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新一代天气雷达定量降水估测集成系统

归档日期:06-29       文本归类:地面天气图      文章编辑:爱尚语录

  新一代天气雷达定量降水估测集成系统_天文/地理_自然科学_专业资料。新一代天气雷达定量降水估测集成系统

  气 象 第3 6卷 第4期 o l . 3 6 N o . 4 V , 2010 年 4 月 r i l 2 0 1 0 A p ME T E O R O L O G I C A L MONTHL Y 刘晓阳 , 杨洪平 , 李建通 , 等 .新一代天气雷达定量降水估测集成系统 [ ] 气象 , ( ) : J . 2 0 1 0, 3 6 4 9 0 ? 9 5. ? 新一代天气雷达定量降水估测集成系统 1 北京大学大气科学系 ,北京 1 0 0 8 7 1 2 中国气象局气象探测中心 ,北京 1 0 0 0 8 1 3 厦门市气象局 ,厦门 3 6 1 0 1 2 4 南京大学大气科学系 ,南京 2 1 0 0 9 3 3 0 0 3 1 5 安徽省气象局 ,合肥 2 刘晓阳1 杨洪平2 李建通3 李 柏2 赵 坤4 郑媛媛5 提 要 :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 ( ) 是一套基于新一代 Q P E G S 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 空间分辨率 1k 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 率达 1 0 分钟 , m?1k m, 明显正相关 , 校准雨量计数越多 , 降水估测精度越高 , 过程降水量的估测误差小于2 2 0 0 3 年的小时降水估测误差约 4 0% , 0% ; 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 。 关键词 :天气雷达 ,雨量计 ,降水 ,估测 ,集成 C I N RA DR a d a rQ u a n t i t a t i v eP r e c i i t a t i o nE s t i m a t i o nG r o u s t e m p pS y 1 2 3 2 4 5 L I UX i a o a n o n i n I J i a n t o n IB a i HAO K u n HE NG Y u a n u a n Z Z y g YANG H g p gL g L y , , 1D e a r t m e n to fA t m o s h e r i cS c i e n c e s P e k i n n i v e r s i t B e i i n 0 0 8 7 1 p p gU y j g1 , 2M e t e o r o l o i c a lO b s e r v a t i o nC e n t e r C h i n aM e t e o r o l o i c a lA d m i n i s t r a t i o n, B e i i n 0 0 0 8 1 g g j g1 , X i a m e n3 6 1 0 1 2 3X i a m e nM e t e o r o l o i c a lB u r e a u g ,N ,N 4D e a r t m e n to fA t m o s h e r i cS c i e n c e s a n i n n i v e r s i t a n i n 1 0 0 9 3 p p j gU y j g2 ,H 5A n h u iM e t e o r o l o i c a lB u r e a u e f e i 2 3 0 0 3 1 g : ?? ˇ ∑ˇ Ar a d a rq u a n t i t a t i v ep r e c i i t a t i o ne s t i m a t i o ng r o u s t e mi sd e s c r i b e d i n t h i sp a e rw h i c h i s e s t a b l i s h e d p ps y p b a s e do nr a i ng a u ea d u s t m e n t t e c h n i u e sa n d i sa i m e dt oa l om e t e o r o l o i c a l o e r a t i o n s . I tp r o v i d e sh o u r l g j q p p yt g p y r e c i i t a t i o nf i e l d i n1 0m i n u t e i n t e r v