雷達(dá)定量測量強(qiáng)降水的自適應(yīng)方法研究

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1、雷達(dá)定量測量強(qiáng)降水的自適應(yīng)方法研究一、研究意義近年來我國城市化進(jìn)程加快，城市洪澇災(zāi)害問題日益凸顯，遇到量級較大的降水時，由于城市蓄水排水能力差，易造成城區(qū)內(nèi)的暴雨和洪澇災(zāi)害，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財產(chǎn)造成重大損失，因此，研究城市致災(zāi)暴雨洪水的預(yù)報預(yù)警，對防災(zāi)減災(zāi)有理論意義和應(yīng)用價值。二、國內(nèi)外雷達(dá)估算降水方法[2]關(guān)于利用雷達(dá)開展降水估算的研究國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多年，主要分為三類：概率配對法、Z-I關(guān)系法和基于Z-I關(guān)系的數(shù)學(xué)校正法。三類方法都是根據(jù)雷達(dá)觀測的反射率因子Z估算降水強(qiáng)度I。（1）概率配

2、對法由Zawadzki等、Atlas等提出，該方法假設(shè)任一點(diǎn)任一時刻出現(xiàn)雨強(qiáng)為I的可能性與出現(xiàn)雷達(dá)反射率因子為Z的可能性相等，根據(jù)兩者概率相等的原則可配出一系列的Zi和Ii對，針對每個配對統(tǒng)計確定Z與I的對應(yīng)關(guān)系。例如根據(jù)雷達(dá)不同距離段不同仰角PPI資料與雨強(qiáng)I建立概率配對序列，然后對所有Z和I的配對利用線性回歸統(tǒng)計方法建立它們之間的對應(yīng)關(guān)系。也可不刻意尋找雷達(dá)反射率因子Z與雨強(qiáng)I之間的函數(shù)關(guān)系，而是將不同的Z和I進(jìn)行簡單數(shù)值對應(yīng)，他們將回波反射率5～55dBZ以間距5dBZ劃分為8個等級，根據(jù)統(tǒng)

3、計確立了上述8個回波等級分別對應(yīng)0、2、5、10、17、25、36和48mm8個降水值。這種做法的好處在于計算簡單，可迅速估算出降水量，其缺點(diǎn)也是顯而易見的，將一些反射率區(qū)間與有限的幾個雨量值對應(yīng)顯然存在不合理性。（2）Z-I關(guān)系法根據(jù)Z=AIb指數(shù)關(guān)系進(jìn)行雷達(dá)估測降水計算。Z-I關(guān)系法可分幾類：固定Z-I關(guān)系法、動態(tài)Z-I關(guān)系法、分型Z-I關(guān)系法。①、固定Z-I關(guān)系法通過對歷史資料進(jìn)行統(tǒng)計，確定一個固定的Z=AIb指數(shù)關(guān)系并據(jù)此進(jìn)行雷達(dá)降水估測；②、動態(tài)Z-I關(guān)系法不使用歷史統(tǒng)計的Z-I關(guān)系，而

4、是利用實(shí)況資料頻繁建立動態(tài)的Z=AIb關(guān)系；③、分型Z-I關(guān)系法將降水回波性質(zhì)分為對流云、層狀云、冰雹、暖雨區(qū)等情況建立不同的Z=AIb關(guān)系并計算定量降水。優(yōu)缺點(diǎn)比較：固定Z-I關(guān)系法計算簡單快速，但其關(guān)系式不能適應(yīng)降水系統(tǒng)的變化，且需要大量歷史資料來建立統(tǒng)計關(guān)系；動態(tài)Z-I關(guān)系法能夠適應(yīng)天氣形勢的演變，這種做法比使用單一Z-I關(guān)系合理，缺點(diǎn)是沒有對回波分類進(jìn)行降水估測；分型Z-I關(guān)系法考慮了不同類型回波對Z-I關(guān)系的影響，效果更好些，但業(yè)務(wù)應(yīng)用中卻很難實(shí)現(xiàn)自動劃分降水回波類型。（3）基于Z-I關(guān)

