1)动态Z-R关系定量降水估算在两次暴雨中表现良好,能很好地反映地面降水的分布特征,对于30 mm/h以下量级降水,实测降水量和估算降水量的面积和落区均表现一致,其中20～30 mm/h短时强降水估算面积最准确,但对于30 mm/h以上量级降水,估算面积减小,值偏弱,无法反映出降水最大值落区。(2)随着降水量级增大,估算的绝对误差也同步增大。具体表现为小雨量级有明显的高估,中雨及中雨以上量级则有不同程度的低估。从相对误差来看,大雨和暴雨量级的降水估算精度高,估算值能反映真实值。     

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。     

西安雨量雷达估测降水准确性分析

利用X波段全固态多普勒雨量雷达资料和相应的6个地面气象观测站的观测资料,对西安2021年9月和10月两次持续降水过程的降水数据进行对比分析,评估雨量雷达反演降水的准确性。结果表明：从两次降水过程整体变化趋势分析,雨量雷达估测的降水量能较好地表现出实际降水量的变化趋势;雨量雷达反演的降水量小时数据与地面观测小时降水数据的相关性为0852;当小时降水量达到20 mm以上时,雨量雷达数据准确性较高。     

C波段雷达资料在强降水过程中的应用

利用甘肃省天水市C波段多普勒雷达资料,选取2013年7月8日和8月1日2次强降水过程,在考虑雷达系统标定偏差的基础上用雷达定量估计降水,对比2次降水过程的雷达反演风场、回波与降水之间的关系,并利用雨水含量守恒方程对回波进行外推,利用反演结果检验发生冰雹和大风等强对流天气过程的预警条件。结果表明:不同降水类型采用不同Z-I关系估计的降水效果明显优于雷达默认的Z-I关系,并且由于C波段雷达回波信号的衰减,在使用前需对观测回波进行衰减订正;2013年7月8日的降水过程为低质心回波降水过程,2013年8月1日的降水过程为高质心回波降水过程,2次降水过程的回波强度与降水范围有很好的对应;对于低质心回波降水过程,外推回波与观测回波位置较为吻合,但强度偏强。对于高质心回波降水过程,外推回波较观测回波位置偏后,且强度偏强;考虑雷达系统标定偏差后,冰雹和短时强降水对应的一些特征量关系符合相关预警条件。     

江西省暖季重大短时强降水敏感性参数分析及概念模型

利用江西省2010-2016年5-9月1 597个观测站逐小时降水资料,ERA Interim, Daily逐日4次0.125°×0.125°再分析资料以及南昌和赣州探空资料,筛选出84例重大短时强降水过程,并建立了5种重大短时强降水概念模型:冷锋型、西南急流型、副高边缘型、暖切型和台风型,各型分别占比29%、40%、11%、12%和8%。每例过程平均维持时间分别是4.9 h、5.6 h、4.4 h、5.5 h、6.7 h;平均降水强度为31 mm·h^-1、27 mm·h^-1、45mm·h^-1、30mm·h^-1、36mm·h^-1。冷锋型、西南急流型和暖切型基本出现在5—6月,副高边缘型主要出现在7月,台风型在7—9月且多集中在8月。对于短时强降水的高频区,冷锋型、西南急流型和暖切型主要集中在鄱阳湖平原处,副高边缘型主要分布在武夷山西侧,台风型主要集中在江西东北部。5种类型对应的关键环境参数特征为:冷锋型、副高边缘型及台风型的CAPE平均在1 200 J·kg^-1,西南急流型和暖切型集中在500~1 200 J·kg^-1;CIN基本都在20~60 J·kg^-1;台风型的K指数偏高,超过38℃,其他四类达到32℃即可;S指数平均值都低于-1.1℃。T₇₀₀-T₅₀₀基本有75%的过程在13℃之上,T₈₅₀-T₅₀₀有75%过程达到23℃;冷锋型与西南急流型的850 hPa假相当位温超过340 K即可,其他三型需达到345 K;暖云层厚度基本在4 000 m以上。地面露点西南急流型和暖切型最低为21℃,其次是冷锋型,阈值为22℃,台风型阈值为24℃;大多数PW都在50 mm以上,平均为60 mm左右。     

宁夏平原不同雨型的Z-Ⅰ关系研究

利用天气雷达定量测量降水,最常用的是雷达反射因子法。通过计算宁夏平原7个站1983年6—9月的4618份地面雨滴谱资料,给出了该地区不同雨型间的Z-I关系,并对在该地区使用这些关系定量测量降水的结果进行了检验,平均相对误差在30％左右。     

