多普勒雷达产品与自动站降水量关系的对比分析

多普勒雷达产品与自动站降水量关系的对比分析

 

新一代天气雷达的重要功能之一是降水估计。雷达PPI和RHI显示器能够显示出降水区回波的平面分布和某一剖面的垂直分布图形，以及强回波中心的分布区域，能利用回波强度直接测量雷达扫描范围内各地区的降水率。因此，雷达能估计雷达扫描范围内各点的雨强和一定区域上的雨量分布和总雨量，而且可以及时地取得大面积定量的降水资料。

一、多普勒雷达的降水估计算法简介

雷达估计降水的算法称为降水处理系统(PPS)。PPS由5个子程序和2个外部支持功能块组成。这5个子程序是：(1)预处理，(2)降水率计算，(3)降水积累，(4)调整，(5)产品。

预处理主要作用是剔除各种影响降水率计算的反常反射率因子，比如地物回波，超折射等，同时决定采用哪个仰角扫描得到的反射率因子。

降水率计算是用经验公式：

Z=300R1.4                    (1)

R为降水率，z为反射率因子。

这只是在降水都是由液态水滴构成的情况下才适用，当雷暴中含有冰雹时可产生很大的dBz，这时再用上面的公式肯定会产生异常大的值，因此需要一个反射率因子上限值(称为“冰雹帽”)，缺省的“冰雹帽”为53dBz，对应于104mm／h的降水率。在降水率算法中运行的一个质量控制步骤是时间连续性检查，它是检查由当前体扫得到的雷达覆盖区域内的平均降水率相对于前一个体扫的相应值的变化是否超过由降水本身的发展或衰退而引起的合理阈值，如果超过这个阈值，则当前体扫得到的所有降水率数据全部丢失。另一个质量控制步骤是远距离回波退化订正，采用下列方程订正：

Rcorr =a【(R)brc】            (2)

Rcorr 为订正后的降水率，R为原始的降水率，a、b、c为可调参数，在没有大量的数据对上述参数正确估计前，目前取a=b=1，c=0。另外还有两个问题对降水估计的误差影响比较大，一个是波束在降水系统顶上通过，另一个是反射率因子的垂直梯度，这两个问题目前的PPS中没有考虑。

降水累加的作用是计算当雷达出现软硬件故障时，无法定时问间隔得到体扫数据的时候进行累计降水估计。一般正常情况下是对各个体扫的降水量估计进行线性平均。

第4个步骤中利用实时雨量计数据对雷达雨量估计进行调整，目前，这一算法没有业务运行。最后一个步骤是产品生成，目前有4种图像产品：(1)1小时累积雨量——到当前体扫为止的1小时连续降水，每个体扫更新一次，(2)3小时累积雨量— —据当前时间最近的一个整点为止的3小时累积，每一个整点更新一次，(3)风暴总降水— — 从上一个1小时以上间隔的无雨期以来累积到当前体扫为止的总雨量，(4)用户选取时段的累积降水—— 由用户任意指定的时段的雨量，最长时段长度为24小时。

从算法上分析可见，由于算法的关系，雷达估算降水必然是有误差的。首先，由(1)式和(2)式可以看出算法中有众多可调参数，与气候、季节、降水类型等都有关系，而现在不管什么类型，都使用同样的参数就必然会有误差；其次，降水率因子的准确标定和杂波抑制也是一个问题；第三，波束的距离退化问题，这个比较麻烦，甚至在离雷达较远处可能会出现雷达波束高于降水系统顶部的情况；最后就是算法本身的问题。

二、1小时累积降水产品对比分析

以2009年7月25日23时至26日03时的降水过程为例，分析1小时雷达累积降水产品和实况的偏差情况，并进一步探讨了降水的演变过程。

图1和图2分别为本次降水过程中2009年7月25日23—26日00时海北雷达1小时降水估算图和同一时间的自动站降水实况图。从图中可以看出，在甘子河地区出现了范围不大的1小时降水估计，其降水量要么为1.27mm，要么为0。从1小时自动站降水实况来看，在这一地区有0.6—0.8mm的降水中心。雷达累积降水估计的位置与实况比较接近，但是量值不一致。

