郴州天气雷达估测降水量误差分析

新一代天气雷达系统使用Z-I关系式反演降水,在估测降雨时不同地域具有不同误差;在观测降水时受到水平阵风或短时大风、回波强度、地形、大气折射等因素影响,可能降低雷达定量估测降水的精度。本文利用湖南郴州雷达基数据不同低仰角反射率因子分别估算出降水量,对比分析了不同仰角雷达反演估测降水量与自动雨量站雨量数据之间的误差。通过对雷达估测降水的误差来源分析、估测降水误差并应用数学统计分析误差,初步得出:2.4°仰角估测降水与雨量站的观测数据线性相关系数最高,雷达估测的降水较为真实。而0.5°、1.5°仰角受地型影响估测降水可行性不高。     

高山雷达站选址对估测降水的影响分析

高山雷达站天线高度对雷达的垂直探测范围影响较大,加之中小尺度灾害性天气演生、发展的关键区域在高度1500~4500 m左右,所以高山雷达站在选址时应考虑当地零度层平均高度和雷达的垂直探测范围。通过定量估测层状云降水的个例实践,发现探测高度会限制定量估测降水,探测高度对近距离降水估测影响较小,但对远距离降水估测影响较大,原因主要是雷达的垂直探测范围及当地零度层亮带高度的影响。故在高山雷达站选址中应考虑雷达的垂直探测范围及当地零度层亮带高度的影响,同时对已建设完成的高山天气雷达应考虑对高山雷达做0°仰角的观测可行性研究。     

超低仰角扫描改进雷达观测台风的探讨

利用长乐雷达超低仰角探测资料,对比分析了台风"海棠"和"蔷薇"的超低仰角和0.5°仰角PPI回波资料的差别。结果表明,在不受或尽量少受地物影响的情况下,雷达合理选用超低仰角探测是可行的,且在低层降水回波探测方面效果较0.5°仰角好,特别在远距离探测能力方面有明显改进,一般在距离>100km后探测能力较0.5°仰角有明显优势。雷达超低仰角反映出的台风云块的分布比较清晰,雷达加入超低仰角探测对台风低层探测和预警有一定程度的改进。降低0.12°后的超低仰角探测可提前台风预警时间和提早约2～6个体扫;提高台风探测范围约1.09倍,其他几次体扫的对比情况也反映出降低仰角,0.31°仰角比0.48°仰角提高台风"蔷薇"探测范围约为2.1%～9.6%。雷达超低仰角提高探测台风云体低层结构的同时,更易受近距离海浪杂波的影响,海浪杂波有时可能干扰对台风结构的判断,应引起注意。在选取多大的超低仰角时,应兼顾二者关系。     

利用低仰角扫描改进高山雷达低层回波探测能力浅析

应用昆明高山新一代天气雷达探测大范围暴雨个例的0.仰角资料,与我国高山雷达目前采用最低仰角为0.5°扫描模式(VCP11或VCP21)的回波分布情况进行了对比分析.结果表明:在雷达警戒区域,0°较0.5°仰角能更早地发现过程的降水云系;0°或负仰角能明显提高高山雷达远距离回波探测效果;低仰角(文中指低于0.5°仰角)可弥补常规业务扫描模式下高山雷达探测低层回波能力不足的问题.对另一次文山雷达对冰雹过程的探测分析,可见低仰角扫描模式对强对流天气也能获得较好的低层探测效果.又通过实验获得云南另外4部高山雷达的0°仰角及负仰角睛空资料,分析了高山雷达晴空资料的0°及负仰角低层回波资料质量.发现受周围山脉影响,不同高山雷达最佳探测低仰角是不同的,实际业务工作中应根据当地地形的具体情况选取恰当的低仰角.     

新一代天气雷达负仰角探测能力分析

由于地球曲率的影响,当CINRAD.SA新一代天气雷达使用目前最低仰角同定为0.5°的模式探测时,探测肓区较大,对低层降水回波的探测能力严重不足.在实地展开试验的基础上,推导了负仰角探测时雷达最低探测高度计算公式,计算出仰角为0.5°、0°、-0.3°、-0.5°时不同探测距离上的雷达最低探测高度,对比分析不同仰角观测模式的主要雷达产品特点,探讨新一代天气雷达使用负仰角观测模式的局限性,提出了新一代天气雷达使用负仰角观测的建议.     

