同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响

选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程,考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息,是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES(Global/Regional Analysis and Prediction System)区域三维变分系统,将FSU(Florida State University)对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出,同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散,从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明,同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外,低空辐合有利于水汽垂直输送,维持对流发展,改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明:同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布,而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。

雷达雨量计联合估算降水在城市内涝模型中的应用

为了满足城市暴雨内涝模型对面雨量精细化的需求,在天津城市暴雨内涝模型的基础上,将雷达估算降水产品应用到模型面雨量计算中,针对2012年7月25—26日天津的大暴雨过程,考察4种雷达估算降水产品和两种插值方法计算的内涝模型面雨量。经过对比发现,利用变分方法计算的雷达估算降水产品VAR用曲面插值方法计算内涝模型的面雨量整体效果最好。

多普勒雷达估算降水和反演风在不同初值方案下对降水预报影响的数值研究

基于有限区域中尺度暴雨预报模式AREM,利用常德、荆州、宜昌3部多普勒雷达及武汉数字化天气雷达联合反演的1h降水量资料和宜昌、荆州多普勒雷达反演的水平风场资料,采用3种不同的初值方案:Grapes-3DVAR同化方案、Barnes客观分析法及Barnes-3DVAR同化方案,对2002年7月22日20:00—23日20:00发生在长江流域的一次大暴雨过程进行了多普勒雷达估算降水和反演风场在不同初值方案下对降水预报影响的数值试验,结果表明:(1)采用相同资料源(探空+T213L31分析场),3种初值方案降水模拟效果差别显著。整体而言,融合了Barnes和3DVAR两种方案的Barnes-3DVAR初值方案降水模拟效果最好:雨带模拟完整,位置与实况完全一致;降水中心中尺度结构清晰,位置、强度与实况接近。(2)Barnes-3DVAR同化方案与Grapes-3DVAR同化方案都能同化雷达降水和风场资料,但两者降水预报结果相差很大。Barnes-3DVAR方案下的降水模拟结果明显好于Grapes-3DVAR同化方案。(3)Grapes-3DVAR同化方案下,在控制试验的基础上增加雷达降水资料的同化,24h降水模拟效果有所改善;增加雷达风场资料的同化,仅部分改善模拟效果,某些地方效果反而变差;同时增加雷达降水和风场资料的同化,降水模拟效果反而明显变差。Barnes-3DVAR同化方案则不然,无论雷达降水资料和风场资料单独同化还是两种资料同时同化,降水模拟效果都有不同程度的改进,特别是对雷达降水和风场资料同时同化的模拟结果是各种试验中效果最好的。(4)融合Barnes客观分析方法和Grapes-3DVAR同化方案的Barnes-3DVAR同化方案,是同化雷达降水和风场资料的一种新的、有效的初值方案。

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。

雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合估算降水量

为了提高区域降水量观测的空间分辨率,提出了雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法。首先,利用粒子激光探测仪观测到的滴谱资料建立实时的Z-I关系,然后,利用变分法对同时有雷达回波和雨量计资料的点的实测校准因子进行校准,获得最优校准因子分析场,最后,对有雨量计的点取雨量计实际观测值,没有雨量计的点利用最优校准因子分析场估算降水。利用此方法对辽宁省2007年5月15日一次天气过程进行降水量估算,结果表明:雷达-雨量计-粒子激光探测仪联合校准法结合了雨量站观测资料单点精度高和雷达资料时空分辨率高的优点,提高了降水量的估算精度,更好地反映了降水的空间分布。

多部雷达联合估算淮河流域降水

以淮河流域内6部CINRAD雷达基数据资料以及高密度自动雨量站观测资料为源,在应用多种方法进行降水估算和校准,并采用主成分集成方法进行集成应用的基础上,采用"先估算降水再拼图"和"重叠区域选取最大值"的方法来进行整个流域的降水估算结果拼图,从而实现了整个淮河流域的降水估算。从2007年7月初降水过程应用结果来看,经过校准以后估算误差在45%以下,并且能够反映出缺少地面雨量观测站的区域的降水分布,是一种切实可行的淮河流域降水估算的方法。

基于微波辐射计和闪电观测资料估算对流性降水方法初探

利用闪电定位系统、MP-3000A地基微波辐射计、雷达、地面雨量计和探空等观测资料对2015年5月14—15日湖北地区一次强对流过程中降水量、闪电、水汽、液态水含量的时空分布特征等进行分析,并基于闪电和微波辐射计资料联合估算对流性天气中的降水量。结果表明,降水发生前,微波辐射计探测到空中水汽密度和液水含量明显增加,闪电活动峰值提前于降水峰值2 h。水汽密度与云闪数有较好的相关性,相关系数为0.98。利用水汽密度和地闪资料估算对流性降水结果与观测结果比较一致,估测的降水量好于仅用地闪资料的估算,且基于水汽密度、地闪得到的单个闪电表征的降水量为1.94×10~7kg·fl^(-1)。

