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。     

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。     

空中、地面雨滴谱特征的观测分析

利用1982年7月9日宁夏银川站的一次层状云降水过程中地面、空中观测的雨滴谱资料,分析了宁夏地区层状云降水过程中地面、空中的雨滴谱特征,并对地面和空中雨滴谱进行对比。结果表明：地面雨滴谱以指数型为主（61.9%）,空中雨滴谱以多峰型为主（86.4%）;对于空中、地面雨滴平均谱,Gamma分布拟合的相关系数更高;地面雨滴谱中小滴较多,空中雨滴谱中大滴较多,可能受到碰并、蒸发、破碎的共同影响。研究地面雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N与雨强I的关系,Z-I关系和W-I关系的相关性很好,而N-I、N0-I、λ-I关系的相关性不是很好。     

基于实测雨滴谱数据的微波链路和天气雷达降水估计关系研究

利用南京地区连续两年夏季的实测雨滴谱数据,分析了雨滴谱和降水特征,区分降水类型计算了微波链路衰减系数与雨强的关系(雨衰关系)和雷达反射率因子与雨强(Z-R)的关系,所得关系与ITU-R雨衰模型和常用Z-R关系均有差异,其中对流性降水中的Z-R关系为Z=161.63R~(1.55),层状云降水中为Z=227.23R~(1.53)。在两次不同类型降水过程中利用微波链路和天气雷达反演降水,结果表明:使用ITU-R雨衰关系反演降水存在高估层状云降水、低估对流性降水的问题,使用常用Z-R关系反演降水存在明显低估降水的问题,而使用雨滴谱计算的雨衰关系和Z-R关系反演的降水与雨量计实测降水更加一致,平均绝对误差降低,相关性明显提高。说明使用实测雨滴谱数据计算得到的本地化的雨衰关系和雷达Z-R关系,能够提升定量测量降水的准确性。     

福建安溪雨滴谱特征

雨滴谱观测对理解云-降水物理过程和提高雷达降水估测等有重要意义,利用福建安溪2017-2020年雨滴谱资料,研究不同季节和不同类型的雨滴谱特征和差异,提出该地区降水的雷达反射率因子与降水强度(Z-R)关系和形状参数与斜率参数(μ-A)关系,并与国内其他典型地区进行对比.结果表明:福建安溪雨滴谱季节差异明显,整体上夏季雨...     

用反射率因子垂直廓线联合雨量计校准估测夏季区域强降水

提出了一种使用平均雷达反射率因子垂直廓线(VPR)联合雨量计校准估测地面降水的方法。选用2002年、2003年夏季长江中下游地区的宜昌和合肥新一代S波段多普勒雷达在几次大范围强降水过程中的部分时段体积扫描强度数据和周边100km范围内整理成10min一次的雨量资料，计算了区域上空短时平均VPR在地面的可能反射率因子值，并用此值反演降水，计算相对误差。同时，还分析了超短时强降水地区实时VPR的特征。结果表明:用最小二乘曲线拟合VPR数值，并联合雨量计平均校准因子估测降水，在大部分区域比较合理。与实测的降水比较可以看到，这种方法对提高估测区域性降水的精度都有效果；对于强对流性降水区域，只须用拟合法得到的地面反射率因子值估测地面降水。通过分析超短时强降水对应区域的实时VPR特征，有利于在无地面雨量计的地区通过分析VPR的特征来估测降水量的大小，结合其他要素分析降水的发展变化。     

基于激光雨滴谱仪的一次降水云滴谱特征分析

利用2012年4月30日湖北省发生的一次降水过程中收集到的地面雨滴谱资料,对不同站点对流性降水和层云性降水雨滴谱特征进行分析,并将激光雨滴谱所测降水与自动站雨量计降水进行对比分析。研究表明:不同类型降水粒子平均体积直径、优势直径、中数体积直径差异显著;对流性降水粒子谱为单峰型分布,层状云降水粒子谱为双峰型分布特征;激光雨滴谱仪和自动站雨量计观测到的小时降水量变化趋势基本一致,定量分析发现,激光雨滴谱仪测值相对与雨量计测值存在系统性偏低的情况,且雨强越大,测量偏差越大。      

