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。      

雷达定量降雪估测方法的设计和订正

从降雪预警业务实际出发,设计了基于最优化法的雷达估测降雪方法,对2007年3月4日特大暴雪过程开展雷达降雪估测试验,并分析估测结果的误差。针对温度变化、雪花末速度、与雷达的距离和计算方法等方面的误差因素制定了3种改进方案。改进后的估测降雪量与实况降雪量的相关系数提高到0.66（超过99%信度检验）,平均相对误差降低至48.74%,对于0.3 mm/h的较弱降雪和5 mm/h以上的强降雪均具有估测能力。其中距离雷达50～100 km的样本估测降雪量与实况降雪量的相关系数达到0.82。在3种改进方案中,考虑降雪末速度影响的改进效果不明显,这可能与本次暴雪过程的回波较均匀有关;按雷达与样本距离分类进行雷达降雪估测的效果最明显,不仅可以增加相似程度,还减小了雷达近距离高估和远距离低估的误差;而算法的改进进一步提高估测精度。本次雷达降雪估测对于1.6～2.5 mm/h的较强降雪和2.6 mm/h以上的强降雪平均相对误差较小,分别为31%和27%,但雷达降雪估测高估了1.5 mm/h以下的降雪而低估2.6 mm/h以上的强降雪。一方面说明雷达回波对于降雪强弱变化不是很敏感,另一方面在业务实际工作中有可能利用这种一致性的误差进行订正,以提高降雪估测精度。      

C波段双线偏振雷达反射率因子的衰减订正及对降雨估测精度的改进

C波段双线偏振雷达反射率因子易受衰减的影响,为了提高降雨的准确性,需要对雷达反射率因子进行衰减订正。K_(DP)是能够用于衰减订正的一个有效因子,本文采用小波分析法对Ф_(DP)数据进行预处理,再将处理后的数据拟合得到相对准确的K_(DP)。为了验证衰减订正的效果,利用S波段雷达反射率因子作为参考,对比分析了衰减订正前后C波段双线偏振雷达反射率因子的变化,结果表明:经过衰减订正后的Z_H更接近于S波段雷达的反射率因子。在进行降雨估测时,不同方案估测降雨的差异较大,当C波段双线偏振雷达与S波段雷达均采用Z-R关系估测降雨时,S波段雷达的效果更好。当C波段双线偏振雷达采用衰减订正后的R(Z_H,K_(DP))法估测降雨时,效果优于S波段雷达的R(Z)方案。当降雨强度10 mm·h~(-1)时,雷达估测的雨量普遍低于地面雨量计的雨量,经过雨量计校准后,可以进一步提高降雨估测精度。     

雷达资料与中尺度数值预报的融合方法研究及其在临近预报中的应用

通过融合多普勒天气雷达资料与中尺度数值预报产品,发展了一种便于临近预报业务使用的方法。该方法首先通过相关分析计算当前相同时刻雷达估测降水与中尺度数值预报的反射率因子估测降水之间的位置偏差,导出一个位移偏差矢量场;然后,利用人机交互的方式对矢量场进行分区,并对各分区的矢量场进行平滑处理,计算出各分区的平均位移偏差矢量;最后,采用最小二乘法对各分区连续多次的平均位移偏差矢量进行线性拟合,得到各分区平均位移偏差矢量随时间的变化特征,订正未来时段相应区域的数值预报反射率因子估测降水的位置偏差。利用该方法对2012和2013年夏季发生在重庆西部、四川东部的3次强降水天气过程进行临近预报试验并对预报结果进行了检验,结果表明:对0~2 h的临近预报,融合预报效果总体上优于模式预报效果;另外,与雷达外推定量降水预报相比,0~1 h雷达外推预报效果优于融合预报效果,1~2 h融合预报效果优于雷达外推预报效果。     

基于成都天气雷达的一种有效降水估测方案

在基于天气雷达的定量降水估测(QPE)中,仰角选取和算法设计,对估测结果均有非常重要的影响。在对成都雷达资料进行滤波技术处理,减轻孤立噪声和杂波的干扰基础上,建立基于动态a、b值的降水估测算法,分析成都雷达探测所涉及的地形因素,提出了高山规避方案,并通过对流性和稳定性层状降水过程的高山规避实验表明,平均相对误差(RE)分别降低14.5%和10.8%;结合3次不同类型(对流性、稳定性层状和混合性)降水过程的雷达探测和雨量观测资料,基于0.5~3.5km区间的7个等高面的反射率因子进行降水估测实验显示,基于0.5km高度的反射率因子进行的降雨估测,平均相对误差综合指标最优;通过对2009~2010年主要降水过程的统计分析表明,降低QPE检验样本比例可以提高QPE精度;通过对2008~2009年主要过程QPE误差与雨强的关系实验表明,该算法对5mm以上实况降水的估测效果更好,相对误差为35.7%。      

