利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达(CINRAD/SAD)水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络(CNN),建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet,并将该架构用于雷达定量降水估测(QPE),评估结果表明:数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差(RMSE),并提高相关系数(CORR);对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差(RMSE)分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6~5 mm、5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差(RMSE)、平均偏差比(MBR)、平均误差(AE)和相对误差(RE)等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。

基于雨滴谱仪的大理雷达定量降水估测初探

选取2022年夏季两次强降雨过程,利用激光雨滴谱仪与大理C波段雷达对Z-I关系进行本地化研究,得出如下结论:雷达回波反射率取值采用0.5o仰角和九点平均与雨滴谱仪反演反射率相关性最高,相关系数达到0.9108。建立了Z-I关系,其系数A为193.02,b为1.7。使用五种误差评价指标对估测雨量做出评价,发现利用雷达和雨滴谱两者的反射率因子线性关系式修正雨滴谱反射率因子估算出的降雨量,其效果要好于雨滴谱估测雨量,其雨量均方根误差仅为3.8mm。

深圳X波段双偏振相控阵雷达降水估测算法效果评估

为验证X波段双偏振相控阵雷达的降水估测能力,利用2020年深圳市X波段双偏振相控阵雷达探测资料和广州市S波段双偏振雷达探测资料,建立基于双偏振雷达参量强弱(即ZH、ZDR和KDP)的本地化混合降水反演方法,对不同降水使用最优的雷达参量进行定量降水估测,统计广东龙门县2016年雨滴谱观测资料,得到降水估测公式中的系数,分析不同时间、空间和降水强度下降水个例,利用本地化降水反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料对比。结果表明,高时空分辨率的X波段相控阵雷达可以提高降水估测精度。X波段相控阵雷达在高时间分辨率下,其估测降水强度变化趋势和自动站观测的降水强度变化趋势一致,并且对降水强度小于40 mm/h的降水估测较为准确。在最大观测范围内,X波段相控阵雷达能观测到低层的气象信息,其降水估测的评估结果优于S波段雷达。X波段相控阵雷达对暴雨以下的降水估测更加准确,对暴雨以上的降水估测结果误差较大,可信度不高。

深圳S波段双偏振和X波段双偏振相控阵雷达定量降水估测组网拼图系统介绍

强对流系统诱发的局地暴雨往往造成城市内涝,带来严重的经济损失,危害人民生命、财产安全。为加强城市内涝预警能力、提高内涝预报精度、改善风险空间描述,急需研发高精度、高时空分辨率的城市降水监测产品。本研究基于深圳市1部S波段双偏振雷达和2部X波段双偏振相控阵雷达观测资料,研发了深圳市S波段双偏振雷达和X波段双偏振相控阵雷达定量降水估测(QPE)组网拼图系统。该系统主要包含以下4个模块:(1)雷达非气象回波的识别与去除;(2)复合平面扫描仰角信息计算;(3)S波段和X波段雷达单站降水率计算;(4)S波段和X波段雷达QPE拼图。基于新研发的S波段和X波段雷达定量降水估测拼图系统,产生时间分辨率1 min、空间分辨率30 m的QPE产品,并以自动气象站观测降水为标准,与深圳市目前天气预报业务QPE产品进行对比分析。结果表明,使用新研发的降水拼图系统产生的QPE产品,在精度和稳定性上优于业务产品。

汕头S波段双偏振雷达降水估测效果分析

为提高雷达定量降水估测的精度,本文选取2018—2022年汕头地区3次西南季风和3次台风降水过程,利用S波段双偏振雷达和自动站雨量计资料进行雷达降水估测效果分析。通过5个误差指标,分析了传统的PPS法、Ryzhkov的Ryzhkov法、郭佳的CSU-HIDRO_I法和汪舵的HCA-LIQ法,共4种雷达降水估测算法在6次降水过程中的降水估测效果,得出以下结论:在不分降水量级和降水类型的情况下,采用CSU-HIDRO_I进行雷达降水估测效果最优;在分雨强的情况下,小雨类采用Ryzhkov最优,中雨类和强降水类采用CSU-HIDRO_I最优;在分降水类型的情况下,西南季风降水过程中采用CSU-HIDRO_I最优,而台风降水过程中采用HCA-LIQ最优。在实际应用中,可综合考虑雨强和降水类型,采用相应的降水估测算法以提高雷达在定量降水估测的精度。

