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。     

陇东南地区短时强降水的雷达回波特征及其降水反演

利用雷达基数据对比分析了天水、庆阳和兰州3部多普勒雷达等距离水平剖面上同步观测的回波强度差异,并研究了陇东南地区短时强降水的雷达回波特征和反演降水。结果表明,当回波强度10 dBz时,这3部雷达并不存在显著差异;从区域站和自动站的降水量对比分析可知,造成短时强降水的天气学尺度较小,对雷达回波的统计也映证了这一结论。有75%的强降水尺度20 km,表明原有的气象站并不能较好的反应局地降水;运用分组估测法、整体和分型Z-I关系法定量估测降水,结果发现分型Z-I关系法可以较好的反映陇东南地区的降水特点,较好的解决了低量值高估和高量值低估的问题,其中雨强在15~20 mm·h-1时反演效果最好。     

青岛地区短时强降水雷达回波特征与中小尺度系统分析

利用青岛地区2011—2015年间32次短时强降水个例的雷达反射率因子、地面雨量站数据和FNL再分析资料对产生短时强降水的中小尺度系统和雷达回波特征进行分析,结果表明:造成短时强降水的中小尺度系统主要为与低空切变(槽)、台风倒槽或在偏南(北)气流中局地发展的对流相联系的辐合区或中小尺度辐合线;雷达回波多表现为中尺度强回波带,其移向与回波带长轴的夹角较小,或为局地发展少动的强对流单体;雷达回波剖面显示回波按质心高度可分为大陆强对流型和热带海洋型,大陆强对流型强降水的平均反射率因子垂直廓线强度总体明显强于热带海洋型,对流发展更加旺盛,热带海洋型强回波集中在低层,在近地面最强,而大陆强对流型回波悬垂明显,最强回波位于2km左右;针对大陆强对流型和热带海洋型两种不同类型的短时强降水,采用分型Z-I关系法进行定量降水估测能够较好地反映强降水的落区和极值,相比于固定Z-I关系法,20mm·h~(-1)以上雨强的相对误差由70%左右下降到30%左右。     

雷达定量降水动态分级Z-I关系估算方法

利用高时空分辨率的雷达定量降水估测和预报(RQPE和RQPF)对洪水监测、发布洪水警报起重要指导作用，目前国内外对其研究的方法主要采用概率配对法、Z-I关系法和基于Z-I关系的数学算法校正法，这些方法均存在强调某一因素忽略其它因素的问题，并且对短时强降水，尤其是极强降水低估严重。从统计和个例两方面对比分析了四种雷达定量降水方法的误差，致力于寻找一种将雷达回波反射率预报场反演为降水场时误差较小的技术方法，能改进对短时强降水、特别是极强降水严重低估问题的方法，并且该方法也能在业务应用中方便、快速、精确实现。对比研究结果表明：动态分级Z-I关系法是一种对雷达QPE和回波反射率预报场反演降水场都较好的方法，并且改进了对短时强降水、尤其是大于55 mm/h的短时极强降水低估的问题；在业务计算中仅需15秒，能满足6分钟更新一次计算结果的需要，而且不依赖气候统计，便于移植。     

基于动态Z-I关系雷达回波定量估测降水方法研究

选取石家庄市新一代天气雷达2009-2012年29个降水过程雷达二次产品数据（低层5个仰角及组合反射率因子）和加密自动站逐分钟降水资料,依据与雷达回波强度最相近及与自动站位置距离最近的原则,建立随时空变化的动态Z-I关系,来定量估测无自动站观测格点的降水量,从而实时获取高分辨率雷达估测降水资料;对雷达定量估测降水与自动站观测降水的空间分布进行了对比,利用交叉检验方法分析了雷达定量估测降水的误差,结果表明:该方法反演降水的平均误差较小,为—0.6mm·h^-1,能较好地表现出降水的时空分布特征,显示出不同等级降水的面积和演变,具有反演40 mm·h^-1以上的强降水中心的能力,表明该方法具有业务应用价值,对强降雨灾害的评估具有指导作用。     