a l a n d 1k m? 1k ms a c i a l r e s o l u t i o n . E v a l u a t i o n r e s u l t s b s e o f t h e d a t a i n p p p yu , t h ep a s t t h r e ey e a r s s h o wt h a t t h em o r e t h e a d u s t m e n t r a i ng a u e st h eh i h e r t h e e s t i m a t e dp r e c i i t a t i o na c c u r a ? j g g p a n de v e n l o w e r t h a n2 0 %f o r t h e c . T h e r e l a t i v ee r r o ro fh o u r l s t i m a t i o nd u r i n h ey e a r 2 0 0 3 i sa b o u t 4 0 %, y ye gt , t o t a l r e c i i t a t i o n i nap r e c i i t a t i o ne v e n t . T h e l o n e r a n d l a r e r t h e r a i ne v e n t l a s t s a n d c o v e r s t h eh i h e r t h e a c ? p p p g g g c u r a c sw e l l i f t h ed e n s i t f r a i ng a u e s t a t i o nk e e s f i x e d . ya yo g p : , , C I N R A Dr a d a r r a i ng a u e e s t i m a t i o n, r e c i i t a t i o n, r o u g p p g p ?˙ ∑? 但雷达探测的是空中有效照射 水的空间不均匀性 , 引言 测雨 雷 达 问 世 以 来, 估测降水一直是其主要目 能够很好地反映降 标 。 雷达有很高的 空 间 分 辨 率 , 体积内降水粒子的 瞬 时 状 态 , 在估测地面降水时受 到雷达参数 、 降水微物理过程 、 观测环境等众多因素 限制 。 雨量计在点 上 可 以 较 精 确 测 量 降 水 , 但对降 水场的结构描述受 到 雨 量 计 站 网 布 设 密 度 的 制 约 。 ? 中国气象局新一代天气雷达业务建设软件系统开发项目资助 2 0 0 8年1 0月2 2 日收稿 ; 0 0 9年1 2 月 9 日收修定稿 2 第一作者 : 刘晓阳 , 主要从事大气物理和大气遥感研究 . : E m a i l x l k u . e d u. c n @p y 新一代天气雷达定量降水估测集成系统 第 4 期 刘晓阳等 : 9 1 因此 , 雷达联合雨量 计 估 测 降 水 一 方 面 可 以 得 到 准 确的降水场结构 , 另一方面可以从雨量站处获得雷 进而估计整个雷达探测降水场的 达探测降水偏差 , 系统性偏 差 和 各 个 格 点 上 的 局 地 偏 差 。 早 在 1 9 7 5 [ ] 1 年B 就 引 入 客 观 分 析 方 法 估 计 降 r a n d e s B a r n e s [] 水, K o i s t i n e n 等 2 加入距 离 因 子 对 B r a n d e s的 方 法 [] 进行 了 改 进 , 引 C o l l i e r等 3 提 出 分 区 域 校 准 方 法, 统通过计算机网络 , 实时获取雷达体积扫描数据 , 结 合最近 1 小时的雨量计数据 , 经过校准处理和集成 , 生成雷达探测范围内最近 1 小时的降水量分布 。 以消除雷达与雨量 入与降水类型有关 的 校 准 因 子 , 计测量的降水之间 的 系 统 性 偏 差 , 这些偏差可能和 距离 、 降水类型 有 关 。 更 复 杂 一 点 的 分 析 方 法 包 括 ] [ [] 4 5] , 变分 最优 插 值 [ K r i i n K a l m a n滤波法 6 , g g法 , 7] 校准法 [ 等, 这些方法在消除系统性偏差的基 础上 , 进一步消除格点上可能存在的局地偏差以及和时间 相关的随机误差 。 针对业务应用的系统有基于美国 ( 的 WS R ? 8 8 DP P S P r e c i i t a t i o nP r o c e s s i n s t e m) p gS y ) 系统 8 MP E( M u l t i s e n s o rP r e c i i t a t i o nE s t i m a t i o n p 等。 自2 我国也持续开展了雷 0世纪8 0 年 代 以 来, 达雨量计联合估测 降 水 的 研 究 , 开发了许多校准算 9 ? 