X波段双偏振相控阵雷达定量降水估测研究

双偏振雷达的一个重要应用是进行定量降水估测(QPE),常用的双偏振雷达降水估测方法主要有基于反射率(ZH)的R(ZH)关系、基于ZH和差分反射率(Z_(DR))的R(Z_(H),Z_(DR))关系、基于差分传播相移率(K_(dp))的R(K_(dp))关系、基于K_(dp)和Z_(DR)的R(K_(dp),Z_(DR))关系四种。本文利用厦门X波段相控阵雷达组网试验的36个降水时段的小时降水资料,采用最优化处理法,对S波段双偏振雷达适用的四种降水估测方法分别进行优化,使其适用于X波段相控阵雷达,并将优化后估测方法的测雨效果与X波段雷达自带的定量降水估测产品(X-QPE)进行对比评估,结果表明:(1)使用偏振参量K_(dp)的降水估测关系能够改善雷达的降水估测效果,R(K_(dp))、R(K_(dp),Z_(DR))的测雨效果相对于R(Z_(H))、R(Z_(H),Z_(DR))有明显提升。其中R(K_(dp),Z_(DR))在降水估测的误差以及稳定性方面表现最优,其效果优于X-QPE。(2)R(K_(dp),Z_(DR))对于稳定性以及混合性降水的估测效果略差于X-QPE,对于大雨量级的降水效果略差于R(Z_(H)),但对于暴雨量级的降水、对流性质的降水以及深对流降水,R(K_(dp),Z_(DR))测雨效果的提升非常显著。

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。

基于雷达组网拼图的定量降水估测算法业务应用及效果评估

基于雷达组网实时的定量降水估测(QPE)及实时评估系统在浙江省杭州市气象局成功实现了业务应用,在评估雷达定量降水估测业务应用效果的同时,根据雷达反射率因子垂直廓线(VPR)特征,探讨分析了不同类型降水过程中雷达定量降水估测的误差源。系统联合杭州、宁波、舟山、温州、金华及衢州6部新一代天气雷达的基数据资料,以及覆盖浙江省且经反距离加权(Inverse Distance Weights,IDW)法实时质量控制的雨量计观测资料,采用先雷达组网拼图再降水估测的方案,集成Z-R关系法和最优插值法反演与校准雷达定量降水估测数据场。4次不同类型降水过程的评估结果表明:(1)在地物遮挡严重的浙江西北部和雷达覆盖较差的浙江南部,降水估测的雷达反射率因子如果源于0℃层亮带,会导致雷达定量降水估测严重高估;如果源于浅薄层云云系的云顶,会造成雷达定量降水估测严重低估。(2)多种降水类型云系并存,但使用相对单一的Z-R关系,会导致梅雨和台风期间雷达定量降水估测的局部高估或低估。(3)伴随飑线系统的强对流以及台风系统的非对称性也是导致雷达定量降水估测误差的重要原因。(4)联合Z-R关系和最优插值法,有效地降低了雷达定量降水估测的系统误差,但仍然存在大量的局部误差。

广西短时强降水雷达定量降水估测方法试验

利用2011-2013年广西地区雷达三维拼图和自动雨量站降水资料,用最优化处理法和线性回归法分别建立广西地区短时强降水的雷达定量降水估测Z-I关系。误差分析表明:用3.0 km高度层的CAPPI做降水估测效果较好。最优化处理法降水估测误差较小,估测效果明显优于线性回归法和固定Z-I关系(Z=300I1.4)。固定Z-I关系误差较大,但分布集中。线性回归法误差较大且分布离散。