雷达估算和雨量站插值降水精度的对比分析

以武汉多普勒天气雷达(CINRAD/SA)及其有效探测范围内的气象站和水文站的雨量观测资料为基础,运用集对分析方法确定雷达估算降雨场的Z-I关系,通过对雷达估算降雨和雨量站网格插值降雨进行对比分析,发现雷达估算降雨的精度要高于雨量站对网格降雨插值的精度,随着与被插值网格距离的增加,插值的误差随之增大。

基于FY-2C卫星资料估算四川地面降水方法研究

应用2006年6月6日00时(北京时)至7日06时四川地区的自动站降水资料和FY-2C静止卫星红外亮温资料,共3854对样本,分析发现1小时内的最低红外亮温和红外亮温增量两因子能很好地表征地面1小时累计降水量,且能有效地进行四川地面1小时降水估算,并由此建立了估算降水方法。通过对2006年8月27日13—19时,2006年8月28日04—16时两个时段估算降水结果的初步检验来看,其均方根差都小于2.0mm,随着最低亮温的增加,其均方根差也越小。由此可见,基于FY-2C静止卫星1小时内最低红外亮温和亮温增量来估算四川地面1小时降水是可行的,且效果较好。

新一代天气雷达降水估算的区域覆盖能力评估

准确分析雷达的覆盖能力是应用新一代天气雷观测数据的重要基础,本文提出依据0℃层高度和雷达波束阻挡来分析雷达降水估算有效覆盖范围的方法,并以浙江为例,客观评估了新一代天气雷达针对降水估算的区域覆盖能力。分别评估雷达网当前业务中默认的降水估算混合扫描方法和考虑地形影响的混合扫描方法的覆盖效果,结果表明:相对SA雷达230 km的降水估算半径,本地主汛期内有17%的区域因波束太高而不适宜于降水估算;而在适宜高度范围内的有效覆盖与波束阻挡直接相关;无论哪种方法,因波束阻挡产生的盲区都较小;而业务默认方法由于未处理波束阻挡,导致35%的降水低估风险区,浙江大部分地区都存在低估风险;而考虑波束阻挡后有效覆盖区达82%以上,且对全年绝大部分降水的区域覆盖效果都相当好。鉴于浙江雷达网良好的覆盖能力,提出改进的雷达降水估算混合扫描方法,即在应用波束阻挡的同时,以本地0℃层为波束高度约束,从所有仰角中提取混合扫描数据。对比分析表明,该方法不仅满足区域覆盖的要求,而且估算的降水空间分布与地面观测实况的一致性最好。

美国国家强风暴实验室定量降水估算系统简介

介绍了美国国家强风暴实验室(NSSL)研究开发的定量降水估算系统——全国拼图和多途径定量降水估算系统。对该系统的基本情况、各种产品模块和涉及的算法技术等进行了详细介绍,也简单介绍了该系统的评估结果、应用效益和今后需要开展进一步研究的技术挑战。

云／雨相关分析与降水的卫星定量估测模式研究——a．云、雨场相关的定量分析及估算模式设计

通过大样本的云／雨场的多角度的定量分析，文中指出，静止气象卫星的红外通道（GMS／IR1／WV）的观测数据，在经一定的技术处理后，与卫星观测时数h之后的h十1、h＋2时的降水强度R（h＋1）、R（h＋2）均有显著的相关关系，而与h＋3时之外的降水强度的相关关系则呈现出锐减的趋势。这表明，利用静止气象卫星的云观测资料来进行降水的短时定量估算是有可能的，但可外延的估算时效是很有限的，约在3h之内。 依据云／雨场的定量分析结果，文中设计两个表征云／雨关系特征的形态函数f（tb）和P（S）；通过函数参数优化组合分析，求得各函数的最优参数组合，由此给出一个以动态云图先行MctCS属性识别为前提的R（h＋2）的定量估算模式。本篇介绍云／雨场相关的定量分析结果和f（tb）、P（S）函数的设计及其参数优化组合分析模式。