雷达定量降水估计技术及效果评估

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。     

2009年石家庄暴雪过程降雪雷达估测

介绍了天气形势和采用多普勒雷达资料进行降雪估测的原理,利用雷达与降雪加密观测资料,对2009年11月10—12日石家庄地区暴雪过程采用卡尔曼滤波法进行降雪估测。研究表明：①卡尔曼滤波降雪估测法对石家庄地区的降雪估测效果较好,尤其是对较强降雪（大于等于2 mm/h）的估测。②采用卡尔曼滤波估测法对石家庄地区进行降雪估测,要根据不同的地理特征和雷达反射率因子、回波顶高等特征采用不同的仰角进行降雪估测,与雷达降水估测的仰角选取有一定的差别。因此,充分利用雷达产品与降雪加密观测资料能够估测降雪分布,可以为决策服务提供一定的科学依据。     

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达（CINRAD/SAD）水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络（CNN）,建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet, 并将该架构用于雷达定量降水估测（QPE）,评估结果表明：数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差（RMSE）,并提高相关系数（CORR）;对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差（RMSE）分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6～5 mm、5～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差（RMSE）、平均偏差比（MBR）、平均误差（AE）和相对误差（RE）等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。     

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。     

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%。     

风廓线雷达与多普勒天气雷达风矢产品对比及相关分析

利用成都地区2010年8月和北京沙河地区2011年7—8月风廓线雷达以及多普勒天气雷达的风廓线探测资料,结合对应时段的天气现象相关记录,通过对比分析得到以下结论:①弱降水条件下,在300~2100m高度内,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测具有很好的相关性,风向相关系数平均值为0.596,风速相关系数平均值为0.736,在做预报时两者可以同时应用,互为补充;②强降水天气条件下,风廓线雷达与多普勒天气雷达探测的风向、风速变化趋势基本一致,特别是在300~2100m之间各个高度上风向、风速相关性较好,风向相关系数平均值为0.573,风速相关系数为0.508,且风廓线雷达比多普勒天气雷达探测到的各层风向、风速变化更为详细、直观;③阴天条件下风廓线雷达与多普勒天气雷达的风向、风速相关性低层比高层好;④晴天条件下,风廓线雷达更适合用于预报和监测天气。     

星载雷达在订正地基天气雷达标定误差中的应用

在雷达反射率数据定量应用中,标定误差是导致结果产生偏差的重要原因之一。星载雷达（TRMM PR）长期工作的稳定性和连续性已被验证,本文将星载雷达数据转换到S波段,通过对比星载雷达和南京雷达同时段不同高度（相对于融化层的位置）不同降水类型（层云降水或对流降水）的数据,得到两部雷达对融化层以下层云降水的观测相关性高,差异稳定。通过对比分析星载雷达和南京雷达同时段零度层以下层状云降水的观测数据,得出两部雷达反射率因子值的回归关系式。以星载雷达观测数据为基准,使用该关系式对南京雷达反射率数据进行订正,并通过雨量计数据对订正结果进行验证,结果显示使用本文订正关系式订正后雷达估计的降雨量更接近雨量计的观测值。     

区域天气雷达拼图的应用

通过对 1998年 7月开始实行的全国天气雷达拼图产品的生成、使用方法及存在问题进行分析 ,得出了天气雷达拼图应用的优点 ;大范围天气雷达组网拼图资料比天气图的时空分辨率高 ,能及时掌握天气系统的演变及生消过程 ,有利于预报员分析和制作降水预报。     

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料。但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难。本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其随扫描角、观测时间的变化趋势。研究结果表明,相控阵雷达反射率因子的误差不大、约0.82 dB,而差分反射率因子的误差则高达1.04 dB,并且不同仰角、不同时刻之间也存在一定的波动。为此本文提出了基于S波段雷达实时数据的订正方案,能够较好地解决双偏振相控阵天气雷达的定标问题,为相控阵雷达的业务应用提供了保障。     