青岛地区短时强降水雷达回波特征与中小尺度系统分析

利用青岛地区2011—2015年间32次短时强降水个例的雷达反射率因子、地面雨量站数据和FNL再分析资料对产生短时强降水的中小尺度系统和雷达回波特征进行分析,结果表明:造成短时强降水的中小尺度系统主要为与低空切变(槽)、台风倒槽或在偏南(北)气流中局地发展的对流相联系的辐合区或中小尺度辐合线;雷达回波多表现为中尺度强回波带,其移向与回波带长轴的夹角较小,或为局地发展少动的强对流单体;雷达回波剖面显示回波按质心高度可分为大陆强对流型和热带海洋型,大陆强对流型强降水的平均反射率因子垂直廓线强度总体明显强于热带海洋型,对流发展更加旺盛,热带海洋型强回波集中在低层,在近地面最强,而大陆强对流型回波悬垂明显,最强回波位于2km左右;针对大陆强对流型和热带海洋型两种不同类型的短时强降水,采用分型Z-I关系法进行定量降水估测能够较好地反映强降水的落区和极值,相比于固定Z-I关系法,20mm·h~(-1)以上雨强的相对误差由70%左右下降到30%左右。     

1998-2020年三峡库区小时极端降水时空变化特征分析

利用1998-2020年三峡库区35个测站的小时降水资料,围绕近23年三峡库区小时强降水(≥20 mm·h^-1)和小时极端强降水(≥50 mm·h^-1)的总降水量、频次、强度等指标,分析极端降水发生的时空变化特征,并对比分析2010年前后三峡小时极端降水变化特征。结果表明：1998年三峡库区小时强降水与极端强降水发生次数与强度均异常偏多。若剔除该年,1999-2020年小时强降水与极端强降水发生总频次均无显著变化趋势。近23年,小时强降水平均每年每站发生3.8次,大部分站点年均发生3.0～5.0次;小时极端强降水年均发生5.5次,大部分站点年均发生<0.25次,中部山区的建始-宣恩一带年均发生次数较多。2010年后年平均小时强降水量减小了10.4 mm,减小的区域主要发生在三峡库区西部的重庆地区,该区域年平均减小15.5 mm;总体有31.4%的站点年平均小时强降水量与发生次数均有所增加,湖北中部的建始-来凤一带增幅较为明显,邻近5站的年强降水雨量平均增加16.1 mm;强降水小时雨强显示增加特征站点占48.6%,强降水小时雨强增加的范...     

风廓线雷达和雨滴谱仪资料在北京一次弱雨雪天气中的特征分析

利用北京市海淀区风廓线雷达、OTT Parsivel 2多功能激光雨滴谱仪和自动气象站观测资料,对2016年11月20日北京一次雨雪天气过程的演变特征进行了初步分析。结果表明:(1)风廓线(低模式)雷达反射率因子与雨滴谱仪反射率因子序列的变化趋势一致。当风廓线雷达反射率因子亮带消失后,雨滴谱反射率因子序列出现先降后升的小幅波动,降水相态转为降雪。(2)降水相态发生雨雪转换时,风廓线雷达谱宽600 m高度分散的大值区减弱并随高度降低后,雨滴谱仪数浓度出现先降后升的小幅度波动。(3)本次弱降水相态转换发生时,风廓线雷达所探测的垂直径向速度变化不明显,而雨滴谱仪降雨强度变化却有明显减弱特征,其雨强由5 mm·h^-1下降至1 mm·h^-1左右,这对临近降水相态变化的监测预报有一定指示意义。     

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。     

2000～2019年东北冷涡统计特征及其影响期间的降水分布

东北冷涡是影响我国东北地区天气和气候的重要环流系统。本文在前人研究工作基础上,构建了本文的东北冷涡识别与追踪方法。利用2000～2019年NCEP/NCAR再分析资料,对东北冷涡开展客观识别与追踪,进而分析东北冷涡的时空分布特征、持续时间、强度和尺度等,最后利用国家地面气象站小时降水观测数据,探讨了东北冷涡影响期间东北区域的暖季降水分布特征。东北区域内,东北冷涡频数和影响天数无明显长期变化趋势,但存在明显的年际变化和月际变化,东北冷涡更易发生在暖季;东北冷涡的持续时间主要集中在48～72小时,半径尺度范围主要分布在600～1200 km,冷季平均尺度大于暖季,冷季冷涡中心强度也强于暖季;东北冷涡中心活动高频区沿45°～55°N呈东—西走向带状分布;东北冷涡影响期间的暖季降水量占比基本在20%以上,不同强度降水档(0.1～5 mm h^-1,5～10 mm h^-1,10～20 mm h^-1和≥20 mm h^-1)中,占比空间分布不同,强降水局地性特征显著;东北冷涡影响期间的暴雨日降水量占比最大可超过70...