1 0] , 这些算法 的 开 发 为 我 国 建 立 自 己 的 雷 达 雨 法[ [] 图 1Q P E G S 系统功能模块 F i . 1 c h e m a t i cd i a r a mo fQ P E G S S g g 雷达基数据 ” 为本地或通过网络获得的雷 图中 “ 达数据 , 数据为新一代天气雷达数据格式 , 每个体扫 至少由 4 个仰角组成 , 其中 , 最低仰角尽可能接近地 次低仰角上 最 好 不 会 出 现 超 折 射 和 海 浪 回 面扫描 , 波; 体扫时间间隔一般在 6 分钟左右 , 本系统目前最 多可以同时处理 7 部雷达的体扫基数据 。 雷达 基 数 据 由 信 号 处 理 器 直 接 生 成, 包含有信 非气象目标物回波 、 虚假气象回波等 , “ 雷达 号噪声 、 资料预处理 ” 的目标是要从雷达基数据出发 , 经过处 理得到一 个 尽 可 能 接 近 地 面 降 水 场 的 雷 达 回 波 分 布 。 雷达资料预处 理 一 般 包 括 两 部 分 内 容 : 一部分 和雷达站址有关 , 一部分和雷达站址无关 。 如 : 垂直 波束遮挡订正等和雷达站址有关 ; 无气象 廓线订正 、 非气象目标物( 超折射回波 意义的回波/噪声消 除 、 的识别与消除 、 复合平面回波生成等和 和海浪回波 ) 雷达站址 无 关 。 为 使 Q P E G S 具 有 较 好 的 普 适 性, 在资料预处理中只包括了上述和雷达站址无关的预 处理项 。 在一定假定条件 下 , 雷达反射率因子 有简单的幂指数关系 : ( ) 1 =? 其中 , 这是雷达 估测降 ?, 为和雨滴谱有关的系数 , 水的理论基础 。 根 据 这 一 关 系 , 由雷达反射率因子 不需要雨量计校准 。 然而 , 由于 可以直接估算降水 , - 关 系 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 雨 滴 谱, 不同的季 - 关系 。Q P E G S 节、 不同的地点 、 不 同 的 降 水 类 型, 雨滴谱都有较大 因此 , 不存在一个普适的 变化 , 和雨强 量计联合估测降水业务系统奠定了基础 。 我国 新 一 代 天 气 雷 达 网 已 经 基 本 建 成, 各省雨 量站网密度逐步提高 , 雷达在暴雨监测 、 预警中的作 新一代天气雷达定量降水估 用将得到进一步发 挥 , 测集成系统 ( 正是在这样的基础上发展形 Q P E G S) 成的一套我国自行研制的雷达联合雨量计估测降水 文章 第 1 部 分 介 绍 了 系 统 的 主 要 组 集成业务系统 ; 成; 第2 部分给出最近几年 Q P E G S降水估测结果 的评估 。 1 系统组成 在短时临近 预 警 预 报 中 , 及 时、 准 确、 高分辨率 雷达具有很高空间分辨率 , 雨 的降水数据十分重要 , 量计具有很高的精 度 , 畅通的计算机网络可以保证 雷达和雨量计数据 能 够 及 时 传 送 到 数 据 处 理 平 台 , 在此平台上 , 可以开 展 雷 达 雨 量 计 联 合 估 测 降 水 业 在我国地区级单位 , 可以实时获得约 务工作 。 目前 , 一部雷达 、 在 省 级, 可以实时获 1 0 0 个 雨 量 计 数 据; 得约 5 部雷达 、 1 0 0 0 个雨 量计 数据 , Q P E G S即是基 于省级的数据平台开发而成 。 系 Q P E G S 系统的 主 要 功 能 模 块 如 图 1 所 示 , 6卷 气 象 第 3 9 2 采用 用实 - 关 系 和 雨 量 计 校 准 相 结 合 的 方 法, - 关 系 估 算 的 降 水, 提高降水估 - 关系的 6] 差[ 。 测雨量计校准 测精度 。 尽 管 应用雨 量计校 准 方法 使 ( )平均校准和卡尔曼滤 波用 以消除 雷 达探测 3 降水场和雨量计测 量 降 水 场 之 间 的 系 统 性 偏 差 , 但 由 于 受 地 形、 下 垫 面、 降水类型 在雷达探测范围 内 , 等各种因素影响 , 不 同 的 时 间, 不 同 的 地 点, 雷达探 测降水场的偏差也 不 相 同 , 仅仅校准系统性偏差不 能提高雷达在单点上的降水估测精度 。 最优插值方 , 周 边 雨 量 计 ?( 法利用任一格点 ( ? 1~ ?) ∑ ? 重要性大大降低 , 然 而, - 关 系 获 得 的 降 水 场 是 雨量计校准时的初 值 场 , 初值场的好坏对校准结果 ] 1 1 。 因此 , 本地 有明显影响 [ - 关系的优化还是 ] 1 2 , 必要的 [ Q P E G S 最多可预 先 设 置 1 0种不同的 用户可以根据本地历史资料统计获 - 关系系 数 , 得 也可以使用比较通用的 - 关 系, - 关 系, - 关 如( , 甚至 可以动 态 修改 2 0 0, 1. 6; 3 0 0, 1. 