基于贝叶斯融合方法的高分辨率地面-卫星-雷达三源降水融合试验

为了探讨一种适用于区域性的地面、雷达、卫星等多源降水资料融合的方法,一种曾用于高分辨雷达、卫星土壤湿度产品反演的贝叶斯融合(Bayesian Merging)方法被尝试应用于江淮地区1 h-0.05°×0.05°经纬度高分辨率的雷达估测降水、卫星反演降水与地面站点观测降水3种资料的融合。在应用该方法时,通过2009年8月样本统计分别估计卫星和雷达反演降水的误差关系,通过曲线拟合建立误差方程,并以卫星资料作为背景场,但在融合时将雷达估测降水作为新的观测信息与地面观测降水同时引入。融合试验检验结果表明:贝叶斯融合方法能够有效实现雷达、地面、卫星3种不同来源资料的融合,该方法生成的多源融合产品的精度均优于任何单一来源的降水产品。     

四川区域融合降水产品的质量评估

本文利用四川省156个国家地面气象观测自动站2018年逐小时降水资料,从降水产品与观测值的对比、降水产品误差空间特征、降水产品误差月变化、不同降水量级的误差特征等方面,对国家气象信息中心研制的中国区域1h、0.05° × 0.05°分辨率的地面-卫星-雷达三源融合实时降水产品和地面-卫星二源融合快速降水产品在四川区域的适用性进行对比评估。研究结果表明,两套融合降水产品能较好的反映四川区域年内小时降水的时空变化特征,与站点观测降水相比,两套融合降水产品均存在一定程度的低估,且随着降水量级的增大,均方根误差值也相应增大。两套融合降水产品相比,融合了雷达资料的三源融合降水产品各项指标均优于二源融合降水产品,数据质量更高。      

多平台(雷达、卫星、雨量计)降水信息的融合技术初探

为提高卫星降水估计的精度,利用CMORPH资料和雨量计资料,基于最优插值法OI(Optimum Interpolation)有效合成,得到0.125°×0.125°降水分析产品;基于广东省境内5部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)的降水估计拼接产品,即0.01°×0.01°降水分析产品.为进一步扩展降水的探测范围,将以上两种不同分辨率产品进行区域定量协调,并以各自均方根误差平方的倒数作为权重系数将两者融合.误差分析表明,前期雨量计订正的CMORPH能有效减小系统偏差;交叉检验表明,CMORPH融合了雨量计资料后,比单纯OI雨量计的效果要好.两种不同分辨率产品有明显的区域差异特征;获取的一套降水产品既能体现雷达资料的优势,又能体现CMORPH融合雨量计的优势,在降水估测精度和扩大降水估测范围上都有了较好改观,能够反映不同尺度平台的降水信息.     

基于最优插值方法分析的中国区域地面观测与卫星反演逐时降水融合试验

为了发展一套适用于中国区域的高分辨率(0.1°×0.1°)逐时降水产品,以CMORPH卫星反演降水为背景场,以基于3万个自动气象站观测的逐时降水量分析的中国降水格点分析产品(Chinese Precipitation Analyses,CPA)作为地面观测场,采用最优插值方法对二者进行了融合试验.用2009年6-8月的样本统计分析了卫星反演与地面观测降水的误差及其协相关形式,按照误差结构来分配权重.融合试验的个例检验表明,该方案在有站点的地区能较好地引入地面观测信息,在没有站点观测的地区则保留CMORPH的原始信息,最终形成一套覆盖中国区域的高时空分辨率的降水场.2009年6-8月独立样本检验的统计结果也表明,该融合产品的平均偏差、均方根误差、相对误差分别为-0.004 mm/h、1.271 mm/h和15.964％,平均空间相关系数达到0.778,与融合前CMORPH的各统计值相比,改进幅度基本都超过了50％,且与风云系列卫星的同类型产品相比精度也有一定程度的提高.     

