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%。     

天气雷达测定区域降水量方法的改进与比较

讨论变分校准法用于雷达－雨量计系统联合探测降水。由雷达反射率因子Ｚ和地面降水强度Ｉ实时地获得最优Ｚ－Ｉ关系，在求解欧拉方程时采用多重网格法，不仅可提高计算结果的精度，还可大大提高计算速度。     

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。     

雷达估测降水集成方法及其效果比较

本文利用主特征提取法、统计权重法、综合概率法等方法，对Z-R关系法、平均校准法、最优插值法、卡尔曼滤波和最优插值联合校准法、卡尔曼滤波校准法降水定量估测模式输出结果进行集成分析。初步结果表明：统计权重法的集成结果与实况地面雨量计测得雨强值吻合较好．可以在估测区域降水量集成分析中进行业务试用。     

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。     

雷达定量测量降水在佛子岭流域径流模拟中的应用

以位于合肥雷达西南100 km的佛子岭闭合流域 (1813 km2) 及该流域的6个子流域为研究区域, 用地面雨量计和雷达-雨量计联合校准两种方法进行流域面雨量计算, 将两种方法计算的面雨量分别作为TOPMODEL (TOPography based hydrological MODEL) 降水-径流模型的输入, 对模型输出结果进行比较。个例分析表明:雷达-雨量计联合测量降水的精度是否高于单独用地面雨量计计算的精度, 在一定程度上取决于用于校准的地面雨量计数目和代表性; 即使雨量计计算的整个流域面雨量与雷达-雨量计联合校准后的结果接近, 对应子流域面雨量的结果仍然会存在差别; 不同方法计算的某一子流域面雨量的差别越大, 则TOPMODEL水文模型输出的该子流域径流深的差别也越大。     

雷达回波强度拼图的定量估测降水及其效果检验

为了得到精度更高的高时空分辨率格点定量估测降水量,需要将雷达资料和雨量计降水量资料进行有效的综合利用。利用广东6部多普勒雷达的回波强度拼图资料和稠密的自动雨量计降水强度观测资料,采用概率密度法建立Z-R关系进行雷达降水估计,并采用客观订正方法利用雨量计资料对雷达降水估计进行校准。交叉检验表明：利用雨量计对雷达降水估计进行客观方法订正可以取得比单纯用雨量计资料进行OI插值好的效果。OI雷达订正法较优。     

基于最优插值的雷达定量降水估测订正及应用——以广元市为例

采用基于自适应相关函数的最优插值法对四川广元的雷达定量降水估测进行实时订正并评估其效果。结果表明,该方法有效改善了雷达定量降水估测对弱降雨高估、对强降雨低估的问题,提高了降水估测精度,同时可以更好地模拟降水空间分布特征和时空变化;研究建立的自适应相关函数模型可以根据测站分布情况动态计算最优权重因子,降低了雷达-雨量计联合校准法对测站分布的要求,便于在不同地区开展实际业务应用。      

提高最优插值法测量区域降水量 精度的探讨

首先从理论上研究了要素场相关函数和校准雨量站的分布对最优插值中最优权重系数的影响,然后用3种相关函数模型对1996～1997年收集的113个时次的雷达和雨量计资料进行计算、检验。结果表明:采用自适应相关函数模型的最优校准法可以有效提高区域降水量的测量精度。另外,通过对大误差的产生原因分析,给出合理设置自动雨量站的建议和解决边界测量精度较低的方法。     

新一代天气雷达定量降水估测集成系统

降水的定量测量是天气雷达的重要应用之一,新一代天气雷达定量降水估测集成系统(QPEGS)是一套基于新一代天气雷达的雷达雨量计联合估测降水软件,利用多种雨量计校准雷达降水的方法,生成1小时降水分布。其产品的时间分辨率达10分钟,空间分辨率1 km×1 km,适合省市级业务台站使用。过去3年的数据评估表明:校准雨量计数量和估测精度有明显正相关,校准雨量计数越多,降水估测精度越高,2003年的小时降水估测误差约40%,过程降水量的估测误差小于20%;雨量计密度保持不变的情况下,降水时段越长,降水区域越大,降水估测的精度也越高。     

