白城市雷達(dá)定量估測(cè)降水方法

劉玉潔+王鐵巖

摘要：本文利用白城市2010年～2014年5～9月降水日的雨強(qiáng)與雷達(dá)回波值，建立了Z-I關(guān)系， 對(duì)Z-I關(guān)系進(jìn)行加權(quán)平均，得到不同降水等級(jí)的Z=aIb，給出不同等級(jí)Z-I關(guān)系的a和b值。

關(guān)鍵詞：雨強(qiáng)；雷達(dá)回波；Z-I關(guān)系

中圖分類號(hào)： P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.05.047

測(cè)雨雷達(dá)問(wèn)世以來(lái)，估測(cè)降水一直是其主要目標(biāo)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)的氣象工作人員對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的用途有了比較深刻的了解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)和利用雷達(dá)產(chǎn)品，把雷達(dá)產(chǎn)品用于本地化工作，創(chuàng)建自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)和短時(shí)臨近預(yù)報(bào)。同時(shí)，我國(guó)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建立及各省雨量站網(wǎng)密度的增加，使得雷達(dá)的作用在暴雨的監(jiān)測(cè)和預(yù)警中得到進(jìn)一步展示和發(fā)揮。湯達(dá)章等對(duì)雷達(dá)跟蹤回波運(yùn)動(dòng)方法進(jìn)行了研究；石立新等在多普勒天氣雷達(dá)的幫助下對(duì)層狀云的降水效率進(jìn)行了估算；肖艷姣等利用反射率因子制作了臨近預(yù)報(bào)和強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警工具；程向陽(yáng)等在研究風(fēng)廓線資料的基礎(chǔ)上總結(jié)了雷暴天氣的前兆特征，這些研究都為該市開(kāi)展新一代天氣雷達(dá)定量估測(cè)降水提供了參考。

在物理層面上，利用Z-I 關(guān)系估測(cè)降水是一種比較清晰適用的估算方法，但是在實(shí)際操作中，對(duì)于Z=aIb 中參數(shù)a和b的選取存在一定技術(shù)困難。如果利用日常操作中常用的統(tǒng)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)方法統(tǒng)計(jì)得出動(dòng)態(tài)a、b值，由于方法原因，會(huì)導(dǎo)致a、b的取值范圍相差很大，基本上a的取值范圍為17～1100，b的取值范圍為1～2.88。本文采用分型Z-I關(guān)系法，得出不同降水類型的a值和b值。

白城市氣象局2003年8月布設(shè)了一部多普勒天氣雷達(dá)，自投入運(yùn)行以來(lái)，為白城市防災(zāi)減災(zāi)做出了突出貢獻(xiàn)。本文主要研究雷達(dá)測(cè)量降水預(yù)測(cè)中的作用，以提高白城市氣象部門對(duì)氣象災(zāi)害的預(yù)警能力，尤其是對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警能力和評(píng)估能力，最終最大限度地發(fā)揮天氣雷達(dá)在防災(zāi)減災(zāi)中的作用。

1資料選取

本文用到兩類資料：白城市2010年～2014年5～9月逐日1 小時(shí)降水觀測(cè)實(shí)況和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷達(dá)CAPPI圖。利用Z=aIb關(guān)系，采用分型Z-I關(guān)系法得出不同降水類型的a和b值。在資料處理中要對(duì)畸異回波進(jìn)行剔除（超折射、地物、孤立點(diǎn)等），避免由此帶來(lái)的Z-I關(guān)系的不穩(wěn)定。另外，由于受到天氣類型、降水性質(zhì)以及包括風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)等在內(nèi)的背景場(chǎng)的影響， 造成地面雨水計(jì)量與空雷達(dá)測(cè)值不對(duì)應(yīng)，例如雨滴在下落過(guò)程中是會(huì)受到重力作用的，同時(shí)也會(huì)受到風(fēng)垂直切變力的作用， 這兩種作用都會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)工作數(shù)據(jù)反射率因子Z值的垂直分布不夠均勻，最終導(dǎo)致在不同高度測(cè)量Z值所反映出的地面降水有一定的誤差。本文采取用組合反射率測(cè)得的最大回波強(qiáng)度Z值與自動(dòng)站測(cè)得的小時(shí)降水量作為原始數(shù)據(jù)，研究不同降水類型下的Z-I關(guān)系。

由于采用的是白城市多普勒雷達(dá)資料，在白城本站存在徑錐區(qū)，所以站點(diǎn)選擇要考慮遠(yuǎn)離徑錐區(qū)。避免距離遠(yuǎn)帶來(lái)的回波強(qiáng)度過(guò)低觀測(cè)，避免受地形影響帶來(lái)的回波強(qiáng)度過(guò)高觀測(cè)。綜上，本文選擇鎮(zhèn)賚站2010年～2014年，5～9月降水日小時(shí)降水量和小時(shí)內(nèi)最大組合反射率因子。

