雨量计密度对校准雷达估测降水的影响及单点对校准的贡献

利用新一代天气雷达基数据资料和天津三次不同类型降水天气过程的降水量资料,采用变分校准方法,以校准区域内所有雨量计校准雷达得到的估测降水场作为"真值场",对比分析14种不同密度雨量计网校准雷达估测降水的效果,并对雨量计网中单个雨量计站点对校准雷达的贡献进行试验分析。结果表明:（1）参加校准的雨量计密度较小时,雷达估测降水的误差较大,估测效果不好;随校准雨量计密度的不断加大,雷达估测降水的偏差明显减小、估测精度不断提高并逐渐趋于稳定。（2）校准不同类型降水需要的雨量计密度不同,这与降水的性质有关;当校准雷达估测降水的效果与"真值场"的相当时,所需的雨量计密度为121 km²·部^-1。（3）在雨量计校准网中任意增加降水量不为零的站点,会在增加的站点周围出现估测偏差（高估或低估）,偏差的大小与站点降水量相对于其周围雨量计平均值的大小有关、偏差的影响范围则与站点周围雨量计的分布密度有关。（4）任意增大（减小）雨量计校准网中单个站点的降水量会使雷达对站点周围降水的估计偏高（偏低）,高（低）估的程度及影响范围与站点降水量增大（减小）的多少及站点周围雨量计分布密度有关,而与降水类型及降水随时间的演变无关。     

校准雨量计密度对雷达联合雨量计估测流域平均面雨量的影响

使用加密雨量计网资料联合合肥新一代多普勒天雷达资料,通过5个个例对2003年佛子岭和响洪殿子流域内6月下旬至7月中旬的3次典型梅雨期层积混合云降水过程,进行了校准雨量计密度对雷达联合雨量计估测流域平均面雨量的影响研究。文中采用Z=300I~(1.4)和Z=200I~(1.6)两种关系式进行雷达降水估测,以各流域内布设12部雨量计距离平方反比法得到的平均面雨量作为真值,使用的校准雨量计数量逐渐从12部减少至1部,对雷达联合雨量计网以及单独使用雨量计网进行降水估算,并对结果进行了分析。结果表明:相比于作为真值的12部雨量计平均面雨量序列,两流域内未经校准的雷达估测累积平均面雨量均存在20%—50%的低估,使用不同的Z-I关系时,只是低估的程度有所变化;整体上用于校准的雨量计数量越多,校准效果越好,随着校准雨量计数量的增加,均方根误差值逐渐减小,并趋于稳定,同真值序列的相关性逐渐增强;雨量计数量一定时,校准雨量的结果优于单独使用相同雨量计估算的雨量结果;单部雨量计校准时,受雨量计在流域内的分布和相对于雨区的位置等影响,结果随着校准雨量计的不同而变化;文中研究的两流域内,当校准雨量计的数量大于等于2部时,均方根误差稳定,同真值的相关性较高,对应的雨量计密度在佛子岭流域为每900km~2布设1部,响洪殿流域为每700 k~2布设1部。     

雷达与雨量计同步结合区域型估算降水方程的误差分析

在明确提出云雨转换的概念和建立4个区域型雷达降水估算方程的基础上,重点研究了A_BS区域型降水估算方程误差估算的表示方法和评估判据,并分析了误差产生的原因,由此建立一种可通过设定μ_i合理区间来判别雷达和雨量计错误数据对的质量控制新方法。单站云雨转换系数A_Bi是时-空的函数,带有强烈的天气系统和地理属性。A_Bi与区域云雨转换公共系数A_BS以b_f^-1为指数幂值的相对离差就等于单站降水误差估算因子μ_i,从而揭示了引起降水估算误差的根本原因。在μ_i的基础上扩展衍生出表示区域降水估算误差的4个量值,即区域平均绝对误差估算因子μ_A、区域降水误差估算率μ_S、区域降水绝对误差估算率μ_|S|及区域平均绝对误差估算量E_N,指明了各自的物理意义并分析其间的相互关系。理论和实践表明,在"基于准同雨团样本概念雷达和雨量计的实时同步结合方法"（RASIM）中,A_BS型区域降水估算方程对于区域各站降水总量的估算具有μ_S=0的特点。μ_A是区域内各单站|μ_i|的平均值,可诠释为多个单站的A_Bi相对于A_BS的聚合与离散程度的整体表示,与天气系统的结构及演变过程特征的复杂性密切相关,但μ_A与雨量大小无关,无力判定降水估算的误差量。而μ_|S|和E_N既联系着μ_A,又与雨量有关,是较为合理而实用的降水估算误差判据。经过武汉雷达探测4次降水过程的试验评估,总体绝对误差率μ_T|S|小于30%,比未经过质量控制的误差减少7%。     

