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。     

雨滴谱仪网数据在雷达定量降水估测中的应用

为了探讨利用雨滴谱数据验证雷达观测的回波强度的偏差和实时拟合反射率因子(Z)与降水强度(R)的关系(即Z-R关系)进行定量降水估测的可能性,以发生在江苏南部的三次大范围降水过程为例,首先分析雨滴谱数据、雷达数据和雨量计数据的一致性,然后利用雨滴谱仪网法和传统方法分别进行降水估测,并对比两种方法的降水估测效果。结果表明:雷达和雨滴谱仪观测的回波强度具有较好的一致性;采用雨量计数据和雨滴谱计算的平均降水强度存在一定差异,但其变化趋势基本一致。相对于层状云降水,两种方法对对流云降水估测的误差更大,对层状云降水的估测,雨滴谱仪网法略优于传统方法,但对对流云降水的估测,雨滴谱仪网法更具优势。总体上,雨滴谱仪网法估测的降水,其偏差和相对误差更小,估测值总量与雨量计观测雨量更接近,估测降水的效果更好。     

一次飑线过程的动力和微物理结构及滴谱变化对降水估测的影响研究

雨滴谱的变化和回波强度的垂直变化是影响雷达估测降水的重要原因。文章利用美国KOUN双线偏振雷达观测的一次飑线过程资料,用模糊逻辑的方法、β方法和约束条件下的Λ方法,分析了飑线过程降水粒子相态和雨区雨滴谱分布及其相态混合区冰雹融化过程,结合四维变分方法风场反演方法,研究了雨滴谱变化与飑线过程风场中尺度结构的关系,及其对双线偏振雷达不同估测降水方法的影响。结果表明:处在气旋中的飑线存在中低层辐合线,低层辐合带及强烈上升形成强回波,飑线后部的层状云中存在下沉气流,而飑线的前部存在下沉气流形成的边界层辐合线。飑线中对流单体组成的强回波带和后侧的层状云降水的雨滴谱分布有明显的变化,大雨滴区往往在飑线前部,在东南气流中新生的对流单体也常常有大雨滴区存在。ZH、ZDR随高度变化比较明显,而KDP基本不随高度变化,高度的选取对传统的Z-R关系方法、(ZH,ZDR)方法估测降水量影响很大,但KDP方法几乎不受高度变化的影响。本次过程雨滴谱变化非常明显,这对Z-R关系估测降水将产生重要影响,(ZH、ZDR)方法和KDP方法估测的降水比较接近,而Z-R关系方法在对流中心降水估测值偏大。小于30 dBz回波的KDP脉动很大,出现的不正常值对降水估测有一定影响,采用综合降水估测方法是必要的。     

基于地理地形因子动态调整的复杂地形区雷达定量估测降水技术

雷达定量降水估测可以提供时间连续、水平分辨率高和覆盖范围广阔的降水产品,目前已成为气象监测的重要手段之一。尽管当前针对不同地区雷达估测降水的方法有了长足的发展,但是复杂地形区的雷达降水估测效果仍需改进。本文针对青藏高原东北边坡复杂地形区雷达降水估测,在固定经验Z-I关系、云分类经验Z-I关系、回波分级统计Z-I关系3种已有算法的基础上,建立了基于准稳定移动窗口的地理地形因子实时动态调整降水估测订正算法,并利用2017-2018年汛期临夏地区降水天气个例开展估测效果评估。结果表明：未经订正算法估测降水值往往较实况观测值偏小,而经过订正后的估测降水平均值与观测实况较为一致;不同算法对于小量级降水估测的累计概率分布（CDF）与观测实况偏差较大,而随着降水量级逐渐增加,估测降水的CDF与实况观测逐渐接近,基于回波分级统计Z-I关系的订正算法估测性能更为稳定;不同算法估测降水量的误差差异较大,未订正算法对所有降水以低估为主,基于回波分级统计Z-I关系订正算法和基于固定经验Z-I关系订正算法的整体估测偏差较小;未经订正算法对对流性降水天气主要降水落区估测较好,但对降水强度估测较差,而订正后估测效果...     

