多普勒天氣雷達(dá)在不同降水類型中Z-R關(guān)系及檢驗(yàn)

韓潔 李恩莉 馮富強(qiáng)

摘要：利用寶雞多普勒天氣雷達(dá)的基本反射率因子以及寶雞區(qū)域站和自動(dòng)站的逐分鐘或10 min雨量資料.將2015年汛期降水分為積狀云降水、層狀云降水、層積混合狀降水，并分別計(jì)算三種降水類型的Z-R關(guān)系中的A、b值。再對(duì)一次降水過(guò)程中的自動(dòng)站雨量進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示96.1%的估測(cè)與實(shí)況值的差距在5 mm以內(nèi)。且根據(jù)降水強(qiáng)度的不同，發(fā)現(xiàn)新的Z—R關(guān)系在雨強(qiáng)較大時(shí)，降水估測(cè)值誤差大。

關(guān)鍵詞：多普勒雷達(dá);Z-R關(guān)系;寶雞

中圖分類號(hào)：P412

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）8-0209-02

1 引言

多普勒雷達(dá)提供的豐富產(chǎn)品為制作精細(xì)和準(zhǔn)確的短時(shí)及臨近預(yù)報(bào)預(yù)警提供了最有力的支撐。本文對(duì)雷達(dá)的Z-R關(guān)系進(jìn)行重新計(jì)算，旨在為越來(lái)越重要的短臨預(yù)報(bào)預(yù)警中提供更為有效地定量估測(cè)降水。近年來(lái)，隨著區(qū)域氣象站的建成，使得加密監(jiān)測(cè)成為可能，尺度較小的短時(shí)強(qiáng)降水也能被準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。為了提高雷達(dá)定量估測(cè)降水的能力，確定一個(gè)適合寶雞當(dāng)?shù)氐姆瓷渎室蜃覼和降雨率R之間的關(guān)系，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的短時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警有著重要的意義。

2 資料選取和方法

利用天氣雷達(dá)的基本反射率因子及寶雞各自動(dòng)站、區(qū)域站雨量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)201 5年5～8月的13次降水過(guò)程，根據(jù)降水類型劃分為積狀云降水、層積混合狀降水和層狀云降水，再將距離區(qū)域站或自動(dòng)站最近的雷達(dá)回波強(qiáng)度挑選出來(lái)。已有的研究表明[1]雷達(dá)資料與該分鐘觀測(cè)到的前6 min降水量相對(duì)應(yīng)，依照此原則，由于區(qū)域站無(wú)逐分鐘雨量，因此選擇區(qū)域站或自動(dòng)站雷達(dá)回波強(qiáng)度前10 min的降雨量，求出小時(shí)雨強(qiáng)。

在雷達(dá)回波選取過(guò)程中，雷達(dá)回波強(qiáng)度值小于10dBz的資料，對(duì)降水貢獻(xiàn)幾乎沒(méi)有或者很小，所以不進(jìn)行處理，而對(duì)于大于60 dBz的資料。則按照60dBz進(jìn)行處理，因?yàn)樯贁?shù)大雨滴對(duì)Z的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于對(duì)R的貢獻(xiàn)。另外，因?yàn)槔走_(dá)波束高度隨距離增加而增加，雷達(dá)有效照射體積隨距離的增加而增加可能出現(xiàn)波束未充塞，因此對(duì)反射率因子Z取值時(shí)還要選擇不同距離上選取的仰角，考慮多種因素確定不同距離的最佳仰角如下表1。由于區(qū)域站數(shù)據(jù)部分缺失，去除區(qū)域站數(shù)據(jù)為O的數(shù)據(jù)，最終挑選出707個(gè)樣本進(jìn)行計(jì)算。寶雞區(qū)域站的分布圖如圖1所示。

