TRMM卫星微波成像仪资料的陆面降水反演

为了探讨微波亮温与降水的关系,用TRMM卫星上微波降水雷达PR、微波辐射计TMI资料和973资料组提供的2002年6～7月120站的每小时自记降水记录,采用逐步回归方法,反演陆面降水.通过资料匹配分析显示,由于时空匹配问题,站点降水与微波辐射计亮温及亮温的组合因子的相关性并不高,明显低于TRMM卫星的测雨雷达PR与微波辐射计亮温及其组合因子的相关程度,因此仅用微波亮温和站点降水难以建立较好的反演算式.结合时空匹配较好的TRMM卫星降水雷达PR、微波辐射计TMI资料,建立新的算式,并且和其它算式进行比较.就反演降水结果而言,新算式比原有算式有一定改善,但对6～10 mm/h的降水来说,新算式与原有算式反演结果都较差.     

TMI降水结构的反演算法和最佳分辨率选取个例试验

利用热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）和星载测雨雷达（PR）资料,选取了2003年出现在西北太平洋亚洲季风区的热带气旋ETAU（T0310）,采用间接对数组合方案建立了多频道线性回归算式,对4种不同分辨率（0．1°、0．2°、0．25°、0．5°）进行了TMI反演降水试验。结果表明,间接对数组合法能够较好地表征降水区的范围和强度分布,且反演结果稳定,是由微波亮温资料反演洋面降水的一种较为理想方法。采用0．2°和0．25°分辨率反演降水效果相对较好,具有实际应用价值,能对降水的宏观特征做出一定的指示。本文结果对于利用卫星微波遥感资料反演降水的研究具有一定参考价值。     

LAPS云分析中卫星资料的应用及对GRAPES模式短时预报的影响

通过2013年5月16日广东暴雨个例,利用LAPS分析系统在GRAPES背景场的基础上融合了地面、探空、雷达和卫星资料,比较了LAPS分析系统是否融合卫星资料的云微物理变量(云水、雨水、云冰、云雪)差异;进一步对比讨论了模式提前6 h滚动预报与LAPS反演的云微物理变量的异同,在此基础上探讨了两者对模式降水预报的影响。结果发现,LAPS分析系统融合了卫星资料后,能较好地再现中尺度云团的形态和强度,且能减少一些云微物理变量(云水、云冰、云雪)的虚假中心,大值中心与强降水中心吻合较好;模式滚动预报与LAPS反演的云微物理变量水平和垂直分布差异较大,后者的分布形态基本与观测降水、雷达回波相似,大值中心与强降水中心吻合较好;从两者对模式降水预报的效果来看,LAPS分析的云微物理变量作为模式初始场中的云参数,能改善模式1 h的降水预报,而模式滚动预报的云微物理变量对模式降水预报基本没改善。      

IMERG卫星降水产品在我国梅雨极端降水期的适用性评估

为考察GPM卫星降水产品IMERG在梅雨极端降水期的适用性,以中国自动气象站观测数据与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集资料作为参考,采用均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE统计指标,对IMERG卫星降水产品在长江中下游地区2020年梅雨极端降水期的适用性进行评估。结果表明:IMERG卫星降水产品整体上与实测结果趋势一致,对于12 h和24 h累计降水,在强降水区域易出现高估。反演的3 h累计降水与实际降水一致性较好,累计降水量大于20、50、80、100 mm四种情况下的RMSE和MAE平均值均为10 mm左右。     

基于雷达组网拼图的定量降水反演Ⅱ:方案改进及综合评估

为提高雷达定量降水反演精度,结合多普勒天气雷达组网拼图资料与地面加密自动站降水观测资料,在利用最优化法建立辽宁本地化动态Z-I关系基础上,进一步优化雷达定量降水反演方案,分别开展了分雷达回波强度等级与分地理区域优化降水Z-I关系研究。结果表明:两种优化方案的定量降水反演评估指标均有所改善,整体而言,优化方案有效降低了雷达定量降水反演误差,降水反演能力得到进一步提高。2013年辽宁抚顺"8. 16"典型强降水个例定量降水反演结果显示,两种优化方案反演降水的空间分布形势与地面降水实况场更加接近,尤其弥补了单一动态Z-I关系法对20. 0 mm·h^-1以上量级强降水落区范围以及40. 0 mm·h^-1以上量级超强降水中心反演不足的问题,采用优化方案后的各项评估指标均大幅提升,明显改善了雷达定量降水反演的不确定性,降水反演效果具有更强的稳定性和可靠性,为灾害性短时强降水天气事件短临预报预警提供了定量参考。     