漂移克里金方法在雷达和雨量计联合估测降水中的应用

文中介绍了一种新的融合雷达和雨量计数据开展定量估测降水研究的空间信息统计学方法-Kriging with externaldrift(KED)方法.该方法能很好地融合高精度、低时空分辨率的雨量计数据和低精度、高时空分辨率的雷达数据进行插值.通过变异函数描述降水场的空间结构信息,能够充分利用数据间的空间相关性,来改进估测精度和提高处理速度.利用其优良的数学特性,以期在定量估测降水业务研究上进行新的探索和尝试.选用湖南省有代表意义的3次降水过程资料,通过雷达直接估测降水(RAD)、变分校准(VAR)以及KED3种方法,分别与雨量计测量值进行对比分析,选用代表站进行交叉验证结果均表明:RAD的均方差、绝对误差、相对误差最大,VAR次之,而KED最小.KED估测的结果与雨量计测量降水最为接近,估测效果最好;3种方法与雨量计实测值计算一定范围的误差频率,KED估测值具有最小的均方差和最小的标准差,且误差分布相对集中在0值附近,斜度和峰度最佳,试验证明该方法不仅能提高降水估测精度,且优于其他方法,VAR均方差次之,RAD均方差效果相对较差.联合雷达、雨量计估测降水的实质是把雷达估测值与雨量计测量的结果相融合,以雨量计来校准雷达估测值,保留了雷达探测剑降水的中、小尺度精细特征.校准后的雨量场数值接近雨量计测值,而且能够准确反映雷达测得的降水分布形式.     

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。     

基于漂移克里金融合雷达、雨量计定量估测降水研究

文中介绍了一种新的融合雷达和雨量计数据开展定量估测降水研究的空间信息统计学方法—Kriging with external drift(KED)方法。该方法能很好地融合高精度、低时空分辨率的雨量计数据和低精度、高时空分辨率的雷达数据进行插值。通过变异函数描述降水场的空间结构信息,能够充分利用数据间的空间相关性,来改进估测精度和提高处理速度。利用其优良的数学特性,以期在定量估测降水业务研究上进行新的探索和尝试。选用湖南省有代表意义的3次降水过程资料,通过雷达直接估测降水（RAD）、变分校准（VAR）以及KED 3种方法,分别与雨量计测量值进行对比分析,选用代表站进行交叉验证结果均表明：RAD的均方差、绝对误差、相对误差最大,VAR次之,而KED最小。KED估测的结果与雨量计测量降水最为接近,估测效果最好;3种方法与雨量计实测值计算一定范围的误差频率,KED估测值具有最小的均方差和最小的标准差,且误差分布相对集中在0值附近,斜度和峰度最佳,试验证明该方法不仅能提高降水估测精度,且优于其他方法,VAR均方差次之,RAD均方差效果相对较差。联合雷达、雨量计估测降水的实质是把雷达估测值与雨量计测量的结果相融合,以雨量计来校准雷达估测值,保留了雷达探测到降水的中、小尺度精细特征。校准后的雨量场数值接近雨量计测值,而且能够准确反映雷达测得的降水分布形式。     

在雷达—雨量计联合探测系统中距离加权和时间外推校准技术的研究

本文用距离加权方法校准天气雷达估算降水强度和区域降水量。     

雷达-雨量计联合估测降水初值场形成方法探讨

在雷达-雨量计联合估测区域降水量中,参加校准的雷达初值场代表性好坏在很大程度上影响了最终的估测精度和雨量分布.作者从参加校准的雷达初值场的基本要求出发,分析了先前几种预处理方法的优缺点,提出一种新的资料预处理方法--时间权重平均法,并用1996～1997年的雷达和地面雨量站实测资料进行了分析.结果表明:该方法充分考虑了雷达和雨量计观测的时间一致性,能够在一定程度上改善雷达估测降水的初值场,提高了估测区域降水量的精度.     

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。     

主特征提取法在天气雷达降水估测集成分析中的应用

提出使用主特征提取法对天气雷达定量估测降水的几种模式结果进行集成分析，获得降水分布的共同特征，并参照雨量计资料确定雷达探测范围内的降水强度分布，实例分析表明效果较好。     

雷达雨量计资料用于径流模拟

利用测雨雷达结合稠密和稀疏雨量站网估计流域降水分布，将不同方法获得的降水分布输入降水径流模型TOPMODEL，模拟1998，1999夏季GAME／HUBEX试验区梅山和鲇鱼山集水区的径流，并与实测径流进行比较和分析，结果表明：1)雷达结合集水区内雨量计网模拟径流的精度优于传统的用稠密雨量计网模拟径流的精度；2)利用雷达结合集水区外相对稀疏的雨量计网模拟径流的精度和用集水区内稠密雨量计网模拟径流的精度相当，显示了测雨雷达在径流模拟和洪水预报中极大的应用潜力。     

雷达雨量计资料用于径流模拟(英)

利用测雨雷达结合稠密和稀疏雨量站网估计流域降水分布,将小同方法获得的降水分布输入降水径流模型TOPMODEL,模拟1998,1999夏季GAME/HUBEX试验区梅山和鲇鱼山集水区的径流,并与实测径流进行比较和分析,结果表明:1)雷达结合集水区内雨量计网模拟径流的精度优于传统的用稠密雨量计网模拟径流的精度;2)利用雷达结合集水区外相对稀疏的雨量计网模拟径流的精度和用集水区内稠密雨量计网模拟径流的精度相当,显示了测雨雷达在径流模拟和洪水预报中极大的应用潜力。     