雷达定量估测不同类型降水

利用2002、2003年自记雨量资料及相应的雷达体扫资料,用最优化法统计得出福建中北部不同区域不同降水类型的Z-I关系,并将统计结果用于2005年、2006年的降水估测。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点及面的估测结果进行比较。结果表明:卡尔曼最优法及100 km距离范围内的最优化法对站点及面平均降雨量估测误差最小,Z=300I1.4估测的误差最大。

江苏省雷达降水估测集合分析

使用2019年、2020年5—8月江苏省降水分析场及站点观测资料,生成具有定量降水估测(Quantitative Precipitation Estimation, QPE)不确定性时间和空间结构的集合QPE,并用观测降水对集合QPE进行了确定性和概率性检验。确定性验证说明集合QPE能在总体上减小降水量的绝对误差和均方根误差,但也加重了某些区域的降水低估。集合平均能提高估测降水的准确率并减小空报率,也会使漏报增多,这使小雨的TS评分有所降低,但各量级降水TS评分仍能保持在较高水平。集合QPE对各量级降水都有较优的Brier评分,降水量级越大,估测效果越好。集合的离散度较小,且将集合成员排序后,观测值落在两头的频率更高,也反映了离散度偏小。此外,观测值大于集合成员最大值的频率更高,说明集合QPE倾向于低估降水。随着概率阈值的增大,集合估测降水发生的命中率(POD)和假警报率(POFD)逐渐增大,但POD增大的程度比POFD大得多,使相对作用特征曲线为折线。不同概率阈值下的POD和POFD体现了集合QPE对各量级降水都有较高的估测技巧,其中对小雨和中雨分辨能力最好。集合估测小雨和特大暴雨发生概率小于实际频率的情况较为严重,而估测的中雨和大雨发生概率与实际降水的发生频率非常接近,有很高的可靠性,但总体上集合QPE仍是倾向于低估降水的发生概率。

CINRAD-SA偏振雷达定量降水估测算法改进及应用评估

为了提高雷达定量降水估测的精度,建立一套高精度的双偏振雷达定量降水估测方法,并对其在业务应用中的表现进行评估。本文利用雨滴谱仪数据使用非球形粒子的散射模型(T-Matrix模型)进行不同偏振量的模拟计算,根据计算结果对实测雨滴谱数据(DSD)进行分类拟合,实现对CSU-HIDRO(Colorado State University-Hydrometeor Identification Rainfall Optimization)优化降水估测算法的改进。为了评估改进后CSUHIDRO优化算法(简称CSU-HIDRO_I)的应用效果,本文选取2016~2017年两年汛期发生于中国华南地区的6次大范围强降水过程为评估对象,分别采用单偏振雷达定量降水估测的R(ZH)关系法(WSR-88D Precipitation Processing System,简称PPS法)和CSU-HIDRO_I法进行小时降水量估测。按照不同降水率大小以及距离雷达20~60 km和60~100 km范围分别对两种降水估测方法进行评估,并将雷达估测的小时降水量同地面雨量计小时降水量资料进行对比,结果表明:(1)CSU-HIDRO_I法在应用评估过程中取得了较好的评估效果,其估测精度及稳定性均较好。(2)PPS法对小雨(降水率R<2.5 mm/h)存在一定的高估,对大雨及暴雨(R>8 mm/h)存在明显低估,而CSU-HIDRO_I法能够有效的降低强降水的低估情况,同时提高了小雨的估测精度。与PPS法相比,CSU-HIDRO_I法对小雨、中雨、大雨及暴雨的估测偏差分别降低了38%、24%、17%、15%。(3)PPS法在降水估测中对离雷达的距离更为敏感,相同降水率下不同距离处的相对误差波动较大,CSU-HIDRO_I法对距离敏感性较弱,相同降水率强度下,相对误差随距离的变化波动较小。

