变分法在校准雷达定量估测降水中的应用

雨量计可以直接测量单点雨强随时间的连续变化 ,测量精度较高 ,但雨量计站网的密度不够 ,往往漏掉强降水、暴雨中心 .雷达能实时探测云和降水结构及系统发生、发展演变情况 ,能迅速提供一定区域的实时降水情况 ,但雷达测量误差较大 ,测定局地降水量精度不高 ,因此雨量计和雷达进行点面结合 ,采用一定的数学方法将雨量计单点测量精度较高和雷达能测量降水时空分布的优点结合起来 ,利用雨量计测量校准雷达定量测量降水 ,可获得比单纯用雷达方法在精度上有很大提高的降水测量结果 .1　变分法校准雷达定量估测降水的原理将雷达探测区网格化 ,在…     

宜昌市天气雷达定量降水估测Z-I关系研究

选取2012年宜昌市8次主要降水过程的自动站降水资料和雷达基数据资料,采用分类型最优化法对不同类型降水的Z-I关系进行研究。结果表明,与厂家提供的通用Z-I关系对比,分类型最优化Z-I关系的定量降水估测能力有一定程度提高,对流性、稳定性和混合型降水的估测值与雨量计实测值的平均相对误差分别从40.81%、31.65%、42.35%降低到30.60%、23.35%和27.08%,同时相关系数也依次分别从0.803、0.759、0.762提高到0.815、0.776、0.786。     

闽中北前汛期多普勒雷达定量估测降水分析

使用2002、2003年福建中北部27个气象站5—6月自记雨量资料及相应的雷达体扫资料,通过用最优化法统计得出不同区域的Z-I关系,并将统计结果用于2005年5—6月的降水估测。同时利用实时雨量资料采用卡尔曼最优（卡尔曼滤波＋最优插值）、变分等估测方法对2005年几次混合型降水过程进行实时雨量校正,用福建北部武夷山九曲溪流域雨量计检验校正后的雨量值,并对上述几种方法的测量精度进行比较、分析。结果表明：卡尔曼最优、变分法及100km距离范围内的最优化法的过程平均相对误差小于25％,100km距离范围以外最优化法的过程平均相对误差明显增大,Z=300I^1,4估测的误差最大。     

天气雷达定量降水估测不同校准方法的比较与应用

利用天气雷达联合地面雨量计定量降水估测的局地平均校准法和局地分级平均校准法,分布估计2012年7月21日20:00至22日01:00 BT重庆市荣昌县及附近的降水。结果表明,局地分级平均校准法较局地平均校准法对强降水的估测效果好,同时两种方法的降水估测效果均与所取的局地校准半径大小有关。对降水分布及洪水灾情的分析表明,降水分布与河网的结合是进行中小河流洪水气象风险预报的重要着眼点。     

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。     

京津冀夏季雷达定量降水估测的误差统计及定量气候校准

雷达定量降水估测（QPE）是短时临近预报的关键部分,在定量降水预报（QPF）、强降水预警、城市积水内涝、地质山洪灾害、精细化天气服务等方面具有重要作用。利用京津冀地区雷达定量降水估测资料和逐时自动气象站降水观测数据,分析了2011—2016年夏季京津冀地区雷达定量降水估测的误差空间分布特征,并重点提出了一种新的雷达本地化定量气候校准算法。结果表明,京津冀地区雷达定量降水估测较好地反映了总降水量东北—西南带状分布特征,但西北部山区、东北部山区及西南部山区估计偏弱,东北部山前地带估计偏强,西北部存在虚假降水估计,而北京市城区估计最为准确。利用雷达本地化定量气候校准算法对1 h雷达定量降水估测进行气候尺度上的约束订正,检验结果表明,经过校准后的雷达定量降水估测偏差（BIAS）、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和均方根相对误差（RRMSE）均减小。绝大部分站点偏差减小幅度超过50%,京津冀东部及南部平原地带平均绝对误差、均方根误差和均方根相对误差减小幅度在20%左右,而北部及西南部山区误差减小幅度相对较小。降水个例检验结果表明,经过雷达定量气候校准后的雷达定量降水估测强度更接近自动气象站观测的降水量级,且降水结构细致,偏差、平均绝对误差和均方根误差均减小,与自动气象站观测降水的相关系数增大,因此该算法有助于改进雷达定量降水估测的准确度。      

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。     

基于雷达组网拼图和XGBoost的雷达定量降水估测

针对传统方法采用天气雷达进行强降水的定量估测存在较大偏差问题,论文以1 h累计雨量为估测对象,基于雷达组网拼图资料,采用XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)算法,建立新的雷达估测降水模型。该模型设计以前1 h的雷达组合反射率因子作为输入,进一步采用若干个剔除异常样本的策略有效清除建模样本中的部分噪声,更好地构建了雷达组合反射率与估测对象之间的非线性映射关系。在32万个独立检验样本的估测结果中,其均方根误差(RMSE)为6.04 mm、平均绝对误差(MAE)为3.50 mm、预报偏差(BIAS)为1.05;与目前业务系统上使用的ZR(300,1.4)关系方法相比,前者的RMSE和MAE分别下降了20.6%和10.3%,而BIAS指标则显示后者对降水量级的估测明显低估。进一步对小时雨强大于10 mm样本的统计结果表明,新方案的RMSE、MAE以及TS评分均大幅优于ZR(300,1.4)关系方法,可进行实际业务应用。     