C波段雷达资料在强降水过程中的应用

利用甘肃省天水市C波段多普勒雷达资料,选取2013年7月8日和8月1日2次强降水过程,在考虑雷达系统标定偏差的基础上用雷达定量估计降水,对比2次降水过程的雷达反演风场、回波与降水之间的关系,并利用雨水含量守恒方程对回波进行外推,利用反演结果检验发生冰雹和大风等强对流天气过程的预警条件。结果表明:不同降水类型采用不同Z-I关系估计的降水效果明显优于雷达默认的Z-I关系,并且由于C波段雷达回波信号的衰减,在使用前需对观测回波进行衰减订正;2013年7月8日的降水过程为低质心回波降水过程,2013年8月1日的降水过程为高质心回波降水过程,2次降水过程的回波强度与降水范围有很好的对应;对于低质心回波降水过程,外推回波与观测回波位置较为吻合,但强度偏强。对于高质心回波降水过程,外推回波较观测回波位置偏后,且强度偏强;考虑雷达系统标定偏差后,冰雹和短时强降水对应的一些特征量关系符合相关预警条件。     

动态Z-R关系定量估算降水方法在暴雨个例中的效果评估

选取汉中市2018-07-01和2019-08-09两次暴雨过程中新一代天气雷达数据产品的组合反射率因子和自动雨量计逐小时降水资料,建立随时空变化的动态Z-R关系,获得雷达估算降水场,分析其空间分布特征,并对不同等级降水的估算能力进行了分析。结果表明:(1)动态Z-R关系定量降水估算在两次暴雨中表现良好,能很好地反映地面降水的分布特征,对于30 mm/h以下量级降水,实测降水量和估算降水量的面积和落区均表现一致,其中20～30 mm/h短时强降水估算面积最准确,但对于30 mm/h以上量级降水,估算面积减小,值偏弱,无法反映出降水最大值落区。(2)随着降水量级增大,估算的绝对误差也同步增大。具体表现为小雨量级有明显的高估,中雨及中雨以上量级则有不同程度的低估。从相对误差来看,大雨和暴雨量级的降水估算精度高,估算值能反映真实值。     

动态Z-R关系定量估算降水在暴雨个例中的效果评估

选取汉中市2018-07-01和2019-08-09两次暴雨过程中新一代天气雷达数据产品的组合反射率因子和自动雨量计逐小时降水资料,建立随时空变化的动态Z-R关系,获得雷达估算降水场,分析其空间分布特征,并对不同等级降水的估算能力进行了分析。结果表明：（1）动态Z-R关系定量降水估算在两次暴雨中表现良好,能很好地反映地面降水的分布特征,对于30 mm/h以下量级降水,实测降水量和估算降水量的面积和落区均表现一致,其中20～30 mm/h短时强降水估算面积最准确,但对于30 mm/h以上量级降水,估算面积减小,值偏弱,无法反映出降水最大值落区。（2）随着降水量级增大,估算的绝对误差也同步增大。具体表现为小雨量级有明显的高估,中雨及中雨以上量级则有不同程度的低估。从相对误差来看,大雨和暴雨量级的降水估算精度高,估算值能反映真实值。     

C波段雷达资料同化对GRAPES中尺度数值模式短临降水预报的影响

将C波段雷达资料用LAPS模式的云分析系统进行反演,并采用Nudging技术将反演得到的云微物理场引入GRAPES中尺度数值模式,结合1次强降水天气过程的模拟实验,研究了C波段雷达资料同化对GRAPES中尺度数值模式短临降水预报的影响。结果表明：①雷达资料同化能够改进中尺度模式的降水预报,模式前6 h的降水预报相关系数和不同等级降水TS评分都有提高,同时降水峰值提前了1 h,有助于缓解模式spin-up问题。②模式降水预报的改进效果主要由强降水贡献,最大改进效果集中在4~6 h。③同化雷达资料后25 mm以上强降水预报站数比更接近实况,落区偏差幅度更小,降水落区和强度向实况方向得到调整。④10 mm以下弱降水在吸收雷达资料后,站数比相较于控制预报,比实况增加更多,落区偏差幅度增大,存在预报过量的问题。弱降水预报过量主要集中在4~6 h,而前3 h对降水预报的改进有积极作用。     

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.     