西藏墨脱复杂地形X波段相控阵偏振天气雷达降水观测和反演方法研究

墨脱的降水变化与印度洋、孟加拉湾的水汽向内陆的输送、夏季风及我国东部雨带的推进过程联系紧密。它的独特地形与西南气流的相互作用在当地形成了年均降水超过2000 mm的降水带。但墨脱的复杂地形与有限的电力交通条件造成了降水观测的困难。2019年,第二次青藏高原综合科学考察研究任务专题项目在墨脱设置了一部X波段双偏振相控阵雷达,实现了对墨脱云降水的连续观测,对当地生态环境和云水资源研究以及高原东南水汽通道特征研究等具有重要的意义。文中使用墨脱X波段双偏振相控阵雷达2020年6-8月的观测数据,使用统计手段筛选降水回波片段,整合后构造得到符合墨脱复杂地形的混合仰角;利用2019年墨脱雨滴谱数据计算雷达参量、拟合得到适合墨脱地区降水特点的X波段天气雷达定量降水估测(QPE)公式。在此基础上选取2020年7-8月三次累积降水量、平均雨强、持续时间各不相同的降水过程,使用线性规划方案计算ΦDP(差分传播相移)、最小二乘拟合计算KDP(差分传播相移率)、“ZPHI”降水廓线算法订正ZH(反射率因子);以ZH和KDP为阈值,使用R(ZH)与R(KDP)分段估测降水,与单独使用R(ZH)和R(KDP)的估测结果进行对比;并基于降水估测结果和雷达参量的水平分布探讨降水分布与地形的关系。本文经过质量控制的ZH、 KDP数据质量有明显改善;使用统计方法构造的混合仰角有效回波面积大于使用SRTM1 v3.0地形数据构造的混合仰角,三次降水的典型时刻参量与过程累积降水量和平均ZH、 ZDR能初步反映降水变化与地形的关系;本文的降水估测公式和分段估测降水方法整体结果表现良好,各评估参数均具有较好的表现;结果表明:(1)墨脱雷达周边地形变化剧烈,根据现有地形数据构造的混合仰角在降水估测中表现不如本文统计筛选雷达观测数据得到的混合仰角数据;(2)本文采用的数据质控方法、定量降水估测公式与分段估测方法(PEM)在降水反演中表现良好,与单一的R(ZH)、 R(KDP)方法相比,得到的结果在CC和RMSE无明显变化的情况下,估测误差明显减小;(3)墨脱降水的发生发展或与西南气流被河谷偏北方山坡抬升有关,较大雨强、较小粒子直径的云位于地势平缓的谷底。

天气雷达定量估测降水研究进展

天气雷达探测资料具有时空分辨率高的特点,对于中小尺度天气监测、气候分析以及高时空分辨率的气象服务具有重要意义。自20世纪末起,随着IT技术发展和多普勒天气雷达网布设,多个国家相继研制了各自的雷达定量估测降水产品。从业务上应用的雷达定量估测降水关键技术与产品两方面对国内外相关研究进展进行归纳,着重解析了美国最新业务化的MRMS(Multi-Radar Multi-Sensor System)系统及关键技术。从雷达QPE(Quantitative Precipitation Estimation)技术发展来看,双偏振量质量控制、反射率垂直廓线订正、波束阻挡补偿、降水类型分类、双偏振量降水估计、雨量计偏差订正等新方法已在业务产品中应用。从雷达QPE业务产品发展来看,产品空间分辨率已达到1 km以下(甚至百米),时间分辨率达到小时尺度以下(甚至分钟级)。美国还在持续推进雷达QPE产品重处理,以期形成长序列高时空分辨率产品。我国雷达QPE业务产品研制普遍采用Z-R关系估测降水率,并由地面降水进行偏差订正的方法,产品时空分辨也已达到1 km/分钟—小时。但由于我国天气雷达型号多、标定不均一、存储计算能力限制等问题,还未形成长序列的雷达QPE产品。因此,"气象资料质量控制及多源数据融合与再分析"攻关任务提出了我国雷达QPE产品重处理计划,拟利用长序列多源降水资料,通过局部偏差订正技术、波束补偿技术等降低不同雷达空间不均一性,最终生成全国组网的雷达QPE历史产品数据集。

