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。

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。

2021年郑州“7·20”极端暴雨雨滴谱特征及其对雷达定量降水估测的影响

利用雨滴谱仪观测的雨滴谱数据,分析了2021年7月20日郑州极端暴雨的雨滴谱特征,并结合双偏振雷达观测,分析了不同定量降水估测(QPE)方法在此次极端暴雨过程中的性能。结果表明,在此次极端暴雨过程的最强降水时段,雨滴谱表现为很高的粒子数浓度和很大的粒子平均直径;而整个降水过程雨滴谱的截距参数与我国其它地区雨滴谱特征差异不明显,但质量加权平均直径大于其他地区的雨滴谱;在降水最强的2021年7月20日08:00~09:00(协调世界时,下同)前后,雨滴谱的特征发生了显著变化,首先是质量加权平均直径迅速增长,随后粒子数浓度也陡增,从而导致降水率的迅速增强。使用郑州双偏振雷达数据,基于各种QPE方法和参数计算得到了08:00~09:00的雷达反演降水量,并与雨量计观测结果比较。结果表明对于基于反射率的QPE关系(R(Z)),如果不提高或者去除反射率上限进行QPE,会导致降水严重低估,且该方法对参数的准确性较为依赖;基于差传播相移率的QPE关系(R(K))对雨滴谱差异性敏感度相对较低,其性能主要依赖于差传播相移率的准确性;最优的R(K)关系反演效果比R(Z)更好,能达到实际降水量的70%以上。

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。

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。

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。

基于多源数据融合的降水数据质量控制技术研究

【目的】降水为非连续性观测要素,利用常规的质量控制方法无法很好地检查降水观测数据的正确性,因此需要开展自动气象站降水观测数据质量控制技术研究。【方法】提出一种基于雷达、卫星等多源数据融合的地面自动观测降水数据质量控制方法,研究基于标准Z-R关系的雷达定量降水估测产品加工算法,生成宁夏全区地面自动观测站1 h雷达定量估测降水量,建立基于雷达、卫星估测降水产品的自动气象站降水观测数据质量控制技术流程,开展自动气象站降水观测数据质量控制,并对质量控量结果进行分析评估。【结果】(1)对于国家级站,多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法与MDOS对降水量数据的质控均为“正确”的一致率较高,平均达到94.88%;对于区域站,均为“正确”的一致率明显比国家级站低,平均达到51.57%;(2)多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法质控出“可疑”和“错误”数据明显比MDOS多,对“可疑”和“错误”数据的检出率更高;(3)多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法对错误降水数据的质量控制较MDOS质量控制更符合实际。【结论】多源数据融合的地面自动观测降水数据质控方法可以较好地解决宁夏降水要素自动观测数据的质量问题,为降水数据质量控制提供技术和理论支撑。

雨滴谱仪在天气雷达降水估测中的应用研究

使用安装在广州地区的地面雨滴谱仪(LPA10型)和S波段天气雷达收集到的在2017~2018年汛期发生的4次大面积强降水过程的观测数据。对雷达观测的空中反射率与雨滴谱仪获取的地面反射率之间的偏差进行分析订正,并使用与天气雷达体扫模式时间(6min)相匹配的地面雨滴谱数据进行实时ZI关系的估算,提高雷达定量降水估测的精度。结果表明,雷达的反射率因子同雨滴谱仪获取的反射率因子具有较好的一致性,但存在一定的系统性偏差,订正后的反射率因子能提高雷达定量降水估测的精度;在降水开始和结束阶段,ZI关系表现出较大的波动,而在持续的降水过程中ZI关系的参数波动较小。说明,雨滴谱的变化对于ZI关系参数的影响较为明显,即使是同一场降水过程,参数也有较大的波动。采用和雷达体扫时间相匹配的雨滴谱数据估算ZI关系能较好地削弱滴谱变化对雷达降水估测的影响,且具有较好的实时性,有利于业务应用;通过反射率因子系统偏差订正以及实时ZI关系估计后,在4次强降水观测过程中,使用雨滴谱仪联合雷达降水估测法较传统ZI关系法的降水估测精度提高了约25%。

分类型最优法在江苏沿江地区降水估测中的应用与讨论

为提高现有天气雷达产品生成模块中处理系统算法精度、并为其他短时临近预报系统或数值预报模式提供合适的Z-I关系为目的,选择江苏沿江地区作为试验区域,采用分类型最优法建立相应的Z-I关系,并比较分类型最优法与单一Z-I关系对过程雨量和分段雨量的估测能力。结果表明:分类型最优法比单一Z-I关系法明显提高过程雨量估测的精度,梅汛期降水估测精度提高近2.5倍,夏季台风降水估测由低估72%降低至低估45%。对不同雨量段进行估测比较后发现,分类型最优法对强降水雨量段改善较为明显,对雨强>10 mm/h的梅汛期对流云降水和台风降水所有雨量段的雨量估测改善明显。最后在气候统计的基础上,通过改进雷达估测降水产品色标数值等级,以达到优化雷达估测降水产品图像的显示能力。