TRMM卫星对青藏高原东坡一次大暴雨强降水结构的研究

利用热带测雨卫星（TRMM）探测资料,NCEP、ERA-Interim再分析资料,结合C波段多普勒雷达和其他地面观测资料,研究了2013年7月21日发生在青藏高原东坡的一次大暴雨强降水结构。结果表明,高能、高湿的不稳定大气在700 hPa切变线及地面辐合线的触发下产生了此次大暴雨,降水具有明显的强对流性质。从水平结构来看,降水系统由成片的层云雨团中分散分布的多个对流性雨团组成,对流样本数远少于层云,但平均雨强是层云的4.7倍,对总降水的贡献达到25.6%;以超过10 mm/h雨强为强度标准,3个20-50 km、回波强度在45-50 dBz的β中尺度对流雨团零散地分布在主雨带中,对应 < 210 K的微波辐射亮温区和≥ 32 mm/h的地面强降水;对流降水的雨强谱集中在1-50 mm/h,其中20-30 mm/h的雨强对总雨强的贡献最大,这与中国东部降水有着显著区别,而90%的层云降水的雨强均小于10 mm/h。从垂直结构来看,对流降水云呈柱状自地面伸展,平均雨顶高度随地面雨强的增强而不断升高（5-12 km）,强降水中心区域的质心在2-6 km;降水廓线反映出强降水系统中降水主要集中在6 km以下高度范围,且降水强度在垂直方向分布不均匀,对流降水和层云降水的强度随高度升高的总趋势是趋于减弱,但在一定高度范围内,对流降水强度随高度升高而增大,并且在多个地表雨强廓线中都有体现。此外,地基雷达的探测结果也表明了强降水的低质心特点及显著的逆风区演变特征,这是对TRMM PR探测的验证和补充。      

中国区域小时降水量融合产品的质量评估

基于全国自动站观测降水量和CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料,采用PDF(probability density function)和OI(optimal interpolation)两步融合方法生成了中国区域1h、0.1°×0.1°分辨率的降水量融合产品.本文分别从产品误差的时空分布特征、不同降水量级和不同累积时间下的产品质量、三种站网密度下的融合效果以及对强降水过程监测能力等方面对比评估了融合降水产品质量.结果表明,融合降水产品有效利用了地面观测和卫星反演降水各自的优势,在降水量值和空间分布上均更为合理;融合产品平均偏差和均方根误差均减小,随时间的变化幅度不大且区域性分布特征减弱;融合产品与融合前的卫星反演降水产品相比在中雨(1.0～2.5 mm/h)、中到大雨(1.0～8.0 mm/h)、暴雨及以上(≥8.0 mm/h)的相对误差分别为-1.675％、小于15.0％、30.0％左右,且随着累积时间的增加,产品质量进一步提高;该产品能准确抓住强降水过程,在定量监测强降水中具有优势.     

TMI微波亮温反演热带气旋KUJIRA(T0302)降水结构

利用热带降雨测量卫星的微波成像仪(TMI)和星载测雨雷达(PR)资料,选取2003年第2号热带气旋KUJIRA降水个例,采用高频通道直接组合方案和全通道间接对数组合方案建立了多频道线性回归算式,对4种不同分辨率(0.1、0.2、0.25、0.5)进行了TMI反演降水试验。结果表明,运用全通道间接对数组合法反演降水效果明显优于常用的高频通道反演效果,且更稳定,因此,低频通道微波信息在降水反演中的作用是不可忽视的。运用0.2和0.25分辨率反演降水效果优于0.1和0.5分辨率,其中0.2分辨率更具实际应用价值。     

