SWAN中定量降水估测和预报产品的检验与误差分析

采用2010—2011年5—9月河南省区域加密自动站雨量和全省6部新一代天气雷达资料,用点对点统计检验评分方法,分析SWAN系统中定量降水估测(QPE)和定量降水预报(QPF)产品在河南省短时强降水过程中的误差分布,并分别讨论二者在河南省区域与局地强降水过程中的差别及产生误差的直观原因。结果表明:1)SWAN中QPE和QPF均对小时雨量低于10 mm的降水有较好的估测和预报能力;QPE以豫西南和豫北效果最好,QPF在豫中地区预报能力更强。QPE估测较实况偏大;QPF对小时雨量低于20 mm的短时强降水预报略偏大,而对更强降水预报偏小,尤以豫西和豫南最明显。2)QPE和QPF均对区域性降水有更好的估测或预报能力。3)区域降水过程中,QPE对降水中心范围和位置估测较准确,估测值较实况偏大;QPF对强降水中心位置预报略有偏差,其中心强度较实况偏弱。     

榕江双偏振雷达与三穗雷达在黔东南一次大暴雨过程中的应用对比分析

为进一步提升黔东南三穗CINRAD-CD雷达及榕江双偏振雷达产品在山区强降雨过程中的应用能力,提升短临预报预警服务水平,对2部雷达在2022年7月18日大暴雨过程中观测和定量降水估测的差异进行对比分析。结果表明：榕江雷达总体探测能力强于三穗雷达,在黔东南州西部地区,由于雷公山地形阻挡作用,榕江雷达对低层探测能力减弱,在黔东南州中部及以东地区榕江雷达探测能力明显强于三穗雷达;2部雷达探测得到的组合反射率因子峰值与地面分钟降雨量峰值对应关系较好,当降雨减弱时,三穗雷达衰减更明显;三穗单偏振雷达对降水的起止时段及累积降水量的估测能力明显不足,而榕江双偏振雷达QPE产品对降水起止时间及降雨定量估测结果基本接近实况,在业务应用中具有较高的参考价值。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。      

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。     

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。     

珠海X波段双偏振相控阵雷达定量降水估测产品质量评估

以地面雨量站观测资料为基准,选取2021年6—8月的6个强降水过程,利用珠海4部X波段双偏振相控阵雷达QPE组网产品和对应区域雨量站逐小时降水资料,使用相关系数(CC,Correlation Coefficient)、相对偏差（RB,Relative Bias）、相对平均绝对误差（RMAE,Mean Relative Absolute Error）、均方根误差(RMSE,Root Mean Squared Error)、探测率（POD,Probability of Detection）、误报率（FAR,False Alarm Ratio）、临界成功指数（CSI,Critical Success Index）,对相控阵雷达QPE产品质量进行评估。结果表明：QPE产品总体CC、RB、RMAE、RMSE分别为0.83、1.62%、47.59%、6.68 mm。有无降水探测率为88.66%,FAR为12.03%,CSI为83.99%;能够准确捕捉强降水落区、把握小时雨强变化趋势,雨强峰值谷值出现的时间匹配的较好。小时降水分级检验结果显示,QPE产品对于大雨强的评估效果相对较好,小时雨量≥16....     

基于X波段双偏振相控阵雷达的超级单体风暴观测分析

为了研究X波段双偏振相控阵雷达对超级单体风暴的探测能力,利用X波段双偏振相控阵雷达和S波段双偏振天气雷达资料,分析了一次发生在华南地区的超级单体风暴在成熟阶段的精细结构观测特征,结果表明：X波段双偏振相控阵雷达较高的时空分辨率有利于精细监测超级单体快速演变过程,但同时受衰减影响明显,超级单体核心区后侧出现明显的“V”型缺口;超级单体的低层观测到CC谷和ZDR弧,中层观测到ZDR环和CC环,高层高ZH区对应较小的ZDR和CC,这些都是超级单体发展旺盛的重要特征;垂直方向上观测到ZDR柱,ZDR柱与上升气流密切相关。降雹前ZDR柱迅速增加,冰雹降落后ZDR柱高度迅速降低。冰雹降落到地面后会部分融化,导致含水量显著增加,因此在近地层出现KDP大值区,冰雹与降水的混合相态则使得CC降低,这对冰雹的临近预警和识别冰雹在地面的降落位置具有很好的指示意义。研究结果可为X波段双偏振相控阵雷达在强对流天气监测预警中的应用提供参考。     

DEVELOPMENT AND ASSESSMENT OF QUANTITATIVE PRECIPITATION ESTIMATION ALGORITHMS FOR S-, C-, AND X-BAND DUAL-POLARIZATION RADARS BASED ON DISDROMETER DATA FROM THREE REGIONS OF CHINA

