Precipitation patterns and associated hydrological extremes in the Yangtze River basin,China, using TRMM/PR data and EOF analysis

Abstract

A decadal-scale study to retrieve the spatio-temporal precipitation patterns of the Yangtze River basin, China, using the Tropical Rain Mapping Mission, Precipitation Radar (TRMM/PR) data is presented. The empirical orthogonal function (EOF) based on monthly TRMM/PR data extracts several leading precipitation patterns, which are largely connected with physical implications at the basin scale. With the aid of gauge station data, the amplitudes of major principal components (PCs) were used to examine the generic relationships between precipitation variations and hydrological extremes (e.g. floods and droughts) during summer seasons over the past decade. The emergence of such major precipitation patterns clearly reveals the possible linkages with hydrological processes, and the oscillations in relation to the amplitude of major PCs are consistent with these observed hydrological extremes. Although the floods in some sections of the Yangtze River were, to some extent, tied to human activities, such as the removal of wetlands, the variations in major precipitation patterns are recognized as the primary driving force of the flow extremes associated with floods and droughts. The research findings indicate that long-distance hydro-meteorological signals of large-scale precipitation variations over such a large river basin can be successfully identified with the aid of EOF analysis. The retrieved precipitation patterns and their low-frequency jumps of amplitude in relation to PCs are valuable tools to help understand the association between the precipitation variations and the occurrence of hydrological extremes. Such a study can certainly aid in disaster mitigation and decision-making in water resource management.

Editor Z.W. Kundzewicz; Associate editor A. Montanari

Citation Sun, Z., Chang, N.-B., Huang, Q., and Opp, C., 2013. Precipitation patterns and associated hydrological extremes in the Yangtze River basin, China, using TRMM/PR data and EOF analysis. Hydrological Sciences Journal, 57 (7), 1315–1324.     

基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究

本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.     

中国西北干旱区TRMM遥感降水探测能力初步评价

西北干旱区雨量站点稀少且分布不均,为水文过程研究带来一定困难。TRMM遥感降水数据覆盖范围广、时空分辨率高,是很有潜力的降水替代品,但其在西北干旱区应用的可靠性需要评价。对TRMM网格降水量与地面实测降水量在日尺度和月尺度上进行比较,通过FBI（frequency bias index）、POD（probability of detection）、FAR（false alarm ratio）、偏差和相关系数等指标分析TRMM对降水的探测能力。结果表明：TRMM对降水的探测能力因区域、海拔和冷暖季而异,月时间尺度上TRMM对降水事件的发生频率和降水量的估计比日时间尺度更为准确,但二者探测能力都非常有限;76个格点中,日降水的[FBI]值都远离最优值1,POD值和FAR值则分别在0.72以下和0.37以上,离最优值较远,相关系数几乎都在0.4以下,只有14个格点的偏差在±10%之间,其余格点最大偏差高达389%。最多有9个格点的月降水[FBI]值达最优,14个格点的POD值达最优,24个格点的FAR值达最优,67个格点的相关系数在0.4以上,14个格点的偏差在±10%之间,只有极少数格点的全部指标都在可接受范围之内,多数站点是某些指标达最优值,而某些指标在可接受范围之外。总体来讲,TRMM遥感降水数据在西北干旱区难以直接应用,需要进一步纠正处理。     

热带测雨卫星综合探测结果之"云娜"台风降水云与非降水云特征

为了解降水云与非降水云相应的微波信号、云水、雨水及潜热特征,文中利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达、微波成像仪及红外辐射计探测的匹配融合结果,就2004年8月“云娜”台风进行了个例分析研究。结果表明:“云娜”台风过程中深厚降水云占79%,中云和低云降水仅分别占10.6%和10.4%;非降水低云所占比例最大(45.5%),高云其次(34.1%)。降水云中大粒子居多,非降水云粒子有效半径分布宽。深厚降水云中冰、水含量成正比;中等厚度降水云中的冰含量相对稳定,但液态水含量变化大;深厚和中等厚度非降水云中的冰、水含量皆成反比。对降水率、气柱潜热、气柱云水和云冰沿台风径向分布的分析结果发现,台风生成前的低压中心附近降水率和气柱总潜热比随后时次均大,表明降水释放潜热对“云娜”台风的形成起到了非常重要的作用;在台风形成后,降水率和气柱总潜热自台风云墙向外减小;随着台风的成熟,降水率和气柱总潜热沿台风径向分布趋于稳定。潜热廓线分析表明,深厚降水云潜热释放在对流层中上部(3 km以上),最大潜热高度约4.5 km。对降水云和非降水云的冰、水含量平均垂直廓线分析表明,深厚和中等厚度的降水云中水粒子含量具有相似的平均廓线,最大值(约0.03 g/m3)位于4—5 km高度,降水低云中的水粒子含量最大值(约0.07 g/m3)位于4 km高度;对于非降水云,3种不同高度的潜热廓线、水和冰粒子含量廓线相似,反映了TRMM反演算法对这些参数的反演仍存在缺陷。     