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。

基于最优插值的雷达定量降水估测订正及应用——以广元市为例

采用基于自适应相关函数的最优插值法对四川广元的雷达定量降水估测进行实时订正并评估其效果。结果表明,该方法有效改善了雷达定量降水估测对弱降雨高估、对强降雨低估的问题,提高了降水估测精度,同时可以更好地模拟降水空间分布特征和时空变化;研究建立的自适应相关函数模型可以根据测站分布情况动态计算最优权重因子,降低了雷达-雨量计联合校准法对测站分布的要求,便于在不同地区开展实际业务应用。

雷达估测降水与风暴尺度模式预报降水检验及分析

本文将局地分级平均校准法从单站雷达移用到组网雷达,选取SWAN组网雷达组合反射率因子产品与雨量站降水数据,计算了6次区域性暴雨天气过程的定量估测降水(Classified Quantitative Precipitation Estimation,CQPE),在对CQPE和SWAN小时定量降水估测产品(SWAN-QPE)进行站点检验的基础上,利用雨量站实测降水、CQPE对风暴尺度模式(CQSSRAFS)的降水预报产品进行检验评估。结果表明:(1)CQPE总体略偏弱,SWAN-QPE总体偏强,且从比率偏差(BIAS)、平均绝对误差(MAE)、相对误差(RAE)、均方根误差(RMSE)、相关系数(CC)等评估检验参量看,CQPE均优于SWAN-QPE。(2)雨量站实测降水、CQPE对CQSSRAFS预报降水的检验结果是一致的。在时效上,该模式预报能力随预报时效的延长而减弱,尤其是第9个小时之后减弱更明显。在降水量级上,该模式预报能力随着降水量级的增大而减弱。相比于雨量站实测降水对CQSSRAFS预报降水的“点对面”检验,CQPE对其“面对面”的总体样本检验更具有代表性。

ROSE2.0定量降水估测产品在广东地区的适用性检验

为进一步提升ROSE2.0定量降水估测产品的释用范围,以及短时强降水短时预报和预警能力,基于广东地区较长时间序列(2022年6月至2023年1月)定量降水估测产品,分不同的距离和降水强度阈值评估了不同情形下定量估测降水产品的精度。结果表明:对于所有量级所有距离的1 h定量估测产品(OHP),在距离雷达站点25至100 km范围内,平均偏差比、归一化平均误差两个指标表现最优;其次,双偏振定量降水估测算法在一般性降水(0.1~19.9 mm/h)中,准确率较原单偏振算法低;但对于20 mm/h以上强降水和100至150 km范围内10~19.9 mm/h的一般性降水准确率有较显著提升。

多普勒雷达资料动态定量估测台风小时降水量的研究

在充分考虑传统的最优化方法和概率配对法优缺点的基础上,使用一种改进的最佳窗概率配对法计算Z-I关系中的系数A和b,得到了雷达测得的基本反射率因子Z和雨量计实时测到的小时降水量I的动态关系。利用温州多普勒雷达体扫资料和浙江省自动雨量站资料,使用该方法对"海棠"(Haitang)和"麦莎"(Matsa)两个台风分别进行了动态计算,得到了不同系数的Z-I关系,进而对两个台风的小时降水量进行了定量估测。使用变分技术对估测的小时降水量进行了校准。结果表明,不同台风Z-I关系的系数差别较大,因而造成台风小时降水量的很大不同。使用雷达基本反射率来估测台风小时降水量,能够清楚表现出台风的螺旋雨带和其中的中小尺度雨团,估测的台风小时降水量与实况基本接近。经过变分校准的估测降水量可以较好地表现出台风雨带与地面中尺度流场动力结构的对应关系。误差统计分析表明,变分校准后的估测台风小时降水量要明显好于变分校准前的估测台风小时降水量。变分校准法既保留了雷达估测台风小时降水量的分布特征,又使估测的台风小时降水雨量与实况的误差明显减小。