图1  2009年7月25日23—26日00时海北雷达1小时降水估算图

图2   2009年7月25日23—26日00时自动站降水实况图

图3和图4分别为本次降水过程中2009年7月26日00—01时海北雷达1小时降水估算图和同一时间的自动站降水实况图。从图中可以看出，在哈尔盖——甘子河——托勒一带出现了面积较大的降水估计值，其降水量要么为1.27mm，要么为0，在海晏的东侧也有小范围的降水估计值。对应1小时自动站降水实况，以上地区有一条0.9mm的降水等值线。两者的位置基本一致，降雨量有偏差。

图3  2009年7月26日00—01时海北雷达1小时降水估算图

 图4  2009年7月26日00—01时自动站降水实况图

     图5和图6分别为本次降水过程中2009年7月26日01—02时海北雷达1小时降水估算图和同一时间的自动站降水实况图。从图中可以看出，在甘子河一带有带状的的降水估计回波，其降水量要么为1.27mm，要么为0。对应1小时自动站降水实况，在托勒一带的降水在0.8mm，并向东南和西北方向梯级递减。雷达累积降水估计的位置与实况较为接近，降雨量估计不准。

图5  2009年7月26日01—02时海北雷达1小时降水估算图

图6  2009年7月26日01—02时动站降水实况图

从以上的分析可以看出，雷达1小时累计降水估计值的量值与位置都和实况相一致。

从演变趋势分析，雷达累积降水估计产品图上可以看出，2009年7月25日23—26日00时，甘子河地区出现了降水，之后降水的范围继续扩大，并且向东南方向移动。在26日01—02时，移动到雷达测站附近，范围减小，此后向南继续移动，降水范围的大小维持。从降水实况的演变来看，2009年7月25日22—23时降水中心在刚察东侧的泉吉一带，并向东移动，降水量基本维持不变。从26日01——02时开始，降水中心向东南移动，降水量增大。因此雷达累积降水估计的演变趋势与降水实况的演变趋势比较一致。

三、3小时累积降水产品对比分析

以2009年7月25日23时——7月26日01时和26日01时——03时两个时段的降水过程为例，分析3小时雷达累积降水产品和实况的偏差情况。

图7和图8分别为2009年7月25日23——26日01时海北雷达3小时降水估算图和同一时间的自动站降水实况图。对比两张图来看，

图7 2009年7月25日23——26日01时海北雷达3小时降水估算图

雷达产品在甘子河——托勒地区有小范围的降水回波，其降水量有的地方为1.27mm，大多为0，在雷达站的东面也有少量的降水回波。从降水实况的等值线来看，在甘子河——托勒的降水量比较大，为1.5——2mm，雷达站东侧的降水实况比较大。雷达3小时降水估算产品在甘子河——托勒一带的位置都与实况相一致。但是量值不能做比较。

图8  2009年7月25日23——26日01时自动站降水实况图

下图9和图10分别为2009年7月26日01——03时海北雷达3小时降水估算图和同一时间的自动站降水实况图。3小时雷达累积降水估计图上在默勒——甘子河一带和海晏地区有大范围的回波，其降水量有地方为2.54mm，有的地方为1.27mm，大多为0。从降水实况图上来看，在出现回波的区域等值线的数值比较大，在1.2——2.4mm之间，在海晏的东面出现了3mm的降水。对比分析可得，雷达3小时降水估计产品与同一时间的自动站降水实况相对应，所估计的降水位置与实况相一致，但量值不太理想。

综上所述，雷达3小时降水估计产品图上所反映的降水与实况降水的位置都比较接近，但是量值上有偏差。从演变过程来看，雷达3小时估计产品图上降水的移动与实况相对应。

图9  2009年7月26日01——03时海北雷达3小时降水估算图

图10  2009年7月26日01——03时自动站降水实况图

五、小结

分析了一次连续性的降水天气过程雷达累积降水估计产品与降水实况的关系。从1小时与3小时的雷达累积降水估计产品的定性分析中可以看到多普勒雷达的降水估计图像产品有一定的参考价值。多普勒雷达的降水估计图像产品估计的降水位置与实况相一致。多普勒雷达累积降水估计产品在分析降水的演变趋势过程中发挥着重要的作用，它能准确地反映降水的移动过程。

在本次降水过程中，降水实况都比较小，在多普勒雷达累积降水估计图像产品上的降水量大多为0。其原因是本来降水就比较弱，返回的波束能量很小，再加上距离退化，可能会使得雷达认为那里没有降水。

由于地理因素的制约和雷达本身探测能力的限制，雷达累积降水估计产品在祁连和门源地区不适用，因此没有分析。而实际上祁连和门源地区都出现了降水，而且门源东部的降水量比较大。