4) ) 和雷达 测量降水的偏差 ( , 估 计该点 的 雷 达 测 量 降 ? -? ?) 水偏差 , 从而实现对雷达探测值的校准 , 即: ∑ ∑ , , ? ? ? ? ? -? ?) ? =? ?+ ∑??( ?=1 模块实现雷达反射率因子和 系系数 。“ - 关 系 ” 雨强之间的转换 , 本文中的 ?=3 0 0,=1. 4。 图 1 中“ 雨量计数据 ” 为用于校准的最近 1 小时 数据的 更 新 频 率 为 1 小 时 , 最短1 降水量数据 , 0分 钟, 每部雷达周边最多可以同时有 1 0 0 0 个有降水的 雨量计用作校准 。 由于 过 - 关 系 本 身 的 误 差, 以及雷达参数不 雷达反射率因子经 稳定和降水微物理 过 程 的 影 响 , 还可能存在系统 - 关 系 转 换 得 到 的 降 水 场, 性偏差 ( 平均场偏差 ) 和 局 地 偏 差, 需要进一步用雨 为此 , 量计校准 , Q P E G S 采用了如下校准方案 : ( )为了消除雷达探测降水场中 可 能存在的系 1 计算所有雨量站格点上雷达雨强 ? 统性偏差 , ∑( - 关系获得 ) 和雨量计雨强 ? 之间 的 平均偏 差 = 并用此平均偏差校准雷达降水场中的所有 ?/ ? ∑, 从而消除雷达降水场的系统性偏差 , 提高 降水格点 , 面雨量估测精度 。 为了消除距离对系统性偏差的影 响, 上述平均校准按距 离 每 5 0k m 一段分段进行偏 差提取和校准 。 ( )就某一 个 时 次 而 言 , 平均校准可以消除雷 2 达降水场相对 于 雨 量 计 降 水 场 的 平 均 偏 差 。 然 而 , 一方面由于降水的 时 空 不 均 匀 性 , 由有限的雨量计 格点上提取的平均偏差并不能代表真正的系统性偏 另一方面 , 雨量 计 本 身 存 在 测 量 误 差 , 不同雨强 差; 下的测 量 误 差 也 不 相 同 , 因 此, 在一定时段( 3个时 次以上 ) 的平均偏差序列上提取系统性偏差 , 估计并 消除由于雷达雨量计测量系统本身以及降水场时空 变化等因素引起的随机误差将更加合理 。 卡尔曼滤 波器是一种线性无 偏 滤 波 器 , 用以消除测量系统中 可能存在的高斯白噪声 。 这种校准方法通过对雷达 以期消除由于雷达 雨量计降水偏差时 间 序 列 滤 波 , 雨量计 系 统 、 降水场不稳定等因素产生的随机误 ( ) 2 其中 , 上标 表 示 插 值 后 的 估 测 值, ∑为雷达探测 值 , 为雨量计 测 量 值 ; 为 周 边 雨 量 计 总 数 , ?为 雨强 , 该权重和雨量计的测 ?? 为雨量计? 的 权 重 , , 的空间变 量精度以及降水 在 雨 量 计 ? 和 格 点 ( ? ?) 1 0] 异性有关 [ 。 在Q 上述校准方法既可以独立 P E G S 系统 中 , 使用 , 也可以级联使用 , 以最大限度地消除系统性偏 差和局地偏差 。 [] 作为对比 , Q P E G S还提供了变分校准方法 9 , 和最优插 值 类 似 , Q P E G S通过寻找使目标函数最 小的分析场 , 实现对雷达测量降水场的校准 , 这种方 法也可以较好地修正局部偏差 。 为了 提 高 校 准 结 果 的 稳 定 性 和 可 靠 性, 防止由 于波束遮挡 、 充塞和回波移动引起误差 , 在校准之前 只有当雷 先要对雷达雨量计 数 据 对 进 行 质 量 控 制 , 达雨量计数据皆有 雨 , 且两者相应的反射率因子差 时 才 参 与 校 准, 最 终, - 关系 ) 每种校准方法都输出一个校准后的降水场 。 经过 “ 雨 量 计 校 准” 模 块 处 理 后, Q P E G S系统 最多可生成校准后的降水场 6 个 ( 平均校准 、 卡尔曼 滤波 、 最优插值 、 变分 、 平均 卡尔曼滤波 最优 、 平均 ? ? ? 卡尔曼滤波 变分 ) , 加上 - 关系生成的降 水场一 ? 共7个, 用 户 可 根 据 各 方 法 特 点 和 应 用 需 求 选 用。 然而 , 从一个实际降 水 场 估 测 出 如 此 多 的 降 水 场 可 能给用户带来使用上的困惑 , 为此 , 在各方法精度评 估的基础上 , 用精度 加 权 的 方 式 将 7 个 降 水 场 合 并 成一个降水场 , 即“ 雨 量 集 成” 模 块。 用 户 可 以 选 择 集成以后的降水场 作 为 系 统 输 出 , 也可以选择其中 任意 1 个或几个降 水 场 作 为 输 出 , 或进一步加工累 积降水 、 最大估测降水 、 流域面雨量等应用产品 。 Q P E G S 的数据输入 输 出 充 分 考 虑 与 现 有 系 统 ( 基于 小于 2 0d B z 新一代天气雷达定量降水估测集成系统 第 4 期 刘晓阳等 : 9 3 的兼容 , 可直接处理新一代雷达基数据 , 雨量计数据 采用 M 输出产品有1 I C A P S数据格式 D i a m o n d3, 一种为通用 h、 3h、 6h 累积降水 。 