2021年郑州“7·20”极端暴雨雨滴谱特征及其对雷达定量降水估测的影响

利用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据,分析了2021年7月20日郑州极端暴雨的雨滴谱特征,并结合双偏振雷达观测,分析了不同定量降水估测（QPE）方法在此次极端暴雨过程中的性能。结果表明,在此次极端暴雨过程的最强降水时段,雨滴谱表现为很高的粒子数浓度和很大的粒子平均直径;而整个降水过程雨滴谱的截距参数与我国其它地区雨滴谱特征差异不明显,但质量加权平均直径大于其他地区的雨滴谱;在降水最强的2021年7月20日08:00～09:00（协调世界时,下同）前后,雨滴谱的特征发生了显著变化,首先是质量加权平均直径迅速增长,随后粒子数浓度也陡增,从而导致降水率的迅速增强。使用郑州双偏振雷达数据,基于各种QPE方法和参数计算得到了08:00～09:00的雷达反演降水量,并与雨量计观测结果比较。结果表明对于基于反射率的QPE关系（R(Z_H)）,如果不提高或者去除反射率上限进行QPE,会导致降水严重低估,且该方法对参数的准确性较为依赖;基于差传播相移率的QPE关系（R(K_dp)）对雨滴谱差异性敏感度相对较低,其性能主要依赖于差传播相移率的准确性;最优的R(K_dp)关系反演效果比R(Z_H)更好,能达到实际降水量的70%以上。     

地面激光雨滴谱仪反演降水参量的特性探究

采用河南省2016—2017年100个日降水资料,对比分析雨滴谱反演回波与雷达回波的差异、雨滴谱反演降水强度与雨量计观测降水强度的差异;进行雨滴谱Gamma拟合,以探究河南省雨滴谱分布及降水云系类型;进行Z-I关系拟合,以探究河南省降水回波与降水强度的关系。结果表明:(1)雨滴谱反演回波、雷达观测回波的变化趋势具有较好一致性。而前者普遍小于后者,其可能原因:一是雷达通过最低仰角观测到的地面雨滴谱仪上方回波与地面雨滴谱仪之间存在一定高度差,二是雨滴下落时的蒸发、破碎过程,使到达地面的雨滴直径减小。(2)雨滴谱反演的降水强度与雨量计观测的降水强度相比,存在一定差异,但无显著偏大或偏小规律性特征。(3)对流云及层积混合云的雨滴谱宽大于层状云,中等尺度雨滴数密度较大。层状云的小水滴数密度较大。河南省大部分降水过程为雨滴谱较窄的层状云降水。(4)河南省降水回波与降水强度的拟合公式:Z=262I~(1.34),层状云拟合公式:Z=219I~(1.30),对流云拟合公式:Z=307I~(1.38)。(5)雨滴数浓度较高月份为6—7月(1500个·m~(-3)左右),降水强度较高月份为8—10月(60 mm·h~(-1)),雨滴最大直径较高月份为4—8月(4.3～4.8 mm),雨滴平均直径较高月份为3—4月(3 mm左右)。雨滴数浓度、降水强度、最大直径、平均直径的月份特征变化无一致性。     

基于相态识别的S波段双线偏振雷达最优化定量降水估测方法研究

为了提高雷达定量降水估测的精度,本文利用雨滴谱数据、实际雨量以及不同偏振参量建立起的降水估测公式,参考CSU-ICE算法降水估测模型,建立了一种基于相态识别的S波段双线偏振雷达最优化定量降水估测算法(简称HCALIQ)。利用广东珠海S波段双线偏振雷达数据和华南密集的地面自动站网的雨量,以两次华南夏季典型的降水过程为例,对该最优化算法的估测效果进行了统计分析,并进一步与CSU-ICE方法、传统的R(Z_H)方法进行了比较。结果表明:以地面雨量计为标准,HCA-LIQ最优化算法表现出与雨量计较强的相关性且有着较好的稳定性。雷达相对地面雨量计小时雨量估测的偏差分布与离雷达的距离关系不大。按过程分类的结果显示,强对流云降水时,两种最优化算法要明显优于传统的R(Z_H)方法;混合云降水时,最优化算法的效果并不比R(Z_H)方法好;HCA-LIQ最优化算法比CSU-ICE算法效果更佳。按雨强分类统计时发现,与传统的R(Z_H)方法相比,HCA-LIQ最优化算法对小雨的估测偏差降低了23%,对中雨的估测偏差相当,对大雨、暴雨的估测偏差分别降低了71%、68%。     