2白城市Z-I關(guān)系計(jì)算

本文將小時(shí)降水量分為8個(gè)量級(jí)：1～5毫米、5～10毫米、10～15毫米、15～20毫米、20～25毫米、25～30毫米、30～35毫米和35毫米以上，小于1 毫米的降水不參與統(tǒng)計(jì)。影響降水強(qiáng)度最大的因素是回波強(qiáng)度，如果在日常工作中，用一個(gè)通用的Z-I關(guān)系來(lái)計(jì)算不同回波強(qiáng)度下的降水量是不科學(xué)的，也是行不通的。實(shí)際操作中，利用雷達(dá)對(duì)層狀云和對(duì)流云進(jìn)行區(qū)分降水類型是有一定技術(shù)困難的。基于這種現(xiàn)狀，本文要采用其他方法來(lái)處理雷達(dá)對(duì)降水量的測(cè)量問(wèn)題。主要是用分級(jí)Z-I關(guān)系，即建立一個(gè)基礎(chǔ)Z-I關(guān)系，對(duì)不同回波強(qiáng)度建立不同 Z-I關(guān)系，以達(dá)到反演降水的目的。本文主要將回波強(qiáng)度的反射率從5～70之間以5dBZ為間隔分為13個(gè)等級(jí)，對(duì)13個(gè)等級(jí)的Z-I關(guān)系進(jìn)行N小時(shí)的加權(quán)平均，得到最終的統(tǒng)計(jì)分型Z=aIb。

以Z-I關(guān)系為基礎(chǔ)的回波強(qiáng)度等級(jí)的統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以比較容易的對(duì)雷達(dá)拼圖上的降水進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)之后，雷達(dá)回波數(shù)據(jù)就能根據(jù)分型Z-I關(guān)系將反射率預(yù)報(bào)場(chǎng)反演為降水場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，在Z-I 關(guān)系反射率變化曲線中，a值是受回波影響比較大，隨回波強(qiáng)度增大而增大，b值在25～40dBZ（在40dBZ以下）內(nèi)變化不大，比較平穩(wěn)，當(dāng)回波強(qiáng)度大于40dBZ時(shí)，b值受回波強(qiáng)度影響最大。

研究分型統(tǒng)計(jì)Z-I實(shí)測(cè)雨量和雷達(dá)定量降水散點(diǎn)圖時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，利用分型 Z-I關(guān)系法來(lái)計(jì)算的雷達(dá)定量降水，理論與實(shí)際情況相差比較大，當(dāng)理論值達(dá)到0.78時(shí)，散點(diǎn)圖顯示性比較好，但是仍然存在估量不準(zhǔn)確的情況。

3系統(tǒng)的應(yīng)用情況

對(duì)2013年～2014年1小時(shí)降水實(shí)況（192例）的統(tǒng)計(jì)表明，75%的樣本是在1～5毫米量級(jí)的（144例）；15.1%為5～10毫米量級(jí)（29例）；6.3%為10～15毫米量級(jí)（12例）；2.6%為15～20毫米量級(jí)（5例）；而20 ～25毫米的樣本數(shù)僅為1例，占總樣本數(shù)的0.5%；大于25毫米的樣本1例，占總樣本的0.5%。用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差計(jì)算雷達(dá)定量降水的誤差，對(duì) 1～5毫米、5～10毫米、10～15毫米、15～20毫米、20～25毫米、25毫米以上的6個(gè)降水量級(jí)分析絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。誤差分析1～5毫米，5～10毫米，10～15毫米，15～20毫米， 20～25毫米 ≥25毫米；絕對(duì)誤差1.06毫米，1.09毫米，1.11毫米，0.74毫米，0.43毫米，1.27毫米；相對(duì)誤差43.62毫米，12.81毫米，12.43毫米，11.51毫米，10.36毫米，9.13毫米。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)白城市2010年～2014年5～9月逐日1 小時(shí)降水觀測(cè)實(shí)況和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷達(dá)CAPPI圖的Z值，采用分型Z-I關(guān)系法， 得到白城地區(qū)統(tǒng)計(jì)分型Z=aIb。該方法在業(yè)務(wù)應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)降水類型自動(dòng)分型，并統(tǒng)計(jì)不同降水類型的 Z-I 關(guān)系，對(duì)各降水量級(jí)的反演效果好，尤其改善了對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水低估的問(wèn)題，便于移植。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭媛媛，謝亦峰，吳林林，等.多普勒雷達(dá)定量估測(cè)降水的三種方法比較試驗(yàn)[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2004，20（03）：192-197.

[2]王艷蘭，唐伍斌，周文志，等.利用多普勒雷達(dá)資料作站點(diǎn)雨量及面雨量臨近預(yù)報(bào)[J].氣象科學(xué)，2008，28（03）：322-327.

作者簡(jiǎn)介：劉玉潔，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，研究方向：人工增雨飛機(jī)起降臨近預(yù)報(bào)。