利用微波成像仪资料反演台风Aere(2004)降水水平结构

利用热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）和星载测雨雷达（PR）资料，从台风Acre（2004）接近台湾岛的观测资料中选取3个时次的数据，采用4种不同方法进行TMI反演降水试验。结果表明，常用的仅用高频通道反演降水方法的效果并不理想，多通道直接组合法的反演结果虽然稳定性很好，但始终无法达到最佳，多通道直接对数组合法的反演结果虽然有时较好，但反演结果不稳定，而多通道间接对数组合法既可以较好地表征弱降水区的范围和强度分布，又能描绘强降水区的位置，且反演效果稳定，是由微波亮温资料反演洋面降水的一种较为理想的方法。结果对于利用我国自行发射的气象卫星遥感资料反演降水具有一定的参考价值。     

利用TRMM卫星资料分析"桑美"台风云系特征

利用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪探测结果,结合天气图、FY-2c卫星云图、南昌多普勒雷达图,对"桑美"台风活动的大气环流、不同阶段云系特点,以及云中冰、水结构进行了分析.结果表明,"桑美"云系在洋面时有清晰的台风眼和云墙结构,螺旋云带范围较大,在云墙和螺旋云带处存在较强降水;临近登陆时螺旋云带和降水范围明显减小,但云墙处分布大量冰粒子和水粒子,云墙处对流极其强烈,中心区域强降水云系更为紧密;登陆后云墙结构消散,强度减弱."桑美"登陆后降水水平范围明显减小,且中心处的降水强度也要小于在洋面时,台风云顶高度明显小于在洋面时."桑美"登陆后在江西境内的对流降水样本比例和降水贡献率都远高于在洋面上,其中10～20 mm/h对流性降水贡献率达46.7%,导致江西局部产生大暴雨.     

PCT-SI综合指数法反演陆面雨强

利用TRMM微波成像仪(TMI)数据,采用极化订正温度及散射指数综合指数法(PCT-SI),反演赣州及周边地区2011年11月9日雨强,与同时期的PR星载雷达测雨资料进行对比分析,并用赣州地区47个地面站点的小时降雨对反演结果进行了验证。结果表明:采用K-均值法分类并判别降雨区,可以较好地确定降雨区的范围;TMI各通道亮温与对应时空匹配PR雨强的相关系数不同,利用低频组合拟合85 Hz通道亮温来求得大气散射指数,散射指数越大,雨强越大;PCT-SI综合指数法反演的降水中心的降水强度明显偏小,降水范围扩大,但其反演的雨强与PR反演的雨强基本一致,与地面实际雨量站点雨强相关系数为0.784,表明采用PCT-SI综合指数法反演陆面雨强是合理可信的。     

A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN GMS-5 INFRARED DATA AND PRECIPITATION SOUNDED BY TRMM/PR*

To study the possibility of improving the precision of retrieving precipitation through GMS-5 infrared data,the relationship between the data of GMS-5 infrared channel l(IRl) and precipitation sounded by TRMM/PR was carefully studied through some cases gathered during the HUBEX 1998.First of all,the relationship between the brightness temperature(Tb) and PR-sounded near-surface rainfall rate(NSRR) was studied.Then,as PR can sound the inner structure of rainfall area.a unique advantage of this new instrument,the relationship between Tb and PR-sounded rainfall rate in each layer was also studied.Still,as PR can tell the rain type,those relationships were studied again according to the different types of precipitation(i.e.convective and stratiform).After comparing these outcomes with those from other references,it can be concluded that the relationship between Tb and PR-sounded rainfall rate is acceptable and it is possible to calibrate precipitation retrieved through Tb by PR data.     