3 理論應(yīng)用分析

利用雷達(dá)實(shí)測(cè)的強(qiáng)度值和相對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)值進(jìn)行比較分析得到Z-R關(guān)系[2]。實(shí)際應(yīng)用中雷達(dá)圖上直接觀測(cè)到的產(chǎn)品是等效反射率因子，而非反射率因子。因此本課題分析等效反射率因子與雨強(qiáng)的關(guān)系。一般定義等效反射率因子（dBz）為：Ze=10lgZ，Ze與雨強(qiáng)R的關(guān)系可變化為Ze= lgA+blgR，定義R*=lgR。利用最小二乘法可得這直線的截距和斜率，對(duì)截距取反對(duì)數(shù)即可得到A值[3]。

對(duì)2015年汛期的降水天氣過(guò)程進(jìn)行分析，利用0.5°仰角、1.5°仰角、2.4°仰角的雷達(dá)基本反射率因子和地面自動(dòng)站或區(qū)域站降水量資料，經(jīng)過(guò)篩選后，選擇707個(gè)樣本，得到三種降水類型下的Z-R關(guān)系來(lái)替換原有的Z=300RL4。

4 Z-R關(guān)系的建立

對(duì)選取的707個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)出等效反射率因子和雨強(qiáng)，二者分布如圖2。

從圖2中可以看出，R隨Z的增大而增大，但兩者并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。但R*和Ze呈線性關(guān)系，Ze、R*兩者關(guān)系密切，相關(guān)系數(shù)為88.35%。一般的同歸方程為：y= bo+bx，這里，有針對(duì)性的假設(shè)兩個(gè)變量Zc與R*的同歸方程為：Ze=A*+bR*;很顯然A*和b不同時(shí)直線的斜率和截距就不同，根據(jù)黃嘉佑的《氣象統(tǒng)計(jì)分析與預(yù)報(bào)方法》，回歸系數(shù)可直接表示為：

x及y分別為其平均值。用A*替換上式中的bo，Ze替換y，R*替換x即可算出相應(yīng)的A和b值。根據(jù)上述方法對(duì)2015年的707個(gè)樣本進(jìn)行分類分析，從距離和強(qiáng)度上分別分析計(jì)算出A和b值及強(qiáng)度與雨強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)（表2）。

5 Z-R關(guān)系的檢驗(yàn)

利用雷達(dá)基本反射率資料和自動(dòng)站的逐分鐘降水量，對(duì)2016年6月23日00：00～08：00時(shí)的3個(gè)自動(dòng)站的254個(gè)樣本的Z-R關(guān)系進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)這次過(guò)程的估測(cè)值和實(shí)況值求相對(duì)誤差（圖3）。

在對(duì)過(guò)程的檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，18.1%的估測(cè)值較實(shí)況值偏多0.05 mm左右，81.9%的估測(cè)值較實(shí)況值偏少0.44～5.97 mm。96.1%的估測(cè)與實(shí)況值的差距在5mm以內(nèi)。且根據(jù)降水強(qiáng)度的不同，發(fā)現(xiàn)新的Z-R關(guān)系在雨強(qiáng)較大時(shí)，降水估測(cè)值誤差大。

結(jié)合各類文獻(xiàn)，可能造成誤差的原因：①每次降水過(guò)程的雨滴譜不同。②一般情況下，探測(cè)距離越遠(yuǎn)，雷達(dá)測(cè)量精度越低，誤差越大。③寶雞地區(qū)南北部為山區(qū)，地形復(fù)雜，影響Z-R關(guān)系的確性。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）將2015年汛期13個(gè)降水天氣過(guò)程分類為積狀云降水、層狀云降水、層積混合狀降水，并計(jì)算出不同降水類型下的Z- R關(guān)系式中的A，b值。

（2）對(duì)2016年一次降水過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示96.1%的估測(cè)與實(shí)況值的差距在5毫米以內(nèi)。本地化的Z-R關(guān)系具有雨強(qiáng)越大，降水估測(cè)值誤差越大的特征。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁建茵，胡勝，雷達(dá)回波強(qiáng)度拼圖的定量估測(cè)降水及其效果檢驗(yàn)[J]，熱帶氣象學(xué)報(bào)，27（1）;1～10.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M]，北京：氣象出版社，2006：217～231.

[3]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕，雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京;氣象出版社，2000.