雨滴谱仪资料在“温比亚”台风降水估测中的应用探究

利用台风温比亚(1808)登陆阶段受外围云系降水影响的上海、浙江、江苏、安徽四个省(直辖市)42个雨滴谱仪站点数据,对比分析雨滴谱仪数据计算获得的雷达反射率因子、降水强度分别与雷达实测、雨量计实测的差异;进行Z-R关系拟合,以探究台风降水回波与降水强度的关系;分别利用两种Z-R关系进行降水估测效果对比,以探究雨滴谱仪资料在台风雷达降水估测中的应用效果。结果表明:雨滴谱仪数据计算得到的雷达反射率因子与雷达观测一致性较好,两者相关系数为0.96,前者略小于后者。雨滴谱仪数据计算得到的降水强度与雨量计观测的降水强度相比,变化趋势一致,相关系数为0.94,但在量值上,部分区域仪器存在较大的差异,其可能原因:一是该区域内仪器本身系统误差,二是受台风大风影响,雨滴下落速度快,容易发生破碎、重叠等,使到达地面的雨滴直径、数目产生一定的误差。台风温比亚外围云系降水回波与强度的拟合公式:Z=188.85R~(1.42),利用此关系的估测效果优于默认关系Z=300R~(1.4),估测降水量提高近17%左右。     

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。     

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。     

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。     

雨滴谱的变化对降水估测的影响研究

选取2013年5月20日发生在广东三水的一次飑线过程作为研究对象,首先结合飑线回波带移经三水及其上空雷达回波的时间-高度分布特征将降水过程划分为3个阶段,然后通过计算各时刻的粒子总数密度、中值体积直径和峰值数分析降水过程雨滴谱的变化,再对Z-R关系(Z=aR~b)进行分析,根据雨滴谱实测资料分别统计整体Z—R关系和3个降水阶段的Z—R关系,在此基础上讨论雨滴谱的变化和雷达观测的回波强度对降水估计的影响。结果表明:中值体积直径在对流云降水阶段和层状云降水阶段基本一致,但对流云降水阶段的粒子总数密度远大于层状云降水阶段;对流云降水阶段以双峰型为主,当降水向层状云类型发展时,多峰谱比例增加;雷达观测的回波强度常低于雨滴谱计算的反射率因子,离地面越近两者的相关性越好;根据3个降水阶段分别进行Z—R关系拟合,即分型Z-R关系,通过相对误差分析可知,利用分型Z—R关系反演雨强的效果明显优于整体Z-R关系反演效果,雨滴谱在层化降水阶段估计的相对误差最小、对流云降水阶段反演精度稍低于层状云降水阶段,这与对流云降水中雨强和雨滴谱谱型变化大且快有关;在雷达观测方面,利用分型Z-R关系反演雨强的相对误差较小而雷达观测的误差在对流云降水阶段较小,当降水向层状云降水转化时,雷达观测引起的相对误差增大,这主要是由于对流云降水阶段中雨滴谱仪和雷达对应的回波强度误差最小,也与雷达观测精度、两种仪器采样的时空差异和雨滴谱特征变化等因素有关。     

雷达波束部分遮挡识别应用及效果评估

雷达波束部分遮挡是雷达定量降水估测(QPE)算法的重要误差源。利用4次大范围的天气过程,联合上饶、黄山、杭州、金华、宁波、衢州、温州和台州8部天气雷达和浙江省2047个雨量计观测资料,应用金华、衢州和上饶雷达的部分遮挡区域识别结果,从定性和定量分析两个角度,将雷达组网拼图数据划分为部分遮挡区域、无遮挡区域和总数据区域,验证分析了部分遮挡回波订正方案在提高雷达组网拼图质量和提高雷达QPE精度方面的作用。结果表明:剔除部分遮挡回波的回波订正方案,在不同天气过程中均可以(1)有效地增强部分遮挡区域内雷达组网拼图和雷达QPE数据场的连续性;(2)显著提高了部分遮挡区域内雷达QPE数据场的精度,降低了因部分遮挡导致的雷达QPE误差,并间接提高了无遮挡区域以及总的数据区域内的雷达QPE的精度;(3)改善了Z-R关系拟合方案和最优插值校准方案的有效性,这是剔除部分遮挡回波后,雷达QPE数据场精度提高的重要原因。     

双线偏振多普勒雷达估算降水方法的比较研究

用美国KOUN双线偏振多普勒雷达2003年5～6月观测的两次强对流降水的天气过程资料，研究了从冰雹云降水回波中剔除冰雹回波得到液态降水区域的方法，冰雹回波剔除的结果保证了估测降水量不受冰雹的影响；分析了S波段双线偏振多普勒雷达几种估测降水强度方法的差异，并与地面雨量站资料进行对比，研究了KDP计算方法本身对降水估测的影响。结果表明：在实际的估测降水中，不同降水估测方法得到的结果有较大的差异，利用KDP估测降水的方法不适合小雨阶段的测量。     