A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN GMS-5 INFRARED DATA AND PRECIPITATION SOUNDED BY TRMM/PR

To study the possibility of improving the precision of retrieving precipitation through GMS-5infrared data,the relationship between the data of GMS-5 infrared channel 1(IR1)andprecipitation sounded by TRMM/PR was carefully studied through some cases gathered during theHUBEX 1998.First of all,the relationship between the brightness temperature(Tb)and PR-sounded near-surface rainfall rate(NSRR)was studied.Then,as PR can sound the innerstructure of rainfall area.a unique advantage of this new instrument,the relationship between Tband PR-sounded rainfall rate in each layer was also studied.Still,as PR can tell the rain type,those relationships were studied again according to the different types of precipitation(i.e.convective and stratiform).After comparing these outcomes with those from other references,itcan be concluded that the relationship between Tb and PR-sounded rainfall rate is acceptable and itis possible to calibrate precipitation retrieved through Tb by PR data.     

基于TRMM卫星对一次华南飑线的闪电活动及其与降水结构的关系研究

利用热带测雨计划任务卫星（TRMM）的测雨雷达(PR)、 闪电成像仪(LIS)和微波辐射计(TMI)资料, 研究了2005年5月6日发生在我国华南的一次强飑线过程的闪电活动及其与降水结构之间的关系。结果表明, 该飑线系统中对流降水面积仅为层云的一半, 但是总降水率却远大于层云的总降水率。绝大多数闪电发生在对流区, 有少数闪电出现在层云区域。在6 km高度上, 闪电发生附近的最大雷达反射率因子主要集中在35～50 dBZ区间, 峰值频数在40～45 dBZ, 35 dBZ以下较少。研究还表明, 对流单体的最大雷达反射率垂直廓线可以很好地指示单体的闪电频数和对流发展强度。对闪电与微波亮温的研究表明, 大多数闪电发生在低亮温区域, 特别是低于200 K亮温区, 而在240～260 K的区域也可观测到少量闪电, 这一般对应于飑线的层云区域。结合2003年4月17日黄淮地区的另一次强飑线系统的进一步研究发现, 在单体尺度上, 总闪电频数和冰相降水含量之间表现出非常密切而稳定的关系, 相关系数达0.92。总闪电频数和冰相降水含量之间的稳定关系在中尺度数值模式中闪电资料的同化和飑线系统的闪电参数化研究中均有较大的应用潜力。     

分类型最优法在江苏沿江地区降水估测中的应用与讨论

为提高现有天气雷达产品生成模块中处理系统算法精度、并为其他短时临近预报系统或数值预报模式提供合适的Z-I关系为目的,选择江苏沿江地区作为试验区域,采用分类型最优法建立相应的Z-I关系,并比较分类型最优法与单一Z-I关系对过程雨量和分段雨量的估测能力.结果表明:分类型最优法比单一Z-I关系法明显提高过程雨量估测的精度,梅汛期降水估测精度提高近2.5倍,夏季台风降水估测由低估72％降低至低估45％.对不同雨量段进行估测比较后发现,分类型最优法对强降水雨量段改善较为明显,对雨强＞ 10 mm/h的梅汛期对流云降水和台风降水所有雨量段的雨量估测改善明显.最后在气候统计的基础上,通过改进雷达估测降水产品色标数值等级,以达到优化雷达估测降水产品图像的显示能力.     

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。     

GPM卫星和地面雷达对江苏盐城龙卷风强降水估测的对比

为综合评估卫星和天气雷达在2016年6月23日盐城龙卷风期间的强降水过程的降水估测精度,以国家级雨量站观测数据为基准,结合相关系数(CC)、相对误差(RB)、均方根误差(RMSE)以及分级评分指标,利用S波段的天气雷达定量降雨估测产品(RQPE)和全球降水观测计划多卫星融合产品(IMERG_FRCal,IMERG_FRUncal,IMERG_ERCal)进行比较。结果表明,雷达和卫星的累积降水量与雨量站的空间相关性很强(相关系数大于0.9),基本上能捕捉到整个降水过程的空间分布。降水主要分布在江苏省北部,但卫星高估了江苏省东北部强降水中心的降水量;对于小时时序区域平均降水,卫星高估了降水,而雷达低估了累积降水量。综合降水中心区域分析,IMERG的强降水区域降水量与雨量站的时间序列的偏差显著;RQPE在降水峰值达到之前及峰值之后与地面雨量站的变化趋势基本一致,但对降雨量峰值有明显的偏低。RQPE能较为准确地在时间上捕捉到降雨强度的变化趋势,但对于大雨及暴雨的估测能力不佳;RQPE的POD、SCI值都远远高于IMERG, FAR也较小。IMERG几乎未能监测到强降水的发生。总体上,RQPE对此次龙卷风强降水量的估测表现优于3种IMERG产品,特别是在捕捉强降水区域的空间分布方面,但对于强降水的估测能力仍需进一步改善。     

