利用卡尔曼滤波校准方法估算区域降水量

该文根据卡尔曼滤波校准方法估算区域降水量的原理，利用“973”项目野外观测资料对2002年6月22日的一次降水过程进行了试验研究。结果表明:卡尔曼滤波校准方法能提高雷达定量估算区域降水量的精度，并能较好地反映雷达探测到的精细降水场结构；验证了随着观测次数的增加，卡尔曼滤波校准方法估算降水量的精度越来越高。     

用CAPPI的资料估算区域降水量和雷达反射率因子垂直廓线初探

应用上海中心气象台714数字化天气雷达立体扫描资料，分析并比较了单站及区域降水量在不同高度上的差异，并用地面雨量计资料进行了校准，尔后研究了它们的精度。最后初步探讨了上海地区3次降水天气过程中反射率因子Z的垂直分布廓线。     

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。     

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.     

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。     

NCEP R1可降水量与西南地区地基GPS反演结果的比较

NCEP/NCAR再分析资料是国内外广泛应用的再分析资料数据集,提供有自1948年以来的全球可降水量数据,为研究全球和区域水汽分布提供了时空分布均匀的资料。地基GPS反演可降水量是近些年新兴的水汽监测手段。自2007年开始,我国西南地区(四川省、重庆市、云南省、贵州省)的GPS气象观测站网提供该区域全天24h的可降水量资料。本文在分析NCEP再分析资料可降水量与地基GPS反演可降水量算法和生成方式等根本性差异的基础上,对西南地区的NCEP再分析资料与地基GPS反演可降水量数据加以对比研究,发现两套资料能够一致地揭示我国西南地区的可降水量分布形势和季节变化特征,均能很好地反映区域水汽特征和变化。同时还发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演结果具有明显的线性相关特征与一致性。此外,也发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演可降水量结果存在一定的定量差异。      

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.     

沂沭河流域不同多普勒雷达降水量估算方法的效果评估

利用2005年和2006年九次大型降雨过程的多普勒雷达体扫复合仰角的回波强度资料及相应的雨量计观测资料, 通过改进的最佳窗概率配对法、 遗传算法和最优化法分别得到沂沭河流域多普勒雷达降水Z－R关系, 对不同算法的优化结果和降水误差进行比较分析及验证, 并将最优的Z－R关系用于估算区域降水量。同时利用雨量计资料采用卡尔曼滤波、 变分等6种估测方法进行面雨量估算的校正, 并对上述几种方法的估测精度进行比较分析。结果表明: 将地面雨量计观测值作为真值, 在站点降水的估测上, 卡尔曼最优插值法和卡尔曼变分法估测的降水量计算精度最高, 最优插值法和变分法次之, 卡尔曼滤波法和平均校准法的计算精度要低于最优插值和变分法, Z－R关系法的精度最低。在区域面降水量的估测上, 雷达探测到的降水量的分布形势与雨量计得到的降水场比较一致, 但中心的降水强度上有较大的偏差。Z－R关系法的平均相对误差为70.51%。经过雷达雨量计联合校正后, 使估算精度明显提高, 其中卡尔曼最优法计算精度最高。平均校准法、卡尔曼滤波法、最优插值法、变分法、卡尔曼最优法和卡尔曼变分法的平均相对误差分别为: 16.55%、16.27%、13.44%、13.86%、13.16%、13.51%。     

气象遥感资料变分校准方案改进及应用试验

针对常见气象遥感资料变分校准方案的不足，提出了一个改进方案。该方案不需要将校准参照量插值到遥测资料的格点上，既避免了对稀疏的校正参照量进行客观分析的困难，也避免了校正参照量稀缺区域不准确插值分析带来的不利影响，使遥感资料的整体偏差得到修订的同时，能够更好地保持遥测资料的空间分布形态不变。利用国家卫星气象中心通过9210下发的ATOVS反演产品进行了试验，结果表明改进方案校准效果好；并将校准后的ATOVS反演资料用于Grapes三维变分同化系统，应用试验表明校准后的ATOVS反演资料在三维变分同化系统中具有应用价值。     

使用雷达回波三维信息自动识别降水类型的方法

提出了一种使用雷达回波三维信息（反射率因子的水平梯度、垂直递减率、垂直廓线变化特征以及回波顶高等）自动识别降水类型的方法,该方法可将雷达回波划分为热带降水类型、大陆强对流云降水类型和层状云降水类型。基于广州雷达于2008年5—8月观测到的7次强降水过程,在使用本方法识别降水类型的基础上,对不同降水类型使用不同的Z-R关系来测量降水量,即对热带降水类型使用Z=230R^1.25,对大陆强对流云降水使用Z=300R^1.4。以及对层状云降水使用Z=230R^1.6,并以雨量计观测的降水量为真值,与仅区分对流云降水和层状云降水类型并使用双Z-R关系测量降水量的方法进行了比较。结果表明,本方法可以有效地自动识别降水类型的分布区域,并且可以提高雷达定量测量降水的精度。     