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。     

Delaunay三角剖分法在降水量插值中的应用

Delaunay三角剖分方法在空间分析中具有重要地位,文中简要介绍了Delaunay三角网特性和常用的3类算法,并对随机增长法实现过程进行了详细阐述.根据三角分片线性插值原理,求得插值系数,实现对任意点的三角分片线性插值.利用2008年中国2200个观测站的08时24 h降水量资料,对全中国范围及划分的8个区域内相应的0.28125°×0.28125°降水量格点场,使用交叉检验方法,对比分析了三角分片线性插值和反距离权重法的估值准确率.结果表明:在各区域,三角分片线性插值法的均方根误差偏小;在站点较密集的区域,均方根误差、平均绝对误差比较中,三角分片线性插值都有一定的优势;在平均误差对比中,三角分片线性插值优势明显,在全中国范围交叉检验中,三角分片线性插值法对应的年平均误差是0.005 mm,而反距离权重法为-0.107 mm,对其可能的原因进行了分析,证明了Delaunay三角剖分法的合理性.同时,从图形上展示了降水量的Delaunay三角网的三维结构图和三角分片线性插值后的格点场,在直观上,Delaunay三角剖分后得到降水分布和实况保持一致,并有较好的视觉效果;通过三角分片线性插值得到的格点场降水量分布图,克服了反距离权重法的固有缺陷,使获得的降水量格点场趋于合理,提高了插值精度.最后,探讨了Delaunay三角网在气象领域的应用前景.     

SVD Iteration Model and Its Use in Prediction of Summer Precipitation

A new short-term climatic prediction model based on the singular value decomposition （SVD） iteration was designed with solid mathematics and strict logical reasoning. Taking predictors into prediction model, using iteration computation, and substituting the last results into the next computation, we can acquire better results with improved precision. Precipitation prediction experiments were separately done for 16 stations in North China and 30 stations in the mid-lower catchment of the Yangtze River during 1991-2000. Their average mean square errors are 0.352 and 0.312, and the results are very stable. Mean square errors of 9 yr are less than 0.5 while only that of 1 yr is more than 0.5. The mean sign correlation coefficients between forecast and observed summer precipitation during 1991-2000 are 0.575 in North China and 0.623 in the mid-lower catchment of the Yangtze River. Librations of them in North China during the 10 years are small. Only in 1996 the sign correlation coefficient is below 0.5; the others are all over 0.5. But sign correlation coefficients in the mid-lower catchment of the Yangtze River vary obviously. The lowest is only 0.3 in 1992, and the highest is 0.9 in 1998, As the distribution of the forecast precipitation anomaly field in the summer 1998 of is examined, it is known that the model captured the positive and negative anomalyies of precipitation, and also well forecasted the anomaly distributions. But the errors are obvious in quantities between the forecast and the observed precipitation anomalies. Climate characteristics of large scale meteorological elements, such as summer precipitation have obvious differences in spatial distribution. We can forecast better if we divide a big region into many subregions according to the discrepancy of climatic characteristics in the region, and predict in each subregion. The research shows that the model of SVD iteration is a very effective forecast model and has a strongly applicable value.     

基于Shepard和OI方法对雨量计逐时资料的分析

引入地形影响效应的日降水量气候分析场,分别运用Shepard和最优插值(OI)两种插值方法对广东和广西2007年5月20日—8月30日汛期小时雨量计降水量进行插值,得到0.125°×0.125°分辨率的规范化网格资料。结果表明:无论是直接插值还是用降水比率(地形影响效应的日降水量气候分析场)插值,两种方法均能很好地体现广东和广西雨量计站点观测降水的季内变化和日变化特征。虽然用直接插值方法比用降水比率插值方法得到的降水空间分布更为平滑,但估值精度没有用降水比率插值方法高。通过交叉检验进一步表明,总体上OI方法优于Shepard方法,而考虑地形影响效应的降水比率OI方法为最优,能有效提高相关性,并减少均方根误差和系统误差。     