输出格式有两种 , 可 以 在 任 意 环 境 下 显 示, 如图2所 G I F 图 像 格 式, 示; 一种为专用数据格式 , 这种格式下的数据精度较 用户可以在此基础上进一步开发应 G I F 格 式 的 高, 用产品 。 表 1 评估样本数分布 ? 1 ˋ ? ∑ 时段/年 . 月. 日 雨量站数 2 0 0 3. 0 6. 0 7 2 0 0 5. 0 7. 0 9 2 0 0 6. 0 6. 0 7 1 7 3 6 7 6 8 ?? ? ? ∑ ˊ? ˋˇ ?? ’ 总样本数 6 7 8 0 4 3 6 5 2 3 2 1 有效样本数 5 4 1 3 3 2 8 0 1 6 1 0 5 5 2 0 2 2 3 0 1 8 8 0 雷达体扫数 其中雨量站数是指有雨时参与评估的雨量站个 雷达体扫数为降水时段雷达体扫数 , 总样本数为 数, 降水时段雷达探测范围内测量到降水的雨量站站时 数, 有效样本数为经过质 量 控 制 的 样 本 数 。2 0 0 3年 因此 , 雨量站的密度要 使用了水文站的雨量计数据 , 远高于 2 且2 0 0 5和2 0 0 6年, 0 0 3 年的降水为两次相 继的梅 雨 期 降 水 过 程 , 降 水 类 型 相 似, 2 0 0 5和2 0 0 6 年的几次降水过程时间跨度较大 。 2. 2 评估方法 为了 客 观 地 评 估 雷 达 估 测 降 水 系 统 的 精 度, 本 文以 1 小时降水 量 为 基 本 单 位 , 构 成 以 小 时ˇ 和 雨 图2 P E G S 雷达降水估测系统小时降水量产品图 Q F i . 2 H o u r l r e c i i t a t i o np r o d u c t s g yp p i v e nb P E G Sr a d a rs s t e m g yQ y 量站点位置? 为变量的样 本 序 列 ? ( ) , 在每个降 ˇ ?, 水时次将 有 降 水 的 雨 量 计 数 据 随 机 地 分 为 两 组 A 和 B, 一组用于校准 , 另一组用于评 估 。 评估 数据通 过下列步骤获得 : 第一步 : 用 A 组数据校准 , B 组作为评估数据 ; 第二步 : 用 B 组数据校准 , A 组作为评估数据 。 本文所分析的评估数据即为上述第一步和第二 步评估数据之和 。 为了能够 客观地评价 Q P E G S系 统估测降水的精度 , 对评估数据作了一定的质量控 具体包括 : 制, ( )剔除雨量计有降水 , 雷达 没有回 波的数 据 ; 1 这种情况通常是由于地形遮挡或距离太远导致雷达 探测不到造成 , 这样的样本点不适合用于评估 。 ( )剔除野 点 ; 评估数据序列中可以提取出雷 2 达雨量计小时雨量 的 偏 差 序 列 , 从偏差序列可以计 剔除 3 倍均方差的样本 , 这些点在 算均值和均方差 , 统计上缺乏代表性 。 经过上述处理后 , 共得到 1 0 3 0 3 个有效样本对 。 在小 时 降 水 时 间 序 列 基 础 上, 按日和降水过程 累加 , 得到日降水样本序列和过程降水样本序列 , 可 为了客观 以分析不同时间单 位 上 的 降 水 估 测 精 度 ; 比较不同方法 、 不同时间单位的估测精度 , 定义以下 二个物理量 : 平均偏差 : = 1 ) ) ] ˇ ˇ - ∑? ( ?, ?, ∑[ ∑? ( ∑ ˇ=1 ˇ=1 Q P E G S正常运行时无需 针对 实 际 业 务 需 求 , 人工干预 , 每1 0 分钟或 1 小时自动生成最近 1 小时 时间滞后不超过 1 降水量产品 , 0 分钟 。 Q P E G S 主要技术指标 : 降水估测时间分辨率 : 1h 产品生成时间分辨率 : , 1 0m i n 1h、 3h、 6h 数据空间分辨率 : 1k m?1k m 降水估测范围 ( 半径 ) : 2 3 0k m 雨量数据精度 : 0. 1mm 输入雷达数据格式 : / / S A S B, C C C D 输入雨量计数据格式 : M I C A P SD i a m o n d3 操作系统 : / W i n d o w sX P 2 0 0 0 2 效果评估 2. 1 评估数据 安徽 合 肥 C / I NR A D S A 雷达在2 0 0 3、 2 0 0 5、 时间分辨率为 2 0 0 6 年收集了大量的雷达降水 资 料 , 同期还有地面自动雨量站 1 小时的 实 测降水 6m i n, 数据 , 这为在较长时间段 , 较高分辨率上客观开展精 度评估创造了条件 , 本文评估使用的资料如表1所 示。 ( ) 3 ?=1 6卷 气 象 第 3 9 4 平均相对误差 : 1 于1 雷达回 5 0 1 9 9k m 距离上的误差 , 1 5 0k m 以外 , ~ ) ) ˇ ˇ - ∑? ( ?, ?, ∑?∑( ˇ=1 ?= ?=1 ∑ β ˇ=1 β( ) 4 波高度较高 , 雷达反射率因子的分布不能很好反映地 面降水分布 , 经邻近 雨 量计 校准后 , 误差仍 较 大 。 