概率配对法在雷达定量估测降水中的应用

目前,CINRAD WSR-98D雷达所有降水估测产品都是基于现成的Z-I关系得到的,与实际雨量有较大差异,这和Z-I关系随季节和地区变化较大有关.因此,利用概率配对法对华北南部的Z-I关系进行了本地化,并应用计算得到的系数,对2006年5月25日、2005年9月20日、2006年7月14日3次降水过程进行了检验,与标准法估测得到的降水进行比较,结果表明:对于单站降水评定,＞2.5 mm-h-1的较强降水,概率配对法估测效果优于标准法估测降水;对于强度大或持续时间长的降水过程的区域总雨量估测,概率配对法明显优于标准法,对两次降水量大的过程,相对误差仅为-2.3%和1.3%,远远优于标准法的,38.5%和-19.0%.     

基于CINRAD-SA双偏振雷达新型定量降水估测方法研究

杭州下沙S波段天气雷达在双偏振升级的基础上增加了精细化探测技术,为了进一步提高雷达定量降水估测精度,本文参考小时雨量计订正雷达估测降水算法模型,建立了一种基于分钟级雨量计数据的实时定量降雨估测雨强订正方法(简称QPE-ADJUST法),利用雨量计资料对雷达的QPE数据逐体扫实时订正,累计完成1 h、3 h降水估测产品,提高了雷达降水估测精度。通过对雷达产品及自动站数据资料的评估,分别从降水估测算法、雷达分辨率影响及体扫周期速度影响3方面对QPE-ADJUST法的估测降水效果进行了统计分析。结果表明:QPE-ADJUST法在雷达高分辨率、快体扫周期的情况下均比其他算法更好地表现出降水时空分布特征,并将雷达小时定量降水估测的误差从50%降低至20%左右,有很高的估测精度和稳定性,具有业务应用价值。     

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度

文章发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线(VPR)获取近地面的最优反射率,并获取最优的动态Z-R关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响,因此有效弥补了雷达在复杂地形下VPR监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验,结果表明,反演的VPR能够较好地反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异,符合实际降水系统低层结构特征。相比传统的定量降水估计方法.改进算法较好地解决了复杂地形区域的强降水低估问题,其估测的小时降水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85~0.94,降水累积估测误差减少约50%。     

多普勒雷达定量测量武夷山降水软件设计

利用Visual Fortran和Visual Basic编程语言及有关算法，研发了多普勒雷达定量测量武夷山九曲溪降水软件系统，利用2002-2004年建阳CINRAD雷达28个过程的回波强度资料和福建省中北部27个地面雨量站与武夷山九曲溪10个自动雨量站的降水资料，通过“最优化处理法”和“相关性检验”等算法确定了三个不同区域三种不同降水类型的9组最优A、b值。利用所得的最优A、b值与最优混合扫描的回波强度资料作为输入，其生成的三种降水产品，在运用雷达定量估测降水方面，比建阳CINRAD雷达的PUP降水产品效果更加明显。     

Operational Evaluation of the Quantitative Precipitation Estimation by a CINRAD-SA Dual Polarization Radar System

In this paper, the quantitative precipitation estimation based on hydrometeor classification (HCA-QPE) algorithm was proposed for the first operational S band dual-polarization radar promoted by the CINRAD/SA radar of China. The HCA-QPE algorithm, the localized Colorado State University-Hydrometeor Identification of Rainfall (CSU-HIDRO) and Joint Polarization Experiment (JPOLE) algorithms, and the dynamic Z-R relationships based on variational correction QPE (DRVC-QPE) algorithm were evaluated with the rainfall events from March 1 to October 30, 2017 in the Guangdong Province. The results indicated that even though the HCA-QPE algorithm did not use the observed rainfall data for correction, its estimation accuracy was better than that of the DRVC-QPE algorithm when the rainfall rate was greater than 5mm h^(-1); and the stronger the rainfall intensity, the greater the QPE improvement. And the HCA-QPE algorithm worked better than the localized CSU-HIDRO and JPOLE algorithms. This study preliminarily verified the improved accuracy of QPE by a dual-polarization radar system modified from CINRAD-SA radar.     

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。     

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。     

Application of X-band Polarimetric Phased-array Radars in Quantitative Precipitation Estimation

The performance of different quantitative precipitation estimation(QPE) relationships is examined using the polarimetric variables from the X-band polarimetric phased-array radars in Guangzhou,China.Three QPE approaches,namely,R(Z_H),R(Z_H,Z_DR) and R(K_DP),are developed for horizontal reflectivity,differential reflectivity and specific phase shift rate,respectively.The estimation parameters are determined by fitting the relationships to the observed radar...