畢節CINRAD/CD雷達定量估測降水Z—I關系的研究

龔雪鵬　徐曉　聶祥　陳焰犢

摘 要：本文依據2014年畢節CINRAD/CD雷達基數據資料和地面觀測站雨量資料，利用分類型最優化法對數據擬合，進行雷達產品降水估測的研究，建立適合本區域的Z-I關系。最后對降水產品進行效果檢驗對比，并對誤差原因進行多方面分析。結果表明，與默認的理論Z-I關系（Z=300×I1.4）對比，分類型優化的Z-I關系適用性較好、準確性也有一定的提高，能為本區域降水估測提供較可靠的判斷依據。

關鍵詞：CINRAD/CD雷達；定量降水估測；Z-I關系；誤差分析

新一代天氣雷達用于監測降水和強對流天氣系統的發展演變，是氣象部門進行短時預警的重要探測手段之一。鑒于新一代天氣雷達資料具有時間和空間分辨率高的特點，適合進行定量測量降水的研究與應用。

目前，國內外眾多學者都在致力于解決雷達定量測量降水的關鍵問題[ 1-5 ]，但我市天氣雷達定量降水估測仍然應用現成的理論Z-I關系， 所有RPG降水產品也是基于該Z-I關系得到的，與實際雨量往往有較大差異。

由于Z-I關系隨不同的地理位置和硬件設備等存在很大差異，因此，建立本地適用的Z-I關系是進行雷達定量估測降水工作本地化研究與應用的基礎。

畢節CINRAD/CD雷達自2006年5月1日投入運行，聶祥[ 6 ]對本地區雷達回波強度與降水關系進行了初步分析，但當時區域站點相對較少，降水樣本的容量也較小，導致研究不夠深入。

目前，隨著全市地面觀測站點的建設，已經具備了開展更優化Z-I關系研究的條件。

本文采用分類型最優化法對畢節CINRAD/CD雷達Z-I關系進行研究，建立本地實用的Z-I關系模型，為充分發揮我市新一代天氣雷達在災害性天氣監測、預警作用，更好地服務于經濟建設和防災減災做出積極貢獻。

1 研究分析

研究方法就是不斷調整Z-I關系表達式中的A、b的值，直到判別函數CTF達到最小值。

2 樣本選取及處理

2.1 降水資料處理

選取畢節市2014年11次主要降水過程，利用天氣雷達強度產品及下屬8縣（區）國家級自動站的雨量統計資料，把每1h降水定義為一個樣本，對每次降水過程進行分型，根據地理環境、降水范圍、降水量級等選取樣本。

2.2 雷達資料處理

選取與上述11次降水過程相對應的畢節雷達的體掃強度回波資料。

在實際應用中，Z≤10dbz的雷達強度回波資料，對降水強度的貢獻可以忽略不計，因此不再進行處理；

Z≥55dbz的雷達強度回波資料，其中少數大水滴對Z的影響遠大于對I的影響，因此都按照55dbz來進行處理。

同時，考慮到降水過程在短時間內的連續性和相對穩定性，假定回波強度值在一個雷達體掃時間內是維持不變的。

雷達強度回波經過上述處理，在反射率因子Z選取時，還必須考慮地形環境、距雷達中心距離等因素。

首先，對處于靜錐區的七星關區，不作分析；對距雷達中心太遠，且受到地形環境遮擋嚴重的威寧，也不作分析。

同時，在選取選取雷達強度資料時，假定其距離庫1°×1km內降水均勻。據此要求，雷達回波樣本分析得到不同距離最優仰角為：

對于L<30km，使用3.4°仰角；

30≤L≤60km，使用2.4°仰角；

L>60km，使用1.5°仰角。

2.3 Z-I關系分布

根據以上對等效反射率因子Z和降水強度I的樣本選取要求和假設，對2014年11次主要降水過程400多個樣本資料進行分析，利用最優化方法來調整Z-I關系，對于不同類型降水，取不同的A、b代入公式，建立適合本區域的Z-I關系表達式。

3 結果分析

3.1 效果檢驗

對建立的Z-I關系表達式進行降水估測，隨機挑選掃描范圍內區域站的實況值進行對比分析。本文中引進區域降水平均相對誤差，對不同降水類型L>60km的Z-I關系進行效果檢驗，能較客觀反映誤差的大小。

3.2 誤差分析

應用上述所建立的Z-I關系進行降水估測，不同類型的降水過程的誤差系數都有一定的提高，但是仍存在較明顯的誤差，其主要原因主要有以下幾點：

首先是Z-I關系的不穩定性所致，只能通過不斷增加樣本資料，進一步修正表達式來接近實際測量值；

其次，雷達參數、性能的不同對Z值的影響較大，導致各個地區Z-I關系的獨特性；

第三，貴州的山區地形遮擋，特別是畢節雷達在240～330°方向上遮擋嚴重，導致回波探測不全，使得建立的Z-I關系誤差較大。

4 結語

貴州省畢節市地形復雜，遮擋角度較大，在進行雷達定量估測降水時誤差較大，通過資料選取、樣本分型，對表達式最優化計算，建立適應本區域的Z-I關系，能在一定程度上提高降水產品的估測能力。同時，我們也發現在本地化Z-I關系的研究中，必須理論和實際相結合，不同類型的降水過程和不同性質的回波，需加以區分并做必要的修正，否則難以反映當地的實際情況，導致預報出現較大的偏差。

參考文獻：

[1] 李腹廣，王芬.用天氣雷達回波強度資料估測降水[J].氣象科技，2007，35（2）：286-288.

[2] 羅曉松，周楓，王君軍，等.貴州省遵義地區暴雨Z-I關系研究[J].安徽農業科學，2009，37（16）：7559-7561.

[3] 張麗，何曉旭，姜玉印.宜昌市天氣雷達定量降水估測Z-I關系研究[J].貴州氣象，2014，38（6）：34-36.

[4] 王樹雄，薄兆海，張俊峰，等.天氣雷達Z-I關系本地化及RPG降水產品改進[J].氣象科技，2013，41（3）：430-435.

[5] 白先達，王艷蘭，孫瑩.雷達定量估測降水[J].氣象科技，2011，39（1）：61-65.

[6] 聶祥.畢節雷達回波強度與降水強度關系的初步分析[J].貴州氣象，1996，19（2）：16-18.

基金項目：

貴州省畢節市氣象局青年基金項目（BJQN[2015]03）資助

作者簡介：

龔雪鵬（1984-），男，本科，工程師，主要從事雷達觀測與機務保障工作。