云／雨相关分析与降水的卫星定量估测模式研究 b．卫星定量估算模式的精度分析与评估

通过对大样本的云／雨场的多角度的定量分析，文中指出，静止气象卫星的红外通道（GMS／IR1／WV）的观测数据，在经一定的技术处理后，与卫星观测时数h之后的h＋1、h＋2时的降水强度R（h＋1）、R（h＋2）均有显著的相关关系，而与h＋3时之外的降水强度的相关关系则呈现出锐减的趋势。这表明，利用静止气象卫星的云观测资料来进行降水的短时定量估算是有可能的，但可外延的估算时效是很有限的，约在3h之内。依据云／雨场的定量分析结果，文中设计两个表征云／雨关系特征的形态函数f（tb）和p（s）；通过函数参数优化组合分析，求得各函数的最优参数组合，由此给出一个以动态云图先行MαCS属性识别为前提的R（h＋2）的定量估算模式。本篇介绍卫星定量估算短时降水模式及其应用效果的评估。以详实的对比结果证实以GMS通道数据进行短时降水定量估算的现实可行性。

长江三角洲FY卫星数据降水估算

快速准确地掌握降水的时空分布,对于区域气候、水文和生态环境等至关重要。以长江三角洲为研究区域,获取FY卫星影像光谱特征,对其进行特征分析并结合地面实况降水观测数据,获得卫星降水模拟参数的特征集,利用SVM(Support Vector Machine)优越的非线性回归性能,提出一种自适应、自学习的降水估计方法。实验结果表明:卫星云图适用于阐释云的降水机理,将其与SVM结合,可以很好地表达长江三角洲区域降水与云图特征间的非线性关系。此方法得到的降水估计量与地面实测降水数据的相关系数为0.85,表明本文方法可对该地区的降水估计发挥作用。

雷达定量降水估算在官山河流域山洪模拟中的应用分析

为了应对水文科技创新、智慧水文提出的新要求,采用科技前沿技术,结合国内外水文科学先进理念,通过雷达遥感资料进行雨量监测,利用遥感影像资料进行土壤含水量和蒸发量反演,在无资料地区开展水文模型研究。研究结果表明:科学使用雷达降水(QPE)可改善山洪模拟的精度,雷达能够反映降雨的空间异质性,雷达定量估测降水可提高降雨测量的准确度,也能较为明显提高洪水模拟的可靠性。

贵阳市区强降水成因分析及可能最大降水估算

对贵阳市区强降水的特征和成因进行了详细分析,在此基础上应用当地典型暴雨水汽效率放大法推求计算贵阳12、3、d的最大可能降水量。为分析贵阳可能最大降水的合理性,还采用极值分布法推算贵阳最大1 d降水量的重现期,并与典型暴雨水汽效率放大法的结果进行比较。由计算结果可以看出,典型暴雨水汽效率放大法的结果比极值分布法的结果要偏大,采用此方法对城市防涝工程的设计更安全。

利用卫星云图对层状云进行降水估算指导增雨决策

本文利用Micaps系统提供的FY—2及GEOS—9两种卫星云图资料,通过降水与云图多通道纹理的统计方法建立相关方程,进行降水的估算试验。试验结果表明,可以对增雨作业的决策起到一定指导作用。

基于地形因子的天山降水估算

地形对山区降水的形成、发展过程起着重要作用。针对天山山区气象站点稀少,难以深入认识山区降水空间分布格局及其机理的问题,基于气象站点降水资料,结合经度、纬度、海拔、坡度、坡向、地形起伏度和地形开阔度等7个地形因子作为主成分分析指标,运用主成分逐步回归法建立了天山山区降水估算模型。结果表明:模型能够很好地反映天山降水特征及季节变化,回归效果较显著,在模拟天山降水方面有一定适用性。冬季模拟效果最好,偏差范围在-10~10 mm。夏季模拟偏差较大,偏差范围在-13~18 mm。

星基多光谱分析的降水估算

对从已广泛应用的全球气候模型到局地降水和洪灾的预报而言,准确估算降水的数量、时间和空间分布是至关重要的。降水作为地球水循环的一个关键组成部分,对于人类的生命财产安全有着重要的影响。从区域到全球尺度,现存的地基降水观测网络是不足的;因此,卫星提供了一种可行和吸引人的选择。

运用地理因子推算山区局地降水量的研究

根据北京有关地区气象站与潮白河、永定河、温榆河、拒马河等流域的水文站和雨量站的年平均降水资料，采用模糊聚类的方法将北京山区的降水分为３类地区。然后利用逐步回归方法，分别对各类地区进行分析，建立降水与影响因子的回归方程。进而利用方程求出１ｋｍ网格距的山区局地降水地理分布，所得结果与实际降水分布较为吻合，平均绝对误差为３３ｍｍ，相对误差为５．６％，可以满足实际应用的需要。