X波段双极化雷达在北京夏季降水估测中的应用

利用X波段双极化雷达和地面自动雨量站数据对北京地区2009年夏季降水进行分析,先采用低通滤波、衰减订正等方法对数据质量进行控制,提取了单位差分传播相移Kdp之后,分别拟合出X波段双极化雷达参数与降水之间的两个关系式:Zh=159R1.37及R=13.9Kdp0.81,最后再分别利用这些拟合公式对北京地区进行降雨估测。结果表明:雷达用这两个公式估测的降雨量与地面实测降雨量有较好的一致性;且当每小时降雨量大于10mm时,Kdp-R的估测比Zh-R估测更稳定、准确;通过平均标准差统计可知,Kdp-R估测精度明显高于Zh-R估测精度。     

多普勒雷达资料动态定量估测台风小时降水量的研究

在充分考虑传统的最优化方法和概率配对法优缺点的基础上,使用一种改进的最佳窗概率配对法计算Z-I关系中的系数A和b,得到了雷达测得的基本反射率因子Z和雨量计实时测到的小时降水量I的动态关系.利用温州多普勒雷达体扫资料和浙江省自动雨量站资料,使用该方法对"海棠"(Haitang)和"麦莎"(Matsa)两个台风分别进行了动态计算,得到了不同系数的Z-I关系,进而对两个台风的小时降水量进行了定量估测.使用变分技术对估测的小时降水量进行了校准.结果表明,不同台风Z-I关系的系数差别较大,因而造成台风小时降水量的很大不同.使用雷达基本反射率来估测台风小时降水量,能够清楚表现出台风的螺旋雨带和其中的中小尺度雨团,估测的台风小时降水量与实况基本接近.经过变分校准的估测降水量可以较好地表现出台风雨带与地面中尺度流场动力结构的对应关系.误差统计分析表明,变分校准后的估测台风小时降水量要明显好于变分校准前的估测台风小时降水量.变分校准法既保留了雷达估测台风小时降水量的分布特征,又使估测的台风小时降水雨量与实况的误差明显减小.     

Parsivel激光雨滴谱仪观测较强降水的可行性分析和建议

为了研究OTT-Parsivel激光雨滴谱仪(简称Parsivel)在较强降水观测中应用的可行性,用南京地区2012年6—7月份4个典型的降水个例,对Parsivel和SL3-1翻斗式雨量计(简称雨量计)的累积降水量、降水强度观测资料进行对比分析,并与人工雨量筒观测作以比较。结果表明:Parsivel测值是可信的,在累积降水量观测上,与雨量计具有很好的相关性,但测值始终偏高,该现象主要是粒子相互遮挡造成的。雨量计的反应时间,明显滞后于Parsivel。雨量计测值接近人工测值;而Parsivel与人工测值的偏差明显大于雨量计。结合实验分析与业务应用,提出3点使用建议:(1)仪器应架设在无遮蔽物的开阔地带。(2)采样周期应随着降水强度(地理位置)的不同而改变。(3)对降水微物理参量特征以及粒子谱分析时,可剔除直径过大、速度很低的粒子。     

Radar Quantitative Precipitation Estimation Based on the Gated Recurrent Unit Neural Network and Echo-Top Data

The Gated Recurrent Unit(GRU) neural network has great potential in estimating and predicting a variable. In addition to radar reflectivity(Z), radar echo-top height(ET) is also a good indicator of rainfall rate(R). In this study, we propose a new method, GRU＿Z-ET, by introducing Z and ET as two independent variables into the GRU neural network to conduct the quantitative single-polarization radar precipitation estimation. The performance of GRU＿Z-ET is compared with that of the other three meth...     