大 ] 1 3 , 回波强度随 量雷达回波 垂 直 廓 线 分 布 统 计 表 明[ ˇ=1 ) ˇ ?, ∑? ( 其中 , 单 位 为 h) , ˇ 为时间 ( ? 为 空 间 某 一 雨 量 站, 为雨量积分时间段 , 本 文 分 别 在 小 时 ( =1) , 日( ) 和过程 ( = 降 水 起 止 时 段 ) 时间段上开展评 =2 4 估 , 为以时间段 为 单 位 的 样 本 序 列 长 度 , ) ? ˇ ?, ∑( 为雷达估测小时降水量 , ) 为雨量计测量的 小 ? ( ˇ ?, 时降水量 。 2. 3 评估结果与讨论 表2 给 出 了 部 分 校 准 方 法 2 0 0 3年估测降水误 - 关 所有雨量计校准方法的降水 系的结果 。 表中可 见 , 平 均提 高 1 降 - 关系高 , 0% 左右 , 其次是最优 水估测精度最高的 是 卡 尔 曼 最 优 插 值 , 插值 、 变分校准 、 卡 尔 曼 滤 波, 平均校准方法的精度 最低 。 经过校准 , 小时降水 量 的 估 测 误 差 在 4 0% 左 右, 且 2~2 / 0 mm h降雨的校准效果要好于小于 / 校准可提高 2~2 / 2mm h的降雨 , 0mm h 降 雨的估 但对于 大 于 2 / 由于大雨区 测精度 , 0 mm h 的 降 水, 域较小 , 且2 0 0 3 年大雨样本平均距雷达站 1 5 0k m, 雷达探测回波和雨 量 站 降 水 量 空 间 一 致 性 变 差 , 相 平均相对误差增大 。 关下降 , 估测精度都比 差随雨强 的 分 布 , 作为比 较 , 表中也 给 出了 高度变化对降水估测有明显影响 , 尽管在 Q P E G S中, 0 2 0k m 和2 0 4 0k m 距离分别使用了第 4 和第 3 ~ ~ 个仰角的回波 , 以使估测降水的雷达回波尽可能处于 同一高度 , 然而 , 表 3 可见 5 0k m 以内经过雨量计校 准后 , 雷达估测的降水量和雨量 计相比 依然 偏低 , 一 层状云 个可能的原因是这 3 年的样本集中在梅雨期 , 降水较多 , 低层回波相对较弱 。 表 3 雷达估测降水误差和距离的关系 ? 3 ?? ? ∑?ˇ ? ˊ ∑ ∑∑ ? ∑ ∑? ˇ ? ?ˇ ?? ˇ ? ∑? ˇ ∑? ? 距离 / k m 0~4 9 9 5 0~9 样本数 3 6 3 1 8 6 8 雨量计雨 B ? K O P B ? E AV E ? KO P E ? E AV / /% /% 量/ mm / mm mm 3. 4 1 4. 1 0 4. 2 3 4. 7 0 -0. 2 7 -0. 2 1 0. 0 7 0. 1 5 0. 5 6 0. 0 8 0. 2 4 0. 6 9 5 1 4 6 5 0 5 9 4 8 4 4 5 0 5 9 1 0 0~1 4 9 3 8 3 4 9 9 3 1 1 2 1 5 0~1 0 0 3、 2 0 0 5、 2 0 0 6年所有样本在不 表 4 所 示 为 2 同时间尺度上降水量估测误差情况 。 表 4 过程 、 日、 小时降水量估测误差 ? 4 时间 1 小时 ?? ? ∑?ˇ ? ˊ ∑ ∑∑ ? ˇ ? ∑? ˇ ˇ ? ? ? ? ’? 平均雨 量/ mm 4. 3 6 1 6. 9 0 4 8. 0 6 B ? K O P / mm -0. 2 0 -3. 3 1 -9. 4 0 B ? E AV / mm -0. 3 1 -4. 0 2 -1 1. 4 2 E ? KO P /% 4 9 3 5 2 7 E ? E AV /% 4 8 3 6 2 9 表 2 不同校准方法估测 2 0 0 3 年降水平均相对误差 ?% ? 2 ? ?∑?ˇ ? ˊ ∑ ∑∑ ?( %) ? ∑? ˇ ? ?∑ˇ ?? ?ˇ ? ˇ ˊ∑ ?ˋ ? ∑? ?∑ˇ ∑? ? ? ?? ∑2 0 0 3 样本雨强/ - 样本数 -1 关系 mm·h 1 5 4 1 3 ≥0. 5 5 0 1 0 ≥0. 0 4 4 4 4 ≥1. 0 3 5 6 7 ≥2. 0 2 0 1 8 ≥5. 0 ≥1 0 ≥2 8 2 1 1 4 9 4 9 4 8 4 8 4 6 4 6 5 0 6 0 平均 校准 4 2 4 2 4 2 4 1 4 1 4 1 4 8 最优 插值 4 0 4 0 3 9 3 8 3 7 3 7 4 4 卡尔曼 滤波 4 0 4 0 4 0 3 9 4 0 4 2 5 1 变分 校准 4 1 4 1 4 0 4 0 3 9 4 0 4 7 卡尔曼 最优 3 8 3 8 3 7 3 6 3 5 3 7 4 5 2 4 小时 过程 降水估测误差逐渐 随着降水累积 时 段 的 增 加 , 减小 , 从小时 降 水 近 5 下降到过程降水 0% 的 误 差 , 的3 由于 2 0% 以下 , 0 0 5、 2 0 0 6年数据为气象部门雨 量站数据 , 2 0 0 3 年 使 用 的 数 据 为 水 文 站 雨 量 数 据, 水文站雨量计数量 远 远 大 于 气 象 部 门 雨 量 站 数 量 , 为此 , 按年分别统计 , 以日降水为例 。 