基于微波链路的天气雷达降水场校准方法

为减小天气雷达反演降水场与地面实际降水的偏差,提出了利用贴近地面的微波链路对天气雷达降水场实施校准的方法,包括变分校准法、卡尔曼滤波校准法、平均校准法和克里金校准法。为验证校准效果,在两次不同类型的实际降水过程中,利用两条微波链路,对S波段天气雷达反演的降水场进行了校准,校准结果与地面雨量计实测值进行了比较,结果表明:四种校准方法均取得了一定的校准效果,改善了降水过程Ⅰ中强降水的低估问题和过程Ⅱ中弱降水的高估问题。校准后的雨强分布与雨量计测值的一致性得到提升,统计误差明显降低,改善程度由高至低依次为平均误差、均方根误差、平均绝对误差。综合各种校准方法在两次降水过程中的表现,克里金校准法的效果相对较好,变分校准法和平均校准法的效果优于卡尔曼滤波校准法。对平均误差和均方根误差改善幅度最大的是克里金校准法,对平均绝对误差改善幅度最大的为变分校准法。平均校准法和卡尔曼滤波校准法得到的校准因子为某一时次的区域平均校准因子,而克里金校准法和变分校准法能够得到随时间和空间位置变化的校准因子场。研究结果表明微波链路是校准雷达降水场的有效手段。     

雷达与雨量计联合估测降水的相关性分析

在对比分析质量控制前后雷达估测降水量与自动雨量计降水量之间相关性的基础上,采用雷达-雨量计联合校准方法,对14种不同密度雨量计校准雷达估测降水的效果进行分析。结果表明:在使用雷达资料和雨量计资料前有必要对资料的质量进行分析与控制。联合雨量计校准雷达能明显提高雷达对降水的估测能力;采用不同密度雨量计校准雷达,随着校准雨量计密度的加大,雷达估测降水的精度不断提高并趋于稳定。校准雷达的效果及所需雨量计密度与降水类型有关,当校准效果相同时,积云强降水过程需要的雨量计密度最大,积混对流性降水过程次之,层云稳定性降水过程需要的雨量计密度最小。不同方法的校准效果不同,卡尔曼滤波方法适合于对稳定性降水的校准,或在雨量计密度低的地区对雷达进行校准;变分校准法和最优插值法的校准效果相当,适合对积混对流性降水的校准,或在雨量计密度高的地区对雷达进行校准。     

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。     

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.     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

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。     

用变分方法校准数字化天气雷达测定区域降水量基本原理和精度

本文用变分方法校准雷达估算的降水强度和区域降水量,结果表明:经变分校准后,不但能使雷达探测到的结果与雨量计观测到的结果比较接近,而且还能保留没有雨量计站的地方雷达探测到的降水强度变化,其平均相对误差约为20％.     

"7·8"特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘-鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著.(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好.(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水.     

雷达估计南宁区域降水技术研究

应用变分校准法,用南宁714SD雷达资料对2005年汛期南宁大雨降水过程来估算区域降雨量,并用逐时雨量对雷达测量降水进行了校准。相对误差从未订正前的63%降到23%。     

雷达估计南宁区域降水技术研究

应用变分校准法，用南宁714SD雷达资料对2005年汛期南宁大雨降水过程来估算区域降雨量，并用逐时雨量对雷达测量降水进行了校准。相对误差从未订正前的63％降到23％。     

变分校准法在山东半岛雷达估测降水中的一次应用

利用山东半岛地区2006年8月26日的强降水数据、青岛雷达基数据和自动站数据资料,采用变分技术校准方法进行雷达定量估测降水,结果表明:校准后的雷达测量降水在保留原降水内部结构形式的基础上,1小时估测降水误差明显减少。分析的降水优化场还可用于降水预报中,提高降水预报准确率。     

基于分步校准的区域降水量估测方法研究

在对国内外雷达定量估测区域降水量一些方法进行回顾的基础上, 介绍了卡尔曼滤波校准和最优插值校准的基本原理, 提出了综合利用两种校准方法优点的分步校准法进行区域降水量估测, 并用2003年淮河流域暴雨过程的雷达和雨量计资料对以上的三种方法进行评估。评估结果表明: 分步校准法无论在估测的精度还是稳定度上都优于其它两种方法。     