The accuracy of quantitative precipitation estimation (QPE) for dual-polarization radars can be improved by using a localized rainfall estimation algorithm derived from the raindrop size distribution (DSD). In the present study, DSDs observed at Suzhou City, Jiangsu province; Yangjiang City, Guangdong province; and Naqu City, Tibet are analyzed during the rainy season together with the corresponding polarimetric variables for the above three regions. Most importantly, these DSD data are used to develop optimal “synthetic” QPE algorithms for S-, C-, and X-band dual-polarization radars, which will be built or upgraded in the three regions. Meanwhile, a new piecewise fitting method (PFM) is proposed. It has been found that the number concentration N(D) of small raindrops (D<1mm) is the highest in Suzhou, while that of larger raindrops (D>1mm) is the highest in Yangjiang. The characteristics of the differential reflectivity (ZDR) and specific differential phase (KDP) are significantly different in the three locations, suggesting that different rainfall estimators are needed for different locations. Further performance assessment of the QPE based on DSD data indicates that the PFM QPE algorithm (LDSD) performs better than the conventional fitting method (CFM), and the localized QPE algorithm can improve the QPE accuracy. Observations from S-band dual-polarization radars and rain gauges in the Southern China Monsoon Rainfall Experiment are implemented to verify the performances of the QPE algorithms proposed in the present study. It is found that compared with non-localized algorithms, the localized LDSD algorithm yields the best results with at least 7.66% and 8.43% reductions in the RMSE and NE, respectively, which implies that while polarimetric variables can reflect DSD characteristics, the localized QPE algorithm remains necessary.     

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。      

Operational Evaluation of the Quantitative Precipitation Estimation by a CINRAD-SA Dual Polarization Radar System

In this paper, the quantitative precipitation estimation based on hydrometeor classification (HCA-QPE) algorithm was proposed for the first operational S band dual-polarization radar promoted by the CINRAD/SA radar of China. The HCA-QPE algorithm, the localized Colorado State University-Hydrometeor Identification of Rainfall (CSU-HIDRO) and Joint Polarization Experiment (JPOLE) algorithms, and the dynamic Z-R relationships based on variational correction QPE (DRVC-QPE) algorithm were evaluated with the rainfall events from March 1 to October 30, 2017 in the Guangdong Province. The results indicated that even though the HCA-QPE algorithm did not use the observed rainfall data for correction, its estimation accuracy was better than that of the DRVC-QPE algorithm when the rainfall rate was greater than 5mm h^(-1); and the stronger the rainfall intensity, the greater the QPE improvement. And the HCA-QPE algorithm worked better than the localized CSU-HIDRO and JPOLE algorithms. This study preliminarily verified the improved accuracy of QPE by a dual-polarization radar system modified from CINRAD-SA radar.     

移动X波段双线偏振雷达数据质量分析及偏差订正

2019年8月,中国电子科技集团第十四研究所南京恩瑞特实业有限公司研制的GLC-12A型移动X波段双线偏振多普勒天气雷达在江苏大丰进行外场观测。根据该雷达外场观测资料,联合盐城新一代SA天气雷达和江苏省6个雨量站资料,对移动X波段双线偏振雷达做数据质量分析。结果表明,针对同一次降水过程而言,距离越远,衰减越大。为了降低衰减造成的观测误差,首先利用信噪比对差分反射率Z_dr、零滞后相关系数ρhv(0)进行偏差订正,提高Z_dr和ρhv(0)的数据质量,以便进行地杂波、生物回波等非降水回波过滤。然后应用去抖动滤波后的差分传播相移率K dp或总差分传播相位Φdp表达在雨中距离雷达R处的总双向反射率因子衰减订正值。数据分析表明,订正后移动X波段双线偏振雷达数据质量得到了提高。     

基于S波段双极化雷达的变分法的定量降水估计算法

基于比差分传播相移(K_DP)的降水估计算法R(K_DP)相较于传统基于水平反射率因子(Z_H)的算法R(Z_H)的表现更优。在雷达实际运行中,由于随机误差和后向散射相位(backscattering phase)的影响,可能出现负的K_DP。运用一种基于变分的雷达定量降水估计混合算法(V-RQPE)。该算法用变分拟合方法重构差分相位(Φ_DP),用一种新的稳健的边界条件求解方法,在消除随机误差的同时获得非负的K_DP,进而进行降水估计。随后我们使用2017年5月7日广州S波段雷达的回波数据和地面雨量站观测数据进行验证,同时使用了六种不同的算法进行对比,结果显示,在1小时累计降水估计中,V-RQPE表现最好,在24小时累计降水估计中,V-RQPE和基于变分拟合的K_DP的降水估计算法(R-VKDP)表现最好,实验结果表明变分拟合方法对雷达降水估计能力有显著提升。      

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。     

Application of X-band Polarimetric Phased-array Radars in Quantitative Precipitation Estimation

The performance of different quantitative precipitation estimation(QPE) relationships is examined using the polarimetric variables from the X-band polarimetric phased-array radars in Guangzhou,China.Three QPE approaches,namely,R(Z_H),R(Z_H,Z_DR) and R(K_DP),are developed for horizontal reflectivity,differential reflectivity and specific phase shift rate,respectively.The estimation parameters are determined by fitting the relationships to the observed radar...     

基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水（QPE,quantitative precipitation estimation）产品估测精度易受雷达观测偏差和Z–R（雷达反射率—降水率）关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。