福建沿海平原和山地地区的雨滴谱差异研究

为研究福建沿海平原和山地两个地区降水的微物理特征和差异,利用2018—2022年福建泉州晋江站(平原站)和九仙山站(山地站)的雨滴谱资料,从整体统计、不同降水强度和不同降水类型等角度研究了雨滴谱特征和差异,并对两个地区的雷达观测量与雨强的经验关系进行了研究和初步检验。结果表明:福建沿海山地站的小雨滴(直径(D)<1 mm)和大雨滴(D≥3 mm)数浓度明显高于平原站,但平原站的中雨滴(1 mm≤D<3 mm)数浓度则略高于山地站。两个站的小雨滴数浓度随着雨强增大均呈现“先升高,后降低,再升高”的趋势,而中、大雨滴的数浓度则随雨强的增大也持续升高。山地站降水整体具有更小的质量加权平均直径(D_(m))和更大的广义截断参数(lgN_(w))。因更高浓度中、大雨滴的贡献,平原站的雨滴谱在相同形状参数(μ)下,斜率参数(Λ)较山地站小,即雨滴数浓度随直径增大而下降的速率更慢。对两个站雨滴谱拟合得到的雷达定量降水估测公式进行初步检验,结果表明,实测雨滴谱拟合的反射率因子与降水强度(Z-R)关系和差分传播相移率与降水强度(K_(DP)-R)关系效果均好于现阶段业务常用的Z-R关系。

降水融合技术在湖南多源融合实况分析系统中的应用研究

精细、精准、高时效的网格降水实况产品对于智能网格预报业务、防灾减灾以及水循环、地气相互作用具有重要意义。降水融合分析技术是湖南多源融合实况分析系统的核心组成部分,负责对地面观测降水和雷达等降水数据进行预处理和融合,可逐10 min生成1km分辨率的10 min、1h降水融合实况产品,以及绘制雷达定量估测降水(Quantitative Precipitation Estimation,QPE)、地面站点降水、地面降水分析场、多源融合降水效果图,可用于弥补观测站点不足、提高暴雨短临预警能力以及促进灾害管理和决策支持。

基于网格追踪算法的雷达外推降雨临近预报在大清河流域的应用

为了评价基于网格追踪算法PBN在大清河流域的应用效果,研究选取了位于大清河南北两支的阜平和紫荆关流域的8场典型降雨过程,开展0~3h的雷达外推降雨临近预报。为获得高质量的雷达测雨数据,研究采用外部漂移克里金法(KED),依据地面雨量在外推前对雷达定量降雨估测进行了修订。针对PBN算法的外推预报结果,分别采用临界成功指数(CSI)、均方根误差(RMSE)、以及定性与定量指标相结合的CSI/RMSE 3种评价指标在时间和空间尺度上进行验证。结果显示:KED算法可以有效提高雷达定量降水估测的准确度,基于KED修订后的雷达估测降雨的PBN算法对时间空间连续性较好、相对稳定的降雨过程预报效果最好,但随预见期的延长外推效果显著下降,有效预见期不超过2 h;而对空间分布不均匀的降雨类型预报效果最差。

估算舟山区域内台风降水量分布的一种方法

利用台风多普勒天气雷达基数据资料和浙江省自动雨量站网的分钟资料,用最小二乘法为影响舟山的每个台风降水找到Z-R关系,并对其进行有效的修正。应用此关系对台风"麦莎"和"卡努"影响期间对舟山区域的降水量分布情况进行估测,得到了降水量估测分布图。同时,将台风"卡努"影响期间的舟山自动雨量站网的实况雨量、修正前的估测雨量和修正后的估测雨量进行对比。结果表明:用最小二乘法得到的Z-R关系,对于雨量的估计有一定的放大,而使用修正后的方法得到的降水量与实际基本相符。

基于多源数据的地面降水质量控制方法研究

本文在研究地面小时降水量与自动站其他观测要素的关联关系和雷达定量估测降水的基础上,提出从自动站关联要素和雷达估测降水两个角度对地面降水进行综合质量控制的多源质量控制方法。利用该方法对2019年5至6月江苏省国家级自动站小时降水量进行质量控制,结果表明:1 h相对湿度变化值、1 h变温,相对湿度与小时降水量关联关系较好;基于SFLA-BP的雷达定量估测降水结果与Z-I关系法相比精度更高,提升了天气雷达对降水质量控制的有效性;多源降水质量控制方法比MDOS准确率提高1.45%,产生可疑数据量下降67.16%,该方法能有效提升现有降水质量控制方法的准确性。