中国区域高分辨率温度实况融合格点分析产品质量评估

采用两种插值方法将2018年2m气温实况融合格点分析产品插值到2380个国家级考核站,通过相关系数、平均值误差、平均绝对误差、均方根误差及准确率等指标对该产品进行评估。结果表明:利用邻近插值法得到的评估结果略优于双线性插值法,实况融合格点分析产品的评估结果具有一定的日变化和月变化。总体而言,逐小时实况融合格点产品与站点实况基本一致,具有较高的参考性,其相关系数达到0.99以上,均方根误差在1℃以下,2℃以内准确率达到98%以上,1℃以内准确率达到95%以上。分省和分海拔评估结果表明,评估结果随海拔高度的增加而变差,因此在海拔较高、地形较复杂区域、气象站较稀疏区域应用该产品时应谨慎;由小时实况融合格点产品获得的日最高、最低温度也有很高的指示性;该产品对高温过程也有较好的监测能力。      

多源融合格点实况数据在四川高温过程的适用性分析

利用1km和5km多源融合格点实况数据和四川地面观测站点资料,采用预报准确率、平均绝对误差、均方根误差和Alpha Index(AI)等统计量,选取2020年夏季四川2次高温天气过程对多源融合格点实况数据的质量进行了检验评估。研究结果表明:多源融合格点实况数据利用邻近插值方法插值到站点优于双线性插值;误差大值区主要位于高海拔地区,如川西高原、攀西地区及盆地山周;AI指数接近于0,多源融合格点实况数据没有随机误差,较为接近理想值;1km分辨率融合格点实况数据在四川的适用性优于5km,误差≤2℃的准确率可达98%,且均方根误差< 1。      

不同空间插值方法对重庆地区降水的适用性分析

利用中国气象局全国综合气象信息共享平台（CIMISS）提供的1981~2018年重庆地区35个国家气象站逐日降水资料,采用最小曲率插值法、径向基函数插值法、克里金插值法、局部多项式插值法、反距离加权插值法以及改进的Shepard插值法,对平均累计降水、降水极值以及夏季极端降水空间插值模拟结果进行交叉检验。结果表明:空间插值方法在渝西和渝中大部分地区以及长江沿线地区适用性较好,在渝东北、渝东南地区北部以及渝西地区南部的山区适用性较差。对于平均累计降水,各插值方法的均方根误差随着降水量的增加而增大,其中最小曲率插值法整体表现最为稳定,最小曲率插值法在渝东南、渝中以及渝西地区最为适用,径向基函数插值法在渝东北地区最为适用。对于降水极值,量级模拟最好的插值方法为径向基函数插值法,位置模拟最好的方法为最小曲率插值法。对于夏季极端降水,最小曲率插值法插值结果与实况最为接近。      

重庆山地区域气象要素空间插值方法对比

利用重庆地区1999年和2018年气象数据, 分别采用薄盘光滑样条、协同克里金、普通克里金、反距离加权4种方法, 从年和月两种尺度对气温、降水、太阳总辐射三个要素进行空间插值; 采取交叉验证方法, 用MAE、MRE、RMSE评估插值精度, 确定各要素最优插值方法。结果表明: 气温和太阳总辐射最优插值方法为薄盘光滑样条, 降水为反距离加权; 插值精度上气温、太阳总辐射高值月份优于低值月份, 降水则相反, 但三个要素均表现出年尺度优于月尺度。MRE检验表明, 插值精度为气温>太阳总辐射>降水, 1999年年尺度插值精度分别为1.86%、4.60%、6.87%, 月尺度插值精度分别为2.79%、5.82%、17.42%;2018年太阳总辐射年、月尺度插值精度分别为3.03%、4.88%, 区域站加密后气温、降水年尺度插值精度分别为2.03%、11.20%, 月尺度对应插值精度分别为3.20%、23.14%。     

陇西祖厉河流域降水插值方法的对比分析

降水作为五水转化和水量平衡的一个组成部分,在土壤-植被-大气连续体物质与能量转化中起着重要的作用,是分布式水文模型中的重要参量.本研究选择了陇西黄土高原祖厉河流域,采用5种空间插值方法,对该区域降水的时空分布规律进行研究.经分析比较,空间插值法中趋势面方法最佳.趋势面方法经统计模型调整,使得降水模拟精度有所提高.从模拟结果来看:该流域降水呈现明显的纬度地带性分布,自南向北逐渐减少;降水受地形影响较大,海拔高度每降低100 m,降水量平均减少20 mm;流域绝大地区多年平均降水量分布在280～430 mm范围内.该高时空分辨率的降水模拟模型对区域水资源分析及生态环境治理有着重要的意义.