5、系進(jìn)行數(shù)學(xué)校正法是通過卡爾曼濾波、變分校正等不斷逼近降水實(shí)況使降水估算效果更加理想，但計算相對復(fù)雜，消耗的計算機(jī)資源較大。該方法依賴于Z-I關(guān)系的初始場降水估測，誤差小的Z-I關(guān)系反演的降水初估場能節(jié)省這類算法的計算時間并提高計算精度，因此研究誤差小的Z-I關(guān)系法十分必要。一、總體目標(biāo)（1）針對無錫等代表性城市的暴雨預(yù)報，建立和試驗(yàn)城市區(qū)域多普勒雷達(dá)回波臨近預(yù)報的外推算法；（2）研究適于城市暴雨的雷達(dá)定量測量降水量的動態(tài)自適應(yīng)的Z-I關(guān)系。根據(jù)雷達(dá)反射率因子與雷達(dá)掃描覆蓋區(qū)的地面雨量資料，建立適于

6、城市區(qū)域暴雨的動態(tài)自適應(yīng)的Z-I（雷達(dá)反射率與雨量計）關(guān)系，計算城市及周邊區(qū)域逐時段的面雨量分布，為洪澇預(yù)警提供依據(jù)。二、誤差來源雷達(dá)定量測量降水的主要誤差來自幾方面：（1）降水對雷達(dá)電磁波的衰減,（2）雷達(dá)有效照射體積和地面雨量計附近雨滴譜分布的空間差異,（3）雷達(dá)波束的平均作用,（4）地物雜波干擾。三、文獻(xiàn)閱讀[1]白先達(dá),王艷蘭,孫瑩.雷達(dá)定量測量降水.氣象科技,2011年2月,39(1):61-65.該中指出：用最優(yōu)化方法統(tǒng)計Z-I關(guān)系中的A、b系數(shù)，定量測量降水能力得到明顯的提高。做法：

7、根據(jù)固定一地雷達(dá)定量測量降水的研究,嘗試不分天氣系統(tǒng),將雷達(dá)回波的強(qiáng)度進(jìn)行分級,直接與地面雨量測量資料進(jìn)行統(tǒng)計,得到不同雷達(dá)回波強(qiáng)度級別所對應(yīng)的地面雨強(qiáng)。步驟：1）資料處理：雷達(dá)回波資料處理、雨量資料處理（涉及質(zhì)量控制）；2）選用混合探測掃描面；3）用最優(yōu)化方法調(diào)整當(dāng)?shù)馗骷壔夭◤?qiáng)度的Z-I關(guān)系；4）美國WSR-88D定量測量降水的關(guān)系Z=300R1.4不分降水類型,不分季節(jié),統(tǒng)計出來的降水偏差很大,一般情況是小雨估測偏大,大雨估測偏??；通過對不同雷達(dá)回波強(qiáng)度級別使用不同的Z-I關(guān)系后,回波強(qiáng)度各級

8、別的降水估測誤差明顯減小,特別對小雨的過高估測得到了明顯的糾正。[2]汪瑛，馮業(yè)榮，蔡錦輝，等.雷達(dá)定量降水動態(tài)分級Z-I關(guān)系估算方法[J].熱帶氣象學(xué)報，2011，27(4):601-608.該文指出：動態(tài)分級Z-I關(guān)系法是一種對雷達(dá)QPE和回波反射率預(yù)報場反演降水場都較好的方法，并且改進(jìn)了對短時強(qiáng)降水、尤其是大于55mm/h的短時極強(qiáng)降水低估的問題；在業(yè)務(wù)計算中僅需15秒，能滿足6分鐘更新一次計算結(jié)果的需要，而且不依賴氣候統(tǒng)計，便于移植。方法：為了便于對比和尋找最優(yōu)方案，本文設(shè)