1415号台风"海鸥"广西极端暴雨预报偏差分析及地形订正

利用地面自动站降水资料、ERA5再分析资料、广西壮族自治区气象台降水落区和ECMWF模式预报数据对1415号台风"海鸥"在广西暴雨预报偏差进行了分析,并开展了地形降水订正研究.结果 表明,对"海鸥"强降水落区预报准确,但大暴雨以上量级降水明显偏弱,大暴雨和特大暴雨漏报严重.降水经地形订正后,大暴雨以上降水TS(BS)评分由0.19(0.27)大幅度提升到0.35(0.53)且暴雨及以下量级降水评分无明显改变,但地形降水订正方法对特大暴雨仍无明显订正技巧;偏南风、东北风及偏东风在广西复杂地形下均会产生地形降水,实际业务预报中应加以考虑,有助于提升对强降水开始时间的预报效果.     

短时强降水监测和预警技术及其在山区的应用

为提高短时强降水的监测和预警技术在山区等复杂地形中的应用,本文选取相关的探空资料分析天气背景,划分降水类型,与自动站订正技术相结合,采用Z-I分型最优化技术估测降水,利用交叉相关法对雷达反射率因子进行外推,并预测30min后的累积降水量。根据近3年的观测资料,制定出适合岳阳地区雷达反射率因子以及雷达估测降水对应的降水量级。通过与自动站雨量对比,Z-I分型最优化技术估测降水的相对误差较小;与Z-I经验公式估测降水对比分析,雷达估测降水的准确率有一定提高。经过岳阳示范区一年的实际应用表明:该方法对短时强降水的估测和预警均取得良好的效果,对强降水引起的山体滑坡等灾害具有一定的防范作用。     

单多普勒天气雷达反演风场高原低纬区域同化应用

为了改善低纬高原地区天气预报水平,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达VAD(Velocity Azimuth Display)反演风场资料同化试验。通过设计不同的试验方案,对2009年6月30日00:00至7月1日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明:同化VAD反演风场资料后对区域模式的风矢量初始场有明显影响。同化系统能把雷达反演风场信息有效地引入模式初始场,改善强降水区域的水汽输送和风场辐合强度;同化VAD反演风场资料后对区域模式累计降水预报有一定改进作用。从长时间累计降水量定量检验结果看,具体表现为25mm以上量级的降水准确率明显提高、漏报率下降,预报偏差更趋合理。不同的同化试验方案之间的模拟结果差异较大。同化频率越高、同化持续时间越长,对区域模式初始场和预报场的影响越明显。但同化持续时间不宜过长,否则可能导致系统移速过快、降水强度偏大、空报率增加等异常。     

优化ZI关系及其在淮河流域面雨量测量中的应用

利用合肥新一代天气雷达2003年6—7月观测数据和地面观测的逐时雨量资料，得到分段最优化Z-I关系，在淠河灌区的水源地响洪甸流域和佛子岭流域进行降水测量。结果表明：强降水阶段流域面雨量，优化Z-I关系后得到的流域累积面雨量与雨量计比值从39％提高到73％，同时相关系数从0．78提高到0．8。528小时时间序列上佛子岭流域在优化Z-I关系之后，流域平均面雨量与雨量计的回归线斜率从0．4提高到0．72，lmm·h^-1以上流域平均面雨量累积值与雨量计累积值的比值从48．4％提高到了85．9％。可见，优化Z-I关系后雷达反演值更接近于雨量观测值，同时雷达定量估测流域面雨量的精度得到很大提高。     