利用TRMM降水资料对华南和长江流域夏季天气尺度波的对比分析

利用1998~2003年共6 a的TRMM 3B42降水资料, 采用一种新的三维波谱分析方法, 对中国华南地区和长江流域夏季的天气尺度波进行了对比分析. 结果表明: 华南地区存在明显的向西传播的天气尺度波, 波数主要集中在9~21, 频率范围为: -0.22~-0.12 d^-1; 而长江流域主要是向东传播的天气尺度波, 其波数也集中在9~21, 频率范围为: 0.20~0.29 d^-1. 通过对这两种天气尺度波波能的经向和纬向分布、波动随季节的强弱变化的对比分析得出, 夏季华南地区天气尺度波是由西太平洋热带辐合带波动的北移引起的, 而长江流域的天气尺度波则是由西风气流中高原小槽东移所造成的.     

TRMM/PR资料在中尺度模式中的应用

将中尺度非静力模式MM5中的积云参数化Grell方案作了改进,使它含液态水含量,并用该模式对1998年6月29日08：00～30日08：00(北京时,下同)和7月1日08：00～2日08：00发生在淮河流域的两次特大暴雨进行数值模拟研究,同时通过采用不同高度上的Z—qr关系式将TRMM／PR(Tropical Rainfall Measuring Mission／Precipitation Radar)雷达得到的反射率资料计算出比含水量qr,然后用qv=qv qr取代原模式中的比湿qv。结果表明,将TRMM／PR雷达资料加入模式后,由于PR雷达具有较高的空问分辨率,能够很好地反映中小尺度系统的空间结构,使湿度值接近实际,缩短了中尺度系统的发展时间,使得模拟出来的降雨强度、雨量中心位置以及雨带形状更接近实况。     

闪电的光辐射能分布特征

对TRMM卫星上装载的闪电成像仪(LIS)所获取的闪电光辐射能进行了分析,发现在不同地区和不同的空间、时间尺度上闪电光辐射能都很好地遵循对数正态分布。文中利用了一个国际上公认的一维雷暴云起电和放电模式,对闪电放电中和的电荷量进行了数值模拟。蒙特卡罗算法表明,闪电放电所中和的电荷量也遵循对数正态分布,云中的软雹浓度、破碎系数、温度递减率、放电的电场阈值等参量的综合作用可以对其进行较好的解释,而其中任意一种参量的单独作用则不然。     

A comparison study of summer-time synoptic-scale waves in South China and the Yangtze River basin using the TRMM Multi-Satellite Precipitation Analysis daily product

Summer-time synoptic-scale waves in South China and the Yangtze River basin are quantified and compared by means of analyzing the 6-year (1998―2004) TRMM Multi-Satellite Precipitation Analysis (TMPA) daily product. An innovative 3-dimensional spectrum analysis method is applied. The results indicate that synoptic-scale waves appearing in South China prominently propagate westward within a zonal wavenumber range of 9―21 and a frequency range of-0.12―-0.22 cycles day-1, while those in the Yangtze River basin primarily move eastward with the same characteristic wavenumbers of 9―21, but within a frequency range of 0.2―0.29 cycles day?1. Zonal and meridional distributions, and seasonal variations of these waves are further explored and compared. It shows that summer-time synoptic-scale waves in the South China result from the northward migration and oscillation of the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) in the western Pacific, whereas the ones in the Yangtze River basin are generally related to the synoptic troughs within the westerly flow, originating from the Qinghai-Tibet Plateau.     

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风“艾利”降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) 再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风“艾利”发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。     

基于TRMM/PR的长江下游地基雷达一致性订正

我国有近200部地基多普勒天气雷达,已经积累了近20年的观测数据,这些数据对雷达气候学研究非常重要。但由于不同雷达的标定误差不同,雷达之间存在观测值不一致性的现象（与美国的地基雷达类似）,有的反射率因子差异超过了3 dB。这种不一致影响了多雷达联合降水估计的精度和雷达组网临近预报的效果。为此,采用筛选比较法对地基雷达与TRMM/PR（Tropical Rainfall Measuring Mission/Precipitation Radar）进行空间匹配和异常数据剔除,以TRMM/PR为参照计算并订正地基雷达偏差。对2013年5—9月长江下游7部S波段雷达数据订正后,结果表明:订正后7部雷达之间的平均反射率因子差异从1.8 dB降至0.5 dB,任意两部雷达之间的差异均小于1.0 dB,多雷达的观测一致性和空间连续性有明显改善。与传统的几何匹配法比较,筛选比较法订正结果相对稳定,不存在过量订正的问题。