中国北方冬季降水的多源资料产品评估和融合优化

为了考察不同来源降水产品在中国北方冬季（特别是固态降水）的精度和可用性,优化融合降水产品质量,利用2019年12月—2020年2月美国CMORPH和IMERGE卫星反演降水、日本GSMaP、中国气象局雷达定量估测降水（MOC-QPE）、CMA-MESO模式预报以及地面观测插值等不同来源分析的降水产品,以地面站观测逐小时降水量数据为基准,从KGE评分、相关系数、平均误差和均方根误差等精度统计指标以及命中率（FOD）、虚警率（FAR）和TS评分等降水事件发生角度开展评估,结果表明:中国区域单源降水产品中地面插值分析产品对冬季降水描述精度最高也最稳定,但存在明显的系统偏低;其次是MOC-QPE和IMERG卫星产品,对中国北方偏南部地区的降水有一定的描述能力,但对北方高纬度地区固态降水的反映能力较差;卫星产品中IMERG精度最高,CMORPH则基本没有反演能力;CMA-MSEO模式产品虽然误差较大但与地面站观测的降水特别是固态降水存在较高相关,明显优于雷达和IMERG、GSMaP等卫星产品。采用BMA技术融合雷达、模式、卫星降水形成优化背景场,评估逐步引入不同的数据源对融合降水在冬季的精度影响,引入IMERG卫星和CMA-MESO模式产品均能提升高分辨率融合产品的质量,其中模式产品的改进效果最显著。      

多普勒雷达降水产品优化

通过对雷达1h、3h降水产品进行应用检验,找出降水产品的局限性及其测量误差;利用反射率因子及自动站雨量资料,通过调整雷达混合扫描面弥补了降水产品因山脉等地物挡角大而缺测面大的缺陷;结合雨量站资料运用最优插值、卡尔曼滤波等方法对本地Z-I关系及降水产品进行调整优化;调整后的降水产品估测降水的误差明显减小,产品质量大为提高。     

多普勒雷达降水产品优化

通过对雷达1h、3h降水产品进行应用检验，找出降水产品的局限性及其测量误差；利用反射率因子及自动站雨量资料，通过调整雷达混合扫描面弥补了降水产品因山脉等地物挡角大而缺测面大的缺陷；结合雨量站资料运用最优插值、卡尔曼滤波等方法对本地Z-I关系及降水产品进行调整优化；调整后的降水产品估测降水的误差明显减小，产品质量大为提高。     

地面站点观测降水资料与CMORPH卫星反演降水产品融合的试验效果评估

选取2008年9月—2010年2月的中国2 400个国家级地面观测站降水资料和美国NOAA研发的CMORPH卫星反演降水产品,利用最优插值方法开展了两类降水资料的融合试验,并对试验效果进行评估。结果表明,利用OI方法形成的融合降水产品和地面观测降水分布特征基本一致,能反映西部台站稀疏地区的降水特征以及陆地与海洋之间降水系统的空间连续性。此外,该融合产品保留了高分辨率的卫星观测信息,在台站稀疏地区,一些通过地面观测无法反映出来的中尺度对流系统在融合产品中得到体现。交叉检验结果显示,融合结果和地面观测降水量、台站密度高度相关。样本网格分析结果显示,融合结果和地面降水的逐日时间序列具有较强的一致性。总的来说,OI方法在降水资料融合研究中具有较好的应用效果。      

基于雷达—雨量计降水融合方法提高极端降水监测能力

高时空分辨率、高精度的降水产品对于极端降水的监测以及防灾减灾具有重要意义。地面雨量计提供点尺度降水精确观测,但无法精细化捕捉对流性强降水的空间分布。雷达观测可以精细地刻画降水的空间分布特征,但雷达定量估计降水（QPE,quantitative precipitation estimation）产品估测精度易受雷达观测偏差和Z–R（雷达反射率—降水率）关系等因素影响。因此,本文开展高时空分辨率的雷达—雨量计降水融合算法研究,集成雨量计观测和雷达定量估计降水产品各自的优点。该算法主要步骤包括:雨量站观测数据格点化、局地雨量计订正雷达QPE和雷达—雨量计降水融合三个部分。首先利用克里金插值方法,对雨量站观测的降水进行插值,得到格点降水信息;再通过局地雨量计订正方法系统性地订正雷达QPE产品,以提高雷达QPE产品精度;最后,结合降水类型,通过雷达—雨量计降水融合算法,产生高时空分辨率、高精度的雷达—雨量计降水融合产品。通过郑州“21·7”暴雨、台风“烟花”和2021年8月随州暴雨三个典型的极端降水个例,对雷达—雨量计降水融合算法产生的雷达—雨量计降水融合产品进行了系统地评估和分析。结果表明,在不同的极端降水个例和不同的降水时段,雷达—雨量计降水融合产品精度上优于雷达QPE产品,且在降水的空间分布上较雨量站观测格点插值产品更能精细地刻画降水的结构特征。表明算法得到的雷达—雨量计降水融合产品的准确性较高,对极端降水有较好地捕捉和监测能力。     