基于S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达的超级单体观测分析

利用广州S波段双偏振雷达和X波段相控阵雷达资料,对2022年3月26日一次降雹超级单体风暴成熟阶段的雷达观测特征开展分析,结果表明:超级单体呈现出钩状回波、回波悬垂、中气旋、三体散射等经典结构特征。径向速度上观测到中低层辐合、高层辐散以及中气旋和反气旋共存的双涡旋结构,有助于超级单体的维持发展。偏振特征分析发现,超级单体低层出现了反射率因子(ZDR)弧,低层强回波区对应偏小的差分反射率(ZDR)、低的相关系数(CC)和大的差分相移率(KDP),符合融化的冰雹特征。中层观测到ZDR环、CC环和三体散射(TBSS)的偏振特征。高层强回波区对应低的ZDR、较高的CC和低的KDP,对应空中干的大冰雹。垂直方向上观测到ZDR柱和KDP柱,ZDR柱最大发展高度达到8 km。X波段相控阵雷达更快的扫描速度还精细监测到超级单体钩状回波和中气旋的形成演变过程,低层也观测到与S波段双偏振雷达类似的ZDR弧特征和融化中的冰雹特征,但是使用中要留意衰减造成的影响。     

双基地多普勒雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

以椭球粒子的电磁波散射理论（Gans理论）为基础,考虑粒子群旋转轴一致铅直取向情况下,深入研究散射体对雷达波的侧向散射特性,推导出发射水平偏振波与垂直偏振波时的双基地雷达气象方程,并重新定义相应的雷达反射率因子、侧向反射率-后向反射率之比及差分反射率因子等雷达探测参数的表示式,为进一步研究和应用双基地多普勒天气雷达提供理论依据。     

雷达-雨量计联合估测降水初值场形成方法探讨

在雷达-雨量计联合估测区域降水量中,参加校准的雷达初值场代表性好坏在很大程度上影响了最终的估测精度和雨量分布.作者从参加校准的雷达初值场的基本要求出发,分析了先前几种预处理方法的优缺点,提出一种新的资料预处理方法--时间权重平均法,并用1996～1997年的雷达和地面雨量站实测资料进行了分析.结果表明:该方法充分考虑了雷达和雨量计观测的时间一致性,能够在一定程度上改善雷达估测降水的初值场,提高了估测区域降水量的精度.     

我国地基天气雷达技术系统发展介绍

回顾了我国天气雷达从常规雷达发展到单极化多普勒,再到双极化多普勒,雷达获取目标的参数信息更加丰富的过程。分析了常规、单极化多普勒、双极化多普勒雷达工作原理及其产品信息。对于我国新一代S、C和X波段的天气雷达性能进行了研究对比。阐述了毫米波段多普勒测云雷达工作原理及其产品。对新一代天气雷达网进行了分析及展望,双极化将是我国天气雷达网升级改造趋势,为弥补新一代天气雷达探测盲区,小型移动电扫描雷达也是一种辅助主雷达网可移动灵活布网的趋势。     

上海WSR-88D雷达故障诊断和分析

上海市气象局于1997年从美国引进了一部多普勒天气雷达WSR-88D,该雷达采用24 h连续工作的方式投入日常的业务运行,在天气探测和气象服务中发挥了重要作用。在多年的运行过程中,该雷达也出现了各种不同类型的故障,有些重要故障直接导致了雷达的停机,给气象服务带来了一定影响。文章介绍和总结了该雷达出现的一些主要故障,这些故障集中在雷达发射机部分的射频驱动器、聚焦线圈电源、触发放大器、调制器、后充电调整器等部件上。通过对这些部件的功能和工作原理的分析,详细介绍了分析和排除这些故障的关键技术。     

偏振气象雷达发展现状及其应用潜力

偏振雷达是近二十多年来发展起来的新型天气雷达。由于它的问世，极大地促进了雷达气象和云及降水物理学科的发展，增强了人类认识和抗御天气灾害的能力。本文结合中国科学院寒区旱区环境与工程研究所以及世界各国偏振雷达发展的情况和经验，主要就圆偏振雷达、椭圆偏振雷达和双线偏振雷达的发展现状及其在云和降水物理研究以及人工影响天气方面的应用潜力进行说明，它对我国新兴的偏振雷达的发展和应用事业有一定的指导和借鉴意义。