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%。      

基于高分辨率高程数据统计分析新一代天气雷达组网的地形遮挡影响

新一代天气雷达由于受到地形限制产生波束遮挡导致波束能量衰减,从而造成雷达探测回波强度偏弱、雷达定量估测降水结果失真,因此对于雷达波束遮挡情况的统计和分析是一项重要的基础研究工作。利用SRTM （Shuttle Radar Topography Mission）数字高程数据对中国目前业务运行的212部新一代天气雷达波束遮挡情况进行模拟计算分析。计算结果包括雷达单站遮蔽角、VCP21模式0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°仰角波束遮挡率、混合扫描及分区混合扫描波束遮挡率、雷达单站探测范围覆盖情况;计算并绘制全国天气雷达组网遮挡率拼图,统计全国天气雷达组网遮挡情况;利用2019年8月广东省11部天气雷达基数据对比验证单站及组网遮挡计算结果。结果表明雷达组网探测面积覆盖率超过70%,整体覆盖效果较好,遮挡计算结果与实际数据对比验证结果高度一致,对雷达数据订正、降水估测等产品具有正贡献。      

利用CINRAD／CB雷达产品对通辽地区一次降雪过程的分析

利用CINRAD／CB雷达产品对通辽地区2007年11月19日一次降雪过程的分析得出：基本反射率因子产品清晰地反映了这次天气过程的开始、发展与结束,可以用来确定降水回波的移动以及未来的趋势;并且通过不同仰角产品的对比可以判断云层的高度、厚度及强度（0．5°仰角产品探测到的云范围要比1．5°、2．4°仰角产品所探测到的大,0．5°仰角产品探测到的云多为低层云系）。速度图产品能够判断大气中的冷暖平流、层结稳定性、某一高度层的风向风速,以及存在的低空急流。对降水过程的预测与监测提供了十分有利的科学依据。     

利用深度学习开展偏振雷达定量降水估测研究

利用2018—2020年经偏振升级改造后的广州S波段双偏振雷达（CINRAD/SAD）82892个体扫的0.5°仰角数据,以及雷达100 km探测范围内1109个雨量站共计538560个分钟雨量数据,分别构建了单参量、三参量雷达定量降水估测（QPE）深度学习网络架构（Z-Rnet、K_DP-Rnet、Pol-Rnet）,并以K_DP=0.5°/km为阈值分别训练得到大雨、小雨、总体等9个定量降水估测模型。在常用的均方误差作为损失函数的基础上,对不同降水强度采用不同权重提出了自定义损失函数,并利用比率偏差、相对偏差、均方差、平均绝对误差和平均相对误差作为评价指标对模型进行评估。通过对以积层混合云为主、以对流云为主和以层状云为主的3次降水过程的模型验证结果表明,利用深度学习训练的模型有较好的定量降水估测效果,区分雨强的小雨、大雨模型比不区分雨强的总体模型的效果要好。采用自定义损失函数模型效果更好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用传统均方误差损失函数提升了8.62%、12.52%、16.34%。自定义损失函数中,采用Z_H-Z_DR-K_DP三参量网络架构训练得到的定量降水估测模型效果最好,其均方差、平均绝对误差和平均相对误差分别较采用Z_H的单参量Z-Rnet架构提升6.82%、8.43%、7.22%;较采用K_DP的单参量K_DP-Rnet架构提升12.33%、17.61%、17.26%。      

利用多普勒雷达定量估测降水试验

利用南昌多普勒雷达体扫资料和抚州市气象台站自记雨量资料,建立了定量估测降水方程,在抚河流域的不同区域进行了定量估测降水对比试验,据此给出了有利人工增雨作业的多普勒雷达产品判据。结果表明,综合利用多仰角基本反射率、回波顶高和垂直积分含水量进行定量估测降水,效果明显好于单独利用单仰角基本反射率估测定量降水。在降水量≤3 mm时,综合定量估测降水值、常规定量估测降水值与实测降水值比较吻合;在降水量>3 mm、特别是出现较大降水(>5 mm)时,与常规定量估测降水值相比,综合定量估测降水值更接近实测降水值。     