多源降水预报集成技术应用研究

基于欧洲中期天气预报中心全球高分辨率预报模式ECMWF、中国自主研发的新一代业务化区域数值模式GRAPES_Meso和WRF中国全国区域预报模式的降水预报结果进行未来3 d降水集成预报。以中国地面-卫星-雷达三源融合逐时降水格点产品(CMPA-Hourly,V2.0)作为"观测值"进行建模,采用消除偏差多模式平均法和基于无偏平均绝对误差集成法对中国大陆地区进行降水集成预报,同时采用2800个国家自动气象站降水观测数据对降水集成预报效果进行检验。结果表明：基于无偏平均绝对误差的降水集成方法能够综合每个模式成员降水预报场的优势,提供一种更为稳定可靠且具有更高分辨率的优质精细化降水预报产品;其在试验期间对中国大陆地区汛期的降水预报ETS评分,优于消除偏差多模式平均降水集成预报和最优单模式降水预报,BIAS评分更接近于1,与"实况"的距平相关系数也明显提高,是对降水大值捕捉能力较优的一种集成方法,尤其对中雨到暴雨量级预报的改进较好。     

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。     

复杂地形下C波段雷达定量降水估计算法

C波段雷达定量降水估计（QPE）精度受到很多因素的影响,主要包括:（1）雷达标定,（2）非气象回波的干扰,（3）降水物垂直空间变化,（4）地形或地物的严重遮挡,（5）Z-R关系的代表性,（6）雷达拼图的质量,（7）雷达观测回波衰减等。文中雷达定量降水估计算法基于陕西省C波段天气雷达展开,从雷达探测数据质量控制、地形遮挡、Z-R关系和雷达拼图等方面提高C波段天气雷达定量降水估计的精度,产生降水类型产品和1 h定量降水估计产品,产品空间分辨率为0.01°×0.01°,时间分辨率为6 min。通过对7次降水过程进行评估,结果表明:基于混合仰角反射率因子处理模块和降水类型分类模块进行雷达定量降水估计,得到的结果与地面雨量站观测降水接近,1 h累计降水量的统计评分指标均方根误差稳定在3 mm以下,相对误差稳定在50%左右,相对偏差保持在?30%以内,雷达定量降水估计产品的离散度和绝对偏差都较低,表明该算法得到的雷达定量降水估计稳定可靠。      

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。     

雷达定量降水估算在水文模式汛期洪水预报中的应用试验

通过雷达测雨技术获得高时空分辨率的降雨信息,作为水文模型的输入,用以提高水文预报的精度。文章以湖北省白莲河流域为例,利用分组Z-I关系转化雷达反射率为雨强,运用地面雨量站网实测雨量对其进行校准,将不同方法估算得到的雨量结果输入新安江模型进行洪水预报测试,结果表明未校准雷达估算降雨量直接输入水文模型,其结果是不理想的;利用校准后的雷达估算降雨量进行洪水预报,精度得到了很大提高。     