复杂地形下C波段雷达定量降水估计算法

C波段雷达定量降水估计（QPE）精度受到很多因素的影响,主要包括:（1）雷达标定,（2）非气象回波的干扰,（3）降水物垂直空间变化,（4）地形或地物的严重遮挡,（5）Z-R关系的代表性,（6）雷达拼图的质量,（7）雷达观测回波衰减等。文中雷达定量降水估计算法基于陕西省C波段天气雷达展开,从雷达探测数据质量控制、地形遮挡、Z-R关系和雷达拼图等方面提高C波段天气雷达定量降水估计的精度,产生降水类型产品和1 h定量降水估计产品,产品空间分辨率为0.01°×0.01°,时间分辨率为6 min。通过对7次降水过程进行评估,结果表明:基于混合仰角反射率因子处理模块和降水类型分类模块进行雷达定量降水估计,得到的结果与地面雨量站观测降水接近,1 h累计降水量的统计评分指标均方根误差稳定在3 mm以下,相对误差稳定在50%左右,相对偏差保持在?30%以内,雷达定量降水估计产品的离散度和绝对偏差都较低,表明该算法得到的雷达定量降水估计稳定可靠。      

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。     

影响浙江地区降水估测几个因素的分析

如何从新一代天气雷达三维拼图数据中提取用于降水估测的回波强度是提高雷达降水估测的关键,为了分析利用三维拼图数据提取出的混合扫描回波强度的质量以及对降水估测的影响,文章利用浙江省雷达和全国自动站数据,通过研究回波强度与地面雨量的关系,分析了影响基于雷达三维拼图的降水估测精度的几个要素。通过累积整个过程雷达回波强度估测的雨量和自动站采集雨量得到浙江及周边地区的比率分布,找到了两者关系的异常区:区域性回波强度比较高的区域;区域性回波强度的低估区;区域性回波强度随地形变化的区域;区域性回波强度估测较为合理的区域;随纬度增加回波强度逐渐高估的区域。通过分析发现:0℃层亮带、残余的地物回波、异常的回波强度垂直廓线、自动站的数据质量等是造成回波强度与地面雨量关系异常的原因。最后,利用部分自动站对雷达估测的降水进行订正,结果表明:自动站订正能一定程度缓解上述区域高估或低估程度。     

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。     

陕西新一代天气雷达与自动站联合估测降水质量评估

利用2016年和2017年共5次降水过程数据,对天气雷达-自动站联合估测降水和自动站降水、雷达OHP产品进行对比分析,并给出联合估测降水拟合的Z-R关系。结果表明:自动站1h降水量≤1mm时,联合估测降水的平均相对误差大,但均方根误差在可接受范围内,且联合估测降水量非常接近自动站降水量;自动站1h降水量1mm时,联合估测降水的效果较好,其中20mm时联合估测降水的精度最好,平均相对误差低于8%;自动站1h降水量1mm时,联合估测降水量优于雷达OHP(1h累积降水量)产品;同一次降水过程,不同时次的Z-R关系不同,无明显变化规律。     

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。     

双偏振天气雷达水平和垂直通道回波对比

本文针对南京溧水S波段双偏振多普勒天气雷达获取的回波I/Q信号,采用FFT算法处理水平和垂直通道I/Q数据,分别得到水平和垂直通道回波的强度、速度值,定性分析了两通道回波强度、速度数据差异,引入平均差及均方根误差参数做定量分析。对比结果表明:两通道I/Q数据处理得到的回波层次分布基本一致;两通道速度数据差异较小,强度数据差异较大。以水平通道回波数据为基准,当回波强度小于16 dBz时,水平通道强度偏小,这可能是由云系边缘较小的针状冰晶所致;当回波强度大于32 dBz时,水平通道强度值偏大,且随回波强度的增加两通道强度差值增大,这反映了强降水中大粒子较多,而粒子越大,降落过程中扁平程度越大;两通道回波强度的差值与回波强度大小呈现一定相关性,这可能反映了单偏振天气雷达在定量测量降水中精度不高,通过双偏振雷达联合利用两通道数据有望改善雷达定量测量降水精度,提升雷达定量估测降水能力。     

对流性降水雨滴谱特征及其与雷达反射率因子的对比分析

利用OTT Parsivel激光降水粒子谱仪观测的南京地区梅雨季节对流性降水过程的雨滴谱资料和江苏省气象台龙王山雷达观测资料,结合天气形势,对梅雨季节对流性降水过程的微物理参量、平均雨滴谱和速度谱分布特征进行分析;在对平均谱拟合时发现,Gamma分布对小滴数目的估计和大滴端形状的符合程度效果好于M-P分布和对数正态分布,并且拟合了Gamma分布参数μ和λ的二次项关系;建立了雷达反射率因子与雨强的相关关系,并将Parsive激光降水粒子谱仪观测计算的回波强度与雷达观测的回波强度作以比较,结果表明:对于此次暴雨过程,雷达观测到的回波强度有低估的现象,并且Parsivel粒子激光探测仪观测计算的回波强度越大,雷达低估的现象越为明显。回波修正后,用统计的Z-I关系式估算的降水量与Parsivel测得的降水量更为接近。     

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。