雨量计密度对校准雷达估测降水的影响及单点对校准的贡献

利用新一代天气雷达基数据资料和天津三次不同类型降水天气过程的降水量资料,采用变分校准方法,以校准区域内所有雨量计校准雷达得到的估测降水场作为"真值场",对比分析14种不同密度雨量计网校准雷达估测降水的效果,并对雨量计网中单个雨量计站点对校准雷达的贡献进行试验分析。结果表明:（1）参加校准的雨量计密度较小时,雷达估测降水的误差较大,估测效果不好;随校准雨量计密度的不断加大,雷达估测降水的偏差明显减小、估测精度不断提高并逐渐趋于稳定。（2）校准不同类型降水需要的雨量计密度不同,这与降水的性质有关;当校准雷达估测降水的效果与"真值场"的相当时,所需的雨量计密度为121 km²·部^-1。（3）在雨量计校准网中任意增加降水量不为零的站点,会在增加的站点周围出现估测偏差（高估或低估）,偏差的大小与站点降水量相对于其周围雨量计平均值的大小有关、偏差的影响范围则与站点周围雨量计的分布密度有关。（4）任意增大（减小）雨量计校准网中单个站点的降水量会使雷达对站点周围降水的估计偏高（偏低）,高（低）估的程度及影响范围与站点降水量增大（减小）的多少及站点周围雨量计分布密度有关,而与降水类型及降水随时间的演变无关。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合估算降水量

为了提高区域降水量观测的空间分辨率, 提出了雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法。首先, 利用粒子激光探测仪观测到的滴谱资料建立实时的Z-I关系, 然后, 利用变分法对同时有雷达回波和雨量计资料的点的实测校准因子进行校准, 获得最优校准因子分析场, 最后, 对有雨量计的点取雨量计实际观测值, 没有雨量计的点利用最优校准因子分析场估算降水。利用此方法对辽宁省2007年5月15日一次天气过程进行降水量估算, 结果表明: 雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法结合了雨量站观测资料单点精度高和雷达资料时空分辨率高的优点, 提高了降水量的估算精度, 更好地反映了降水的空间分布。     

基于精细化降水分布的山洪气象条件分析

提出了天气雷达联合地面雨量计估测降水的局地分级平均校准方法.以该方法得到的精细化降水分布(0.01°×0.01°)为基础,对重庆綦江石角流域(面积707 km2)2008年5月28日、2009年8月5日和2010年6月23日的3次洪峰过程进行了山洪气象条件分析.结合由数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)资料计算的流域河道出口距离分布,提出了流域出口无损径流序列(假设降水全部转换为径流)的预报方法.结果表明:与局地平均校准法相比,局地分级平均校准法对强降水的估计效果更好.无损径流预报对预测山洪发生的可能性具有参考意义.     

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。     

同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响

选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程,考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息,是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES (Global/Regional Analysis and Prediction System) 区域三维变分系统,将FSU (Florida State University) 对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出,同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散,从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明,同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外,低空辐合有利于水汽垂直输送,维持对流发展,改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明:同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布,而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。     

四维集合变分同化方法在华南冬季暴雨模拟中的应用

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式和基于本征正交分解的四维集合变分同化方法（POD-4DEnVar）,对2015年12月9日一次华南暴雨过程进行多普勒雷达资料同化试验,并与三维变分同化试验（WRF-3DVar）进行对比,讨论了POD-4DEnVar方法中局地化半径对模拟效果的敏感性。结果表明,比较不同化雷达资料的控制试验,WRF-3DVar和WRF-POD-4DEnVar试验的降水模拟结果得到明显改善,且WRF-POD-4DEnVar的降水强度更接近实况。两种同化方法通过改变不同的初始要素达到改进降水模拟效果的目的,3DVar方法通过调整初始风场,间接减弱暴雨发生的水汽条件,POD-4DEnVar方法则直接调整湿度场。在降水过程中,同化试验改变了冷空气活动和水汽通量辐合的模拟结果,从而改善降水的模拟效果。POD-4DEnVar方法对局地化半径比较敏感,随局地化半径增大,同化对风场和湿度场的影响范围扩大,当局地化半径取为200 km时,降水模拟的效果最好。      

多普勒雷达资料对暴雨定量预报的同化对比试验

基于NCEP/NCAR再分析资料和连云港雷达探测资料,利用WRF模式及其三维变分同化V2.1系统,对发生在2008年4月19日连云港地区一次区域性暴雨过程进行了三维变分同化数值模拟对比研究.结果表明,同化了雷达资料后,模式预报效果比单独使用NCEP做初始场效果明显改善,暴雨落区和量值更接近实况.同化了雷达资料后,模式预报的垂直运动区、最大上升区、水汽输送通道和高空涡度分布等更接近强降水区,结构也更精细,说明初始场增加雷达资料后,对初始风场的结构、强度和初始云水分布有实质性的改进,从而提高了对暴雨定量预报的效果.