最优TS评分方法在逐时降水订正中的初步应用及评估

使用2020年3—9月逐时更新的CMA广东短临3 km数值模式(CMA-GD(R3)模式)1~12 h逐小时降水量资料,利用最优TS评分订正方法(OTS)对逐小时降水量进行分级订正,并分别从整体和分类型降水过程预报订正效果进行了检验和对比评估。结果表明:从整体预报订正性能来看,通过OTS方法对CMA-GD(R3)模式订正后,对于≥1 mm/h及以上量级的降水,OTS均有较好的订正能力,并且随着雨强的增加,其TS评分的改善比率越大;同时,OTS可有效减少各个预报时效的漏报率和空报率,其中漏报率减小更加明显,表现出明显的湿偏差(空报偏多)。从三类暴雨过程逐时降水预报订正效果来看,通过OTS订正之后,对于≥1 mm/h的降水,OTS对三类暴雨类型均有正的订正能力。其中在0.1 mm、1 mm、10 mm、20 mm、35 mm、50 mm 6个量级上,季风型的逐时降水预报表现最好,6个量级的TS评分值分别为0.403、0.232、0.053、0.023、0.009和0.004;在5 mm量级上锋面型的逐时降水预报表现最优,其TS值为0.102。从改善效果来看,经过OTS订正后,在1 mm量级上台风型改善率最大,在5 mm和10 mm量级上锋面型改善率最大,在20 mm、35 mm和50 mm量级上季风型改善率最大。      

CINRAD-SA偏振雷达定量降水估测算法改进及应用评估

为了提高雷达定量降水估测的精度,建立一套高精度的双偏振雷达定量降水估测方法,并对其在业务应用中的表现进行评估。本文利用雨滴谱仪数据使用非球形粒子的散射模型（T-Matrix模型）进行不同偏振量的模拟计算,根据计算结果对实测雨滴谱数据（DSD）进行分类拟合,实现对CSU-HIDRO（Colorado State University-Hydrometeor Identification Rainfall Optimization）优化降水估测算法的改进。为了评估改进后CSU-HIDRO优化算法（简称CSU-HIDRO_I）的应用效果,本文选取2016～2017年两年汛期发生于中国华南地区的6次大范围强降水过程为评估对象,分别采用单偏振雷达定量降水估测的R(Z_H)关系法（WSR-88D Precipitation Processing System,简称PPS法）和CSU-HIDRO_I法进行小时降水量估测。按照不同降水率大小以及距离雷达20～60 km和60~100 km范围分别对两种降水估测方法进行评估,并将雷达估测的小时降水量同地面雨量计小时降水量资料进行对比,结果表明:（1）CSU-HIDRO_I法在应用评估过程中取得了较好的评估效果,其估测精度及稳定性均较好。（2）PPS法对小雨（降水率R<2.5 mm/h）存在一定的高估,对大雨及暴雨（R>8 mm/h）存在明显低估,而CSU-HIDRO_I法能够有效的降低强降水的低估情况,同时提高了小雨的估测精度。与PPS法相比,CSU-HIDRO_I法对小雨、中雨、大雨及暴雨的估测偏差分别降低了38%、24%、17%、15%。（3）PPS法在降水估测中对离雷达的距离更为敏感,相同降水率下不同距离处的相对误差波动较大,CSU-HIDRO_I法对距离敏感性较弱,相同降水率强度下,相对误差随距离的变化波动较小。