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。      

星载双频测雨雷达航空校飞试验降水反演分析

2010年9月6日到10月20日,在江苏东台黄海附近进行了中国首次星载双频(Ku和Ka波段)测雨雷达的外场校飞试验,获得了宝贵的机载雷达数据。利用所探测的有效降水资料,对机载雷达的降水探测能力进行了性能分析。对比机载测雨雷达和同步星载测雨雷达(Precipation Radar,PR)探测的反射率因子廓线可以发现,机载雷达反射率因子廓线在1.55 km高度的探测结果和PR较为一致,尤其是融化层一致性更好,表明机载雷达有探测降水垂直结构的能力。为了进行Ka波段机载雷达的降水反演,利用卫星数据模拟器(Satellite Data Simulator Unit,SDSU)计算了k-Z_e和R-Z_e关系的系数,并在此基础上进行了衰减订正以及雨强的反演。结果表明,Ku和Ka波段反演的雨强廓线基本一致,证实了反演系数的合理性。     

一次飞机冷云增雨作业效果检验

最近60多年,全球范围内广泛开展了人工增雨作业,但人工增雨效果检验一直是个难题。传统上,利用雨量计和目标/对比区统计数据评估人工增雨效果,结果大多不确定。对一次人工增雨作业而言,从科学上给出令人信服的效果检验更是没有好的解决方案。2017年3月19日,陕西省实施业务飞机冷云增雨作业播撒含有750 g碘化银（AgI）的催化剂,播撒线长125 km。作业后卫星、雷达观测到一条与播云线对应的清晰的云迹线,地面雨滴谱仪观测到相应的雨强、雨滴数浓度、雨滴直径增大,表明播云使云体产生了增雨响应。针对这次增雨过程,从连片雷达回波中分离增雨作用造成的回波增强带（增雨影响回波）和确定了自然降水回波强度,建立增雨影响回波强度（Z）与地面雨强（I）的拟合关系（Z-I关系）,定量研究人工增雨的时、空演变。结果表明:（1）增雨影响时间约4 h,增雨影响回波区域（增雨影响区）面积为5448 km2。该区累计降雨总量和增雨总量分别为1.518×106 m3和8.04×105 m3,增雨影响区内增雨率达53%。（2）总降雨量、增雨量、自然降雨量随时间先增后减,总降雨量与增雨量的峰值同步,两者峰值都早于自然降雨峰值;催化后146 min （04时47分,世界时,下同）,每6 min增雨量达到最大,为4.9×104 m3;催化后174 min （05时15分）,增雨雷达回波面积达到最大（1711 km2）,面积峰值滞后增雨量峰值出现。（3）增雨影响区位于播撒线下游,呈条带状;区域内总降雨量空间分布为中间大边缘小,与增雨量空间分布一致。（4）此次增雨作业改变了降雨时、空分布,促进降雨形成,增加了地面降雨量。      

Improvement of radar quantitative precipitation estimation based on real-time adjustments to <Emphasis Type="Italic">Z-R</Emphasis> relationships and inverse distance weighting correction schemes

The errors in radar quantitative precipitation estimations consist not only of systematic biases caused by random noises but also spatially nonuniform biases in radar rainfall at individual rain-gauge stations.In this study,a real-time adjustment to the radar reflectivity-rainfall rates(Z-R) relationship scheme and the gauge-corrected,radar-based,estimation scheme with inverse distance weighting interpolation was developed.Based on the characteristics of the two schemes,the two-step correction technique of radar quantitative precipitation estimation is proposed.To minimize the errors between radar quantitative precipitation estimations and rain gauge observations,a real-time adjustment to the Z-R relationship scheme is used to remove systematic bias on the time-domain.The gauge-corrected,radar-based,estimation scheme is then used to eliminate non-uniform errors in space.Based on radar data and rain gauge observations near the Huaihe River,the two-step correction technique was evaluated using two heavy-precipitation events.The results show that the proposed scheme improved not only in the underestimation of rainfall but also reduced the root-mean-square error and the mean relative error of radar-rain gauge pairs.     

雨滴谱垂直演变特征的微雨雷达观测研究

雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar,简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据,在对比3种仪器观测结果的基础上,研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明:MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好,且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性,而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1）,液水含量和降水强度随高度降低减小,雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1）,随高度降低,雷达反射率因子增大,小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显,雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%,小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。     

定量测量降水量的回波结构自适应算法研究

为提高临近预报中对流性降水估测的准确性,分析了统计法估算降水的局限性。依据降水物理机制和降水回波结构,研究雷达反射率因子定量测量降水量(QPE-Qualitative Precipitation Estimate)的自适应算法,旨在减少由于雨滴谱变化导致的Z-I关系不稳定所引起的降水量测量误差。同时考虑组合反射率因子RC和垂直液态水含量VIL两个参量对降水的影响,建立适于城市区域的动态自适应的Z-I关系,改进对强降水严重低估的问题。