表 5 不同年份日降水估计误差 ? 5 ?? ? ∑?ˇ ? ˊ ∑ ∑∑ ? ? ? ? 距离雷达越远 , 回 由于雷达探测时为圆锥扫描 , 波所在的高度越高 。 为了进 一 步分析 Q P E G S系统 在不同距离上的误 差 , 以卡尔曼最优插值组合方法 ( 和等权重集成 ( 为例 , 分 析不 同距离 上 KO P) E AV) 的降水估测误差 。 、 、 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 6 年降水估测误差与距离 表 3 为 2 的关系 , 表中 可 见 , 0~1 5 0k m 范围内的误差明显低 2 0 0 3 2 0 0 5 2 0 0 6 ∑ ∑? ˇ ? ?ˇ ?? ˇ ? ∑? ˇ ? ?∑ 雨量计 1 4. 5 5 2 5. 3 7 2 0. 8 8 B ? K O P B ? E AV E ? KO P E ? E AV 样本数 -2. 7 8 -3. 5 6 -5. 7 0 -6. 5 7 -3. 6 0 -3. 6 4 3 2% 4 2% 4 5% 3 3% 4 4% 4 5% 1 9 5 4 3 9 6 3 1 4 2 0 0 3年的估计误差远小于2 0 0 5、 2 0 0 6 可 见 , 年, 校准雨量站的数 量 可 能 是 影 响 降 水 估 测 精 度 的 新一代天气雷达定量降水估测集成系统 第 4 期 刘晓阳等 : 9 5 关键因素 。 表 6 给 出 了 校 准 站 数 和 误 差 的 关 系 , 针 对小时降水数据 , 计算每个小时参与校准的雨量站 数, 校准雨量站越多 , 意味着雨区的面积越大 。 表中 随着校准雨量站数的增加 , 降水估测误差趋于 可见 , 减小 。 一般而言 , 参与校准的雨量站数越多 , 表明降 降水的持续时间越长 , 此时的降水估测 水区域越大 , 说明1小时的雨量计降水累积和 误差也趋于减小 , 1 小时的雷达回波累积有较好的一致性 。 表 6 校准站数和误差的关系 ? 6 ?? ? ∑?ˇ ? ˊ ∑ ∑∑ ? ∑ ∑ ? ˇ ? ?ˇ ?? ˇ ? ∑? ˇ ? ?∑ˇ ?? ˋ ? 校准站数 1~4 5~9 1 0~1 4 1 5~1 9 2 0~2 4 2 5~2 9 9 3 0~3 4 0~5 5 /% E ? KO P 5 9 5 7 5 2 4 9 4 8 4 7 4 4 4 5 /% E ? E AV 6 1 5 5 5 1 4 9 4 9 4 6 4 4 4 5 Q P E G S 系统可以在 1 0m i n 内同时处理 7 部雷 达, 每部雷达周边1 系统实 0 0 0 个 校 准 雨 量 计 数 据, 时、 连续运行 , 无需 人 工 干 预 , 该系统目前可从网址 : / / 从北京大学物理 h t t www. a t m o . k u . e d u . c n( p p 学院进入大气科学系网站 ) 下载 。 在本系统基础上 , 用户可进一步生成最大/最小 流域面 雨 量 , 过 程 累 积 降 水, 暴雨预警等 估测降水 , 衍生应用产品 。 参考文献 [ ] [ ] 1 r a n d e sE. O t i m i z i n r a i n f a l l e s t i m a t e sw i t h t h e a i do f r a d a r J . B p g , , : 1 9 7 5 1 4 1 3 3 9 ? 1 3 4 5 . JA lM e t e o r p p [ ] 2 o i s t i n e nJ a n dP u h a k k aT. A n i m r o v e ds a t i a l a u e ? r a d a r a d ? K p p g g [ , R] .P r o c . 2 0 t hC o n f . o nr a d a rm e t e o r o l . u s t m e n t t e c h n i u e j q , , AM S 1 9 8 1 1 7 9 ? 1 8 6 . [ ] 3 o l l i e rCG, L a r k ePR, a n dM a e a t h e r r a d a rc o r r e c ? C yBR.A w t i o np r o c e d u r ef o rr e a l ? t i m ee s t i m a t i o no fs u r f a c er a i n f a l l[ J] . , , , Q u a r t JR M e t e o r o l S o c 1 9 8 3 1 0 9 5 0 9 ? 