我国高分辨率降水融合资料的适用性评估

利用国家气象信息中心研制的全国30000多个地面自动站降水与 CMORPH (Climate Prediction Center Morphing technique)卫星反演降水融合而成的融合降水产品,分析了融合降水平均偏差和均方根误差的时空分布特征,探讨了不同降水量级以及站点稀疏区和密集区的融合效果,结果表明：融合降水的平均偏差和均方根误差量值均较卫星反演降水有显著减小,随时间的变化幅度不大且误差的区域性差异减弱;融合降水不同量级降水日数分布接近于地面观测降水,虽高估了雨强小于等于4 mm/d的降水,低估了大于4 mm/d高值降水,但同一量级下的误差比卫星反演降水大幅减小,且随着降水强度的增加改善效果明显;站点密集区的融合降水值主要是取决于地面观测降水;站点稀疏区在没有站点分布时,融合降水值主要取决于卫星反演降水,但随着站点个数增加,地面观测降水在融合降水中所占比重逐渐增大,且超过了卫星反演降水的作用。可见融合降水充分有效利用了地面观测降水和卫星反演降水各自的优势,融合效果明显。     

概率密度匹配法对中国区域卫星降水资料的改进

为考察概率密度匹配法 (PDF方法) 对中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的适用性,基于逐日和逐时我国地面观测降水量资料,引入PDF方法,分别对逐日0.25°×0.25°水平分辨率和逐时0.1°×0.1°水平分辨率的CMORPH (Climate Prediction Center Morphing Technique) 卫星降水产品的系统误差进行订正。在分析CMORPH卫星降水产品误差特征的基础上,根据两种资料不同的时空分辨率和误差特点,调整概率密度匹配时选取样本的时间和空间范围,设计相应的订正方案。评估结果表明: PDF方法订正后, 两种分辨率卫星降水资料在中国区域系统误差均显著减小,达到了理想的订正效果。在我国站点稀疏的西部地区,订正后的CMORPH卫星降水产品仍保持卫星观测的降水空间分布,降水量也明显接近于地面观测降水量。可见,PDF方法是中国区域卫星反演降水产品系统误差订正的一种有效方法。     

大气垂直运动对雷达估测降水的影响

运用雷达反射率因子（Z）与降水强度（R）之间的关系定量估测降水,降水云体中的大气垂直运动（w_a）不可忽视。PARSIVEL激光雨滴谱仪（简称PARSIVEL）在获取雨滴粒径分布的同时可以从测量的雨滴下降速度分布中提取w_a,用于分析PARSIVEL高度上的大气垂直运动对雷达Z估测降水强度影响。使用2014年5-6月华南季风降水观测试验期间广东阳江5次层状云、6次对流性降水过程中PARSIVEL数据分析大气垂直运动对定量估测降水影响,w_a对层状云和对流云降水强度影响范围分别为-0.18~1.05 mm·h-1和-5.44~24.81 mm·h-1,相对影响值分别为-13.61%~13.99%,-38.59%~25.92%。静止大气条件下,雷达估算降水Z-R关系式中系数A,b引起的层状云和对流云降水估测偏差平均分别为10.9%和25.5%。真实大气中雷达估测降水的偏差平均情况是层状云降水由于w_a的对消作用降低为9.2%,对流云降水则增加到51.2%。对流性降水中大气垂直运动对雷达估测降水的影响较大。     

利用雷达资料对自动雨量计实时质量控制的方法研究

自动雨量计资料是对降水的直接测量,在流域面雨量计算、气候研究、气象服务等方面具有重要意义。但是,由于风力、蒸发、灌溉、校准、漏斗堵塞、机械故障、信号传输等原因往往造成其存在不同类型的系统误差和随机误差, 自动雨量计数据在定量使用前需要进行质量控制。目前,天气雷达以其高时空分辨率的优势已经成为监测降水的重要手段,本文首先采用两步校准法改善雷达估测降水,然后对雷达—雨量计对之间的差异进行统计学的分析,确定自动雨量计质量控制的一些标准,从而对雨量计进行质量控制。最后用两个降水过程对自动雨量计质量控制的结果进行了检验,结果表明:两步校准法改善了雷达估测降水的系统性偏差,并减小了雨量计站点上的相对误差;可以利用雷达估测降水实现对自动雨量计的实时质量控制,就整个数据集而言,约0.1%的数据被怀疑为误判,误判的自动雨量计主要位于雨带的边缘。但该质量控制算法同时也存在一定的局限性:在雨带的边缘或没有天气雷达覆盖的区域,以及雷达资料存在数据质量问题的情况下,往往会造成对雨量计的误判。