近四十年我国东部盛夏日降水特性变化分析

基于中国地区740台站的日降水资料,细致分析了近40年我国东部盛夏即7、8月份降水长期趋势和年代际变化特征。按小雨、中雨、大雨以及暴雨降水强度分类,探讨了不同强度降水在我国东部降水变化中的贡献。结果表明,中国东部地区盛夏降水变化主要受暴雨强度降水变化的影响,占总降水变化60%以上。近40年来,盛夏长江流域降水量、 降水频率、极端降水频率以及暴雨降水强度均呈增大趋势,在华北地区则呈减小趋势,除降水频率在长江流域的变化趋势绝对值比华北地区小外,另三个指标在长江流域的趋势变化值大约是后者的2倍。降水强度在中国东部表现出一致的增大趋势,但华北地区增大趋势不显著。华北地区降水的减少主要是小雨强度降水频率减小的结果,强降水的频率和强度在该地区也呈微弱的减小趋势,其中小雨强度降水频率减小趋势大值中心值达到-3%/10a,比中雨以上强度降水频率变化趋势值大一个量级;长江流域降水的增多,是各强度降水频率和强度增大共同作用的结果。长江流域和华北地区在区域平均降水频率、降水强度、极端降水频率、最大降水量的时间序列上,彼此均为负相关关系,其中降水频率和极端降水频率序列在两区域的相关系数通过99%的信度检验。Mann-Kendall检验表明,除华北地区降水强度外,其他降水指标均存在显著的年代际跃变。与1970年代末的气候跃变相对应,华北地区降水频率较之长江流域的跃变明显;但长江流域极端降水在1970年代末的跃变较之华北地区更显著,其降水强度、极端降水频率以及最大降水量均于1970年代末期前后发生显著年代际跃变。     

Intra-Annual Variability of Diurnal Cycle Precipitation over China from 1960–2000

Characteristics of diurnal cycle precipitation over China are investigated using twice-daily observations by the China Meteorological Administration during 1960–2000. Characteristics investigated include nighttime/daytime precipitation amount（PA）, intensity, and frequency. Geographically, the region is separated into western and eastern China by the 110°E longitude. Our analysis shows that there generally is more night-time than daytime precipitation in western China, particularly in the Sichuan Basin. Over eastern China, the opposite holds true, particularly along the southeast coast. Regional average monthly daytime and night-time precipitation peaks in the same month for both western and eastern China. Over western China, monthly night-time precipitation is always greater than that during daytime, but the night-time precipitation frequency（PF） is only greater in non-summer（June–August） months. Over eastern China, daytime precipitation is greater than that in the night-time during the warm season（May–August） in both amount and frequency. The night-day difference（night-time minus daytime） in PA over western China is mainly influenced by precipitation intensity, while over eastern China the night-day difference in rainfall amount is mostly driven by PF.     

中国夏季模式降水方案的应用分析研究

通过对我国夏季一次连续降水过程的模拟分析。研究了不同云降水方案在中国区域的应用特征。结果指出,使用不同的积云对流参数化方案。模拟产生的积云降水是有差异的。并且由于积云对流参数化方案的不同,也会引起网格尺度降水产生差异。     

近45年来河北省极端降水事件的变化研究

利用河北省1961-2005年逐日降水资料,采用通用的极端气候指数,分析了近45年河北省极端降水事件频率变化的时空特征.结果表明,全省平均年最大日降水量呈下降趋势,1980年为由多向少的转折点;强降水日数和暴雨日数变化不大,但南部平原地区一般减少,北部山地区域多有增加,暴雨日数和强度在1990年代中后期显著增加;降水日数有较明显减少,南部和东南部平原减少更显著;降水日数的减少主要是中、小雨(雪)日数减少造成的.这些结果说明,河北省强降水日数和暴雨日数在降水日数中的比重有增大趋势,强降水量和暴雨降水量在总降水量中的比重可能增加了.这种相对增加趋势主要发生在1990年代中期以后.     

1960—2008年淮河流域极端降水演变特征

采用地理空间统计、时间序列分析和趋势诊断等方法,研究1960—2008年淮河流域极端降水时空演变特征:流域大部分地区全年及四季的极端强降水量、降水强度、强降雨日数无明显变化趋势;≥15 d的持续无降水事件发生次数由南向北递增,平均每年2~5次,冬季最多、夏季最少;≥5 d的持续降水事件由东北向西南递增,平均每年1~8次,潢川—正阳—郑州一线的西北部秋季最多,其他地区夏季最多;40%的站点持续无降水事件有明显增多趋势,气候倾向率为0.22~0.60次/a,且大多在1970s发生气候突变;30%的站点持续降水事件有明显减少趋势,气候倾向率为-0.24~-0.70次/a,普遍无气候突变;持续无降水(降水)事件与年降水总量没有明显的联系。     