基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段,但随着运行时间的增加,雷达发射机、接收器等参数的变化,会使观测数据产生漂移偏差,从而对云物理特性的反演产生显著影响,因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar,K波段云雷达）云雷达特征,本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进,优化了对弱云和降水的信号识别,利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子,气体衰减校正等数据,对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准,建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库,并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义,同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

一次长历时特大暴雨多普勒雷达中尺度分析

2008年7月22日湖北省襄樊市出现了一次长历时的特大暴雨过程,9小时内降水量301 mm,占年平均降水量的三分之一,为当地有气象记录以来最大、最强的一次降水过程。利用多普勒雷达资料等对这次特大暴雨的回波结构特征、中尺度系统活动和地形作用进行了分析。结果表明:(1)在低涡、切变线共同作用下,影响襄樊地区特大暴雨的回波系统有两个,一是稳定维持在鄂西北地区的切变线带状降水回波,二是低涡东北侧发展的具有螺旋回波带结构的涡旋回波,两者构成涡带结合型回波结构形态。在涡带结合处,对流回波的不断新生、向北移动导致襄樊地区持续性的强降水。(2)襄樊特大暴雨过程的发生与其北部115 km处的一支东北风中尺度超低空急流的建立,及其南部低涡东侧强偏南暖湿气流的向北发展有密切关系。由于襄樊西侧武当山的屏障作用,超低空东北急流折向东南,与偏南暖湿气流在静止锋附近形成中尺度气旋性辐合上升运动。两支急流的维持对襄樊附近持续性的辐合上升运动起到关键作用。     

北京短时局地暴雨多普勒天气雷达观测分析

中小尺度天气系统造成的短时局地暴雨的临近预报目前仍是预报中的难点,也是2008年奥运会提供精细化预报需要进一步研究的问题。了解不同云系的结构及雷达回波的特征,还可以为人工增雨制定最佳作业方案,选择最佳作业时机。用每小时的地面自动站雨量资料结合北京市气象台的多普勒天气雷达资料,查找出造成北京2004年夏季(6~8月)的短时局地暴雨天气的雷达回波单体。对多普勒雷达回波资料分析表明:在多普勒径向速度图上“辐合点”、“中气旋”的图像特征出现有利于局地暴雨发生,并提前于暴雨。对突发性局地暴雨的临近预报有一定的指示意义。     

Calibration and Data Quality Analysis with Mobile C-Band Polarimetric Radar

A C-band mobile polarimetric radar with simultaneous horizontal and vertical transmission was built in the State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences. It was used in heavy rainfall and typhoon observations in 2008. It is well-known that radar calibration is essential and critical to high quality radar data and products. In this paper, the test and weather signals were used in calibration of reflectivity ZH, differential reflectivity ZDR, and differential phase ΦDP. Noise effects on correlation coefficient ρHV at low signal-noise-ratio (SNR) were analyzed. The polarimetric radar data for a heavy rain and a snow event were inspected to evaluate the performance of the calibration method and radar data quality, and S-band Doppler radar data were used to validate the reflectivity data quality collected by the polarimetric radar. The results show that the polarimetric and S-band Doppler radars have observed comparable reflectivity values and a similar structure of a heavy rainfall case at middle and low levels. The mismatch of two receivers produce obvious ZDR biases, which were verified by the radar data observed at vertical incidence. The ZDR correction improved the radar data quality. The usage range for ρHV was defined. Application of the calibration method introduced in this paper can reduce the system biases caused by the di?erence of horizontal (H) and vertical (V) channels. After the calibration and correction, the polarimetric parameters observed by the polarimetric radar could be used in further relevant researches.     

天气雷达反射率基数据质量控制的几种算法

回顾了国内外针对基数据质量自动控制技术的研究进展;详细介绍了基于模糊逻辑的雷达回波分类算法、基于水平和垂直反射率结构的质量控制算法、基于神经网络的天气雷达数据质量控制方法的设计思想、计算步骤和适用范围,并对3种算法的优缺点进行了比较;最后对质量控制技术的发展作了展望。结果认为,基于水平和垂直反射率结构的质量控制算法可以有效地识别地物杂波,算法相对简单且效率较高,适合业务使用。     

用典型相关分析预测福建前汛期降水

应用EOF—CCA方法对福建省前汛期(5～6月)降水量场进行试预测,预测因子选取关键区海温场及13项物理量场,降水量场为35个地面气象站降水资料。采用3种方案进行试预测,分别以关键区海温场为因子,13项物理量场为因子,或两者相结合。通过5年的独立样本预测检验表明,3种方案对福建省前汛期降水量场进行短期气候预测均有一定的预报技巧,预报时效最佳的时期是前一年的11、12月分,以关键区海温为因子的预测效果最好,12月份关键区海温结合13项物理量场为因子预测稳定性最好,可用于日常预测业务中。