6 0 8 . [ ] 最优化法求 ? 关系及其在测定降水量中的精度 4 张培 昌 等 , [ ] 气象科学 , : J . 1 9 9 2 3 3 3 ? 3 3 8 . [ ] [ ] 5 r a e w s k iW F. C o ? k r i i n r a d a r ? r a i n f a l l a n d r a i ng a u e d a t a J . K j g g g 3 结 语 Q P E G S 针对新一代 1 0c m 天气雷达降水估测 开发 , 生成雷达探测范围内的小时降水量 , 时间分辨 空间分辨率 1k 产品滞后时间 率1 0m i n, m?1k m, 小于 1 0m i n。 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 ( 表5 ) , 雨量 2 0 0 3年的小时降水估测误差约4 0% ; 计密度保持不变的情况下 , 降水时段越长 , 降水估测 的精度越高 ( 表4 ) ; 降水区 域越 大 , 降水估测的精度 也越高 ( 表6 ) 。 Q P E G S 系统在资料处理过程中重点针对通用性 问题 , 如噪声点 、 孤立回波块 、 超折射等进行订正 。 在 资料处理和算法设计中尽管也考虑了距离对 降 水估 在平均校准和卡尔曼滤波校准中均按距离 测的影响 , 分段处理 , 但结果表明 , 距离和 降水 估测精 度 仍然 有 明显相关 , 距离越远 , 降水估测的精度越低 ( 表3 ) 。 , , ( ) : 1 9 8 7 9 2 d 8 9 5 7 1 ? 9 5 8 0 . JG e o h sR e s p y [ ] , 6 h n e r tPR, K r a e w s k iWF a n d J o h n s o nER. K a l m a n f i l t e r e s ? A j [ t i m a t i o no fr a d a r ? r a i n f a l l f i e l db i a s R] . I np r e r i n t s2 3 r dC o n f . p , , O nR a d a rM e t e o r 1 9 8 6 J P 3 3 ? J P 3 7 . [ ] 7 i n o m i aKa n dA k e a m aT. O b e c t i v e a n a l s i s o f h e a v r a i n f a l l s N y y j y y [ ] , b a s e do nr a d a r a n dg a u em e a s u r e m e n t J . JM e t e o rS o cJ a a n g p , , 1 9 7 8 5 0 2 0 6 ? 2 1 0 . [ ,B , 8] o u n r a d l e r a e w s k iW F e ta l .E v a l u a t i n Y gC B y A A,K j g N E X R A D m u l t i s e n s o rp r e c i i t a t i o ne s t i m a t e sf o ro e r a t i o n a l p p [ ] , ,( ) : h d r o l o i c f o r e c a s t i n J . JH d r o m e t e o r 2 0 0 0 1 2 4 1 ? 2 5 4 . y g g y [ ] 戴铁丕 , 伍志芳 , 等. 用变分方法校准数字化天气雷达 9 张培昌 , ] 大 气 科 学, 测定区域 降 水 量 基 本 原 理 和 精 度 [ J . 1 9 9 2, 1 6 ( ) : 2 2 4 8 ? 2 5 6. [ ] 杨维生 , 郭林 , 等. 提高最优插值法测量区域降水量精 1 0 李建通 , 度的探讨 [ ] 大气科学 , ( ) : J . 2 0 0 0, 2 2 6 3 ? 2 7 0. [ ] 雨量计联合估 测 降 水 初 值 场 形 1 1 ? 李建通 ,郭林 ,杨洪平 .雷达 成方法探讨 [ ] ( ) : J .大气科学 , 2 0 0 5, 0 6 1 0 1 0 ? 1 0 2 0. [ ] 1 2 郑媛媛 ,谢亦 峰 ,吴 林 林 ,等 .多 普 勒 雷 达 定 量 估 测 降 水 的 三种方法比较试验 [ ] ( ) : J .热带气象学报 , 2 0 0 4, 0 2 1 9 2 ? 1 9 7. [ ] 程明虎 , 崔哲虎 , 等. 多普勒雷达实时反射率因子垂直廓 1 3 史锐 , 线观测研究 [ ] 气象 , ( ) : J . 2 0 0 5, 3 1 9 3 9 ? 4 3.

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