Warm-Season Diurnal Variations of Total,Stratiform, Convective,and Extreme Hourly Precipitation over Central and Eastern China

Diurnal variations in amount, frequency and intensity of warm-season hourly precipitation(HP) at seven levels, which are defined as HP 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 20 and 50 mm, are revealed based on no less than 30 years of hourly rain-gauge observations at national stations over central and eastern China(CEC). This study investigates the variations, relationships, differences and similarities of total, stratiform, convective and extreme HP over the entire CEC and various subregions. Results indicate that the variations in the amount and frequency of HP at the seven levels over the entire CEC all display a bimodal feature. For various regions, the variations of total HP mostly feature two peaks, while convective HP mainly occurs in the late afternoon and determines the diurnal variation of total HP intensity. On the basis of the primary peak time periods of HP frequency at all levels over different subregions, the variations can be classified into three main categories: late-afternoon primary peak, nocturnal primary peak, and time-shifting primary peak. However, the variations over some coastal regions like the Liaodong Peninsula, the Shandong Peninsula, and the coastal regions of Guangdong, distinctly differ from those over their corresponding larger regions. Overall, the normalized diurnal variation amplitude of amount and frequency increases with the increasing HP intensity; convective precipitation can be represented by HP 10 mm; and the intensity of HP 50 mm is slightly larger during the nighttime than during the daytime over the entire CEC. In northern China, diurnal variation in HP 5 mm can represent well that in convective precipitation.     

肇州降水集中度和集中期的气候特征分析

对近50年来肇州降水的集中度和集中期进行了计算分析,结果表明:近50年来,降水的集中程度有下降的趋势,集中期有提前的趋势。集中度和集中期分别存在着11a和14a左右的年代际尺度周期变化。肇州的年降水量呈下降趋势,肇州降水集中度和集中期与年降水量有很好的正相关性,年降水总量比较大的年份,降水集中程度相对较高。     

利用星载测雨雷达探测结果对夏季中国南方对流和层云降水气候特征的分析

本文利用热带测雨卫星(TRMM)上搭载的测雨雷达(PR)十年的探测结果, 对夏季中国南方对流降水和层云降水的气候特征进行了分析。研究结果表明:夏季中国南方层云降水频次较对流降水频次高出两倍以上, 而对流降水强度至少是层云降水强度的4倍; 就整个中国南方而言, 这两种类型的降水对总降水量贡献相当。日变化分析表明夏季中国南方大部分地区的对流降水主要出现在午后, 层云降水出现时间并不集中, 但这两类降水的频次日变化均显示了明显的地域性特征; 对降水廓线日变化的分析结果表明, 对流降水和层云降水廓线的日变化主要表现在“雨顶”高度的日变化, 即对流降水云的厚度有明显的日变化变化特征, 不同地区的降水廓线存在明显的差异。降水率剖面分析结果显示了对流降水的“雨顶” 高度日变化较层云降水剧烈, 降水率的日变化则相反, 且层云降水率的地域性特征更强。     

1961-2015年陕西省不同等级降水事件变化特征

利用19612015年陕西省70个气象观测站的逐日降水资料,采用线性倾向估计、趋势分析及Mann Kendall等方法,分析了陕西省不同等级降水量、降水日数及降水强度的气候变化特征。结果表明：无论是降水量、降水日数,还是降水强度,均呈现出南多北少的分布特征,且随着降水级别的逐级增加,地区分布差异逐渐增大;整体上降水量和降水日数呈现出减少趋势,其中降水日数的下降趋势均非常显著,全省年均降水日数的气候倾向率达到了-3.83天·10a-1,通过了0.01的显著性检验,降水强度的增加趋势通过了0.05的显著性检验,每10 a全省年均降水强度增加0.15 mm·d-1;陕西降水量及降水日数的减少主要体现在春秋两季小雨及中雨的减少上,小雨降水强度在夏、秋两季的气候倾向率分别为0.05和0.04 mm·d-1·10a-1,其上升趋势分别通过了0.01和0.1的显著性检验,这是年均降水强度上升的主要原因;陕西年均降水量及降水日数自1984年出现了突变性下降,而降水强度的突变则出现在2004年,之后一直呈现持续的上升趋势。     

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。