登陆福建热带气旋短时强降水特征

利用地面逐时降水资料、常规天气资料、雷达、卫星以及台风年鉴资料,对39个登陆福建不同地段的台风短时强降水空间、时间分布及强降水强度、落区、过程雨量分布及其与登陆时台风强度关系等进行统计分析,揭示登陆福建台风短时强降水规律,结果表明:(1)登陆中部台风强降水站数虽多,但单站强降水持续时间最短;登陆北部台风强降水站数虽少,但单站强降水持续时间最长。(2)强降水主要时段登陆北部、中部类是登陆前5小时至登陆后5小时,登陆南部及南海北上类是登陆时至登陆后15小时。此外,南海北上类及登陆北部类强降水落区多数在内核区;登陆中部类强降水落区在台风中心附近的频率是几类中最低的,大部分强降水落区在北侧的螺旋雨带上。     

榆林一次短时突发性暴雨中尺度特征及成因分析

利用NECP 1 °×1 °间隔6 h再分析资料、卫星TBB资料、榆林多普勒雷达以及本地加密观测资料,对2017年7月23日榆林城区短时突发性暴雨成因及中尺度特征进行诊断分析,结果表明:此次强降水是在西太平洋副热带高压控制下产生的,副高外围中低层西南暖湿气流带来了水汽和不稳定能量;卫星云图和雷达上表现为中β尺度对流雨团和多个γ尺度强对流雨团;0~6 km中等强度的垂直风切变,对流不稳定能量和中低层强辐合,为短时暴雨的产生提供有利的环境场;地面图上干线触发了暴雨的产生。中尺度辐合的维持,使得飑线附近不断触发新的对流雨团,tBB＜－60 ℃区域与短时暴雨落区有较好的对应关系。分级最优Z-I反演降水估测产品能更好地反映中尺度对流性降水的量级,对预报员判别短时强降水具有指示作用。     

台风“罗莎”低空流场与降水中尺度结构的观测资料分析

为了进一步了解台风的水平风场结构和降水雨带的分布特征与台风强度变化的关系,利用观测资料和多普勒天气雷达探测资料对0716号台风"罗莎"的降水云系、反演的水平风场和雷达回波进行分析,结果显示:(1)在台风减弱为强热带风暴以前,低空卷入台风中心的强回波带开始出现分裂;减弱为热带风暴时,低空的强回波带出现明显的分离和断裂。雷达探测的向台风中心卷入的低空强回波带的分离和断裂,可以为台风减弱预报提供参考。(2)多普勒雷达探测资料反演的低空水平风场分析显示,虽然所处的环境风场截然相反,我国和美国两地区的热带气旋在低空存在相似的中尺度流场结构。我国东南沿海即将登陆的台风的西南侧外围与环境风场的交汇处,存在一处气流汇合带和气流辐散带,气流汇合带对应台风南侧的强降水中心。(3)通过多普勒雷达反演的低空水平风场与强度回波的叠加分析显示:台风的螺旋雨带与反演的低空水平风场的中尺度风切变线对应。这种中尺度切变在常规观测中难以发现。     

“巨爵”、“凡亚比”粤西强降水对比分析

利用1°×1°的NCEP全球再分析资料、地面区域自动站资料、多普勒雷达数据等,对两个2009年第15号台风"巨爵",2010年第11号台风"凡亚比"强降水成因进行分析。结果表明:这两次台风降水过程中,在形势分析上具备大范围暴雨的发生和持续各种特征。但也存在降雨的范围和强度,持续时间,是否有冷空气作用的等不同。副高的快速推进,造成的台风和副高之间的挤压作用,可能使得强降水更易出现。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

快速动态分级法进行雷达定量估测降水方法研究

在使用雷达资料进行降水估测(QPE)时,对动态分级Z-I关系算法进行大幅度优化后,发现当时间精度较高时,使用CTF2判别函数所得QPE结果误差较大。提出了用同时满足偏差为0且方差最小作为最优解判别式的快速动态分级法(FDC)。通过留出法进行交叉验证,结果表明,快速动态分级法得到的结果整体相关性好,能较好地表现出降水的时空分布特征,反演降水的平均误差为-0.13 mm/h,计算速度快,具有较高的业务应用价值。