西南区域中心模式SWC-WARMS降水偏差分析

本文利用2014—2015年5—10月12(24)h累积降水资料和西南区域模式(SouthWest Center WRF ADAS Real-time Modeling System,SWC-WARMS)36(72 h)预报时效内降水预报资料,从概率和频次角度分析不同海拔高度地区观测和模式降水在量级及空间分布上的特征差异。结果表明,SWC-WARMS模式各预报时效各量级降水的概率密度均比观测偏大,并向10 mm以下雨量集中,且随预报时效延长偏大更显著;模式与观测降水的概率密度曲线差异在盆地小于高原,地形差异小的区域小于地形差异大的区域。SWC-WARMS模式对四川地区降水预报存在雨日较观测明显偏多,量级偏大,降水频次高值区范围偏大、出现虚假高值区等系统性偏差。此外,模式预报在20—08时比08—20时优,24 h累积降水预报优于12 h降水预报,尤以中雨及以上量级降水落区预报为甚。最后,模式极端强降水预报在20—08、20—20时较实况偏大,08—20时,模式预报在盆地较实况偏小,川西高原和攀西地区偏大。     

中国区域高分辨率多源降水观测产品的融合方法试验

高质量、高分辨率降水产品研制对于数值天气模式检验、水文陆面模拟、山洪地质灾害监测有着重要意义。利用中国近4万自动气象站逐时降水资料、中国雷达定量降水估计和CMORPH卫星反演降水产品,开展0.05°×0.05°和0.01°×0.01°两种高分辨率下的三源降水融合方法研究试验,探讨如何有效引入雷达高分辨率信息来提高降水产品质量。一方面,在0.05°分辨率上,先以自动气象站观测降水数据为基准,采用概率密度函数（PDF）匹配法订正雷达和卫星估测降水产品的系统偏差,将雷达降水产品的偏差从-0.05 mm/h降至-0.008 mm/h;再采用贝叶斯模型平均（BMA）方法融合雷达和卫星降水产品,形成0.05°分辨率的中国区域覆盖完整且最优的联合降水背景场。此外,在0.01°分辨率上,以0.05°分辨率的卫星-雷达贝叶斯模型平均联合降水产品为背景,采用1 km雷达估测降水的空间结构信息进行降尺度,亦能有效提高0.01°分辨率背景场的质量。然后,分别以不同分辨率的卫星-雷达联合降水产品为背景,采用统计方法量化误差估计,再采用最优插值方法融入地面观测。通过2419个中国国家级气象台站的独立样本检验,评估了多种类型的降水资料及融合试验产品在中国地区的质量。结果表明,两种分辨率的三源融合试验产品的精度均优于任何单一来源的降水产品,特别是在站点稀疏地区,降水精度均较融合前有显著提高,达到了较好的融合效果,其中在0.05°分辨率上采用“概率密度函数+贝叶斯模型平均+最优插值”方法的三源融合降水产品整体质量最好,而0.01°分辨率上基于“概率密度函数+贝叶斯模型平均+降尺度+最优插值”方法的三源融合降水产品在强降水监测上更有优势。      

三门峡市回流形势下“雷打雪”天气的物理成因

利用高空与地面观测资料、1°×1°的NCEP再分析资料和多普勒雷达资料,从天气形势、物理量场和回波演变特征等方面对三门峡市2013年2月3日回流形势下"雷打雪"天气过程进行了分析。结果表明:500 hPa和700 hPa的低槽是这次暴雪伴雷电天气过程的主要影响系统,地面倒槽与回流冷空气的共同作用是造成此次过程对流发展旺盛的直接原因。地面温度对降水相态的变化有明显的指示意义:在降水相态转变前的1 h内的纯雨阶段,地面温度基本维持在1~2℃之间;在降水相态转变时,地面温度会降至0℃及以下;在固态及固液态混合降水期间,地面温度基本维持不变。逆温层及"上干冷、下暖湿"的垂直结构是判定此次不稳定能量强度的重要依据。雷达风廓线资料显示出此次过程中雷电活动发生在低层冷暖平流交汇处、风切变逐渐加大时,随着风速切变的稳定,以及暖平流的向上扩展,雷电活动结束。     

台风“温比亚”影响山东期间GPM资料的降水分析

为研究GPM（Global Precipitation Measurement）资料对台风雨带降水结构的探测能力,利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018 年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。结果表明：台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水;台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度,基本在7 km以上,最大雨顶高度达到15 km;台风螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主,其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系,对流云的平均降水率是层云的3倍左右,对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区;台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比,具有数量多、密度大、高度高的特点,这与台风螺旋雨带中对流发展旺盛有关;2A DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。研究结果为用GPM产品估测降水结构提供了参考依据。     

Parsivel~激光降水粒子谱仪及其在气象领域的应用

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果,在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。传统的测量方法不适合对大量数据分析寻找规律,德国OTT公司的Parsivel激光降水粒子谱测量系统可以较好解决自动测量难题。该仪器是以激光测量为基础的粒子测量传感器,采用平行激光束和光电管阵列结合,当有降水粒子穿越采样空间时,自动记录遮挡物的宽度,通过穿越时间计算降水粒子的尺度和速度,根据各种参数的综合信息对降水粒子进行分类,并能够以数字形式显示瞬时降水强度、降水粒子总数、累积降水量、降水时的能见度和雷达反射因子,以图形方式显示降水粒子尺度谱、速度谱、降水粒子分类且自动生成天气现象代码,实现天气现象的自动识别。激光降水粒子谱仪主要用于气象水文观测。在雷达气象学领域可用于Z/R关系的拟合修正,比传统的用雨量筒观测数据拟合效果好得多;由降水粒子谱仪测量雨滴的降落速度,可以对天气雷达垂直向上测量的粒子径向速度谱进行校正。人工影响天气的效果检验一直是一个难题,自然降水粒子谱分布形式与人工催化以后的降水粒子谱型理论上应当具有较大的差别,人工增雨作业降水滴谱变化物理响应和降水强度时间变化响应都有明显的区别。如果能够实时检测到这些差别,就能够充分说明人工催化的有效性。未来如果能够进行联网观测记录区域性降水、降雹,就有充分证据表明人影作业的有效性,在定量化作业效果评估以及灾害损失评估等方面应用潜力巨大。利用该仪器已经对一年的自然降水过程进行了连续观测,并将所获得的降水粒子谱、雨滴浓度值随时间变化状况与卫星反演的云顶有效粒子半径时间变化趋势进行了对比,发现有较好的一致性。     

河南省和中国夏季降水类型差异分析

利用河南省1951－1999年38个站点的降水资料，分析了河南省夏季降水距平百分率空间分布，并用EOF对雨量进行分解，同时归类合成，给出了河南省的6种雨型，在此基础上，对比分析了中国雨型和河南省雨型之间的差异。     

辽宁地区暖区和锋面暴雨个例对比分析

2013年7月1—2日,辽宁地区出现了持续时间较长的暴雨天气过程,此次过程可以分为3个阶段,其中包括两次暖区降水和一次冷锋锋面与暖区降水共存的过程,第一阶段的暖区降水和第三阶段的锋面降水形成了西北雨带,第二阶段的暖区降水形成了东南雨带。利用NCEP再分析资料、常规自动站观测资料、加密自动站观测资料和卫星资料,详细分析了此次过程中各阶段降水产生的机制以及锋面降水和暖区降水的主要物理差异。结果表明:暖区强降水主要出现在干线冷湿气团一侧或地面辐合线附近,并且由于暖区高温、高湿的特点,其产生的降水通常比锋面附近强,同时暖区降水与锋面降水在触发机制、中尺度环境条件、动力、热力结构等方面也存在着差异。     

地面和卫星降水产品对台风莫拉克 降水监测能力的对比分析

本文以2009年台风莫拉克为例,利用分布密集的自动站观测降水资料比较分析了国家气象信息中心研发的地面降水分析产品CPAP和卫星反演降水产品CMORPH、FY2C等对强天气过程降水的监测能力.结果表明:CPAP准确地把握了这次台风登陆过程中降水的空间分布和强度,但由于海洋区域无站点分布,CPAP无法展现一个完整的台风降水空间结构;CMORPH能够合理地描述完整的台风降水空间结构及其演变特征,但与地面观测相比,其降水中心的位置差异较大,且量值普遍偏低;FY2C的降水在陆地与海洋出现了严重的结构不连续的现象,对台风降水空间结构的描述不如CMORPH合理.由此可见,选择对降水空间结构描述完整且合理的卫星降水产品与精度较高的地面观测降水融合,结合两者的优势,是发展高质量降水分析产品的一种有效途径.     

山东夏季降水异常的环流特征及降尺度解释应用预测方法研究

基于山东省123个国家级气象观测站1961—2015年夏季降水资料、1991—2015年NCEP再分析资料,分析了山东夏季降水变化特征及其与大气环流的关系。结果表明,在山东夏季降水偏多（少）时,乌拉尔山阻塞高压偏弱（强）,副热带高压偏强（弱）,南亚高压偏强（弱）,并且200 hPa经向风场有明显的类似丝绸之路遥相关型的波列结构。利用国家气候中心第二代海气耦合模式3月起报的未来夏季海平面气压场建立降尺度预测模型,该模型对山东夏季降水的预测符号一致率达到64%,有一定的预测能力,进一步分析发现,模式对关键区环流因子的模拟预测能力显著影响降尺度预测方法的准确率。