白城市雷達定量估測降水方法

劉玉潔+王鐵巖

摘要：本文利用白城市2010年～2014年5～9月降水日的雨強與雷達回波值，建立了Z-I關系， 對Z-I關系進行加權平均，得到不同降水等級的Z=aIb，給出不同等級Z-I關系的a和b值。

關鍵詞：雨強；雷達回波；Z-I關系

中圖分類號： P412.25 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.05.047

測雨雷達問世以來，估測降水一直是其主要目標。20世紀80年代以來，我國的氣象工作人員對雷達產品的用途有了比較深刻的了解和認識，同時也積累了豐富的經驗。在此基礎上開始嘗試開發和利用雷達產品，把雷達產品用于本地化工作，創建自動識別系統和短時臨近預報。同時，我國新一代天氣雷達網的建立及各省雨量站網密度的增加，使得雷達的作用在暴雨的監測和預警中得到進一步展示和發揮。湯達章等對雷達跟蹤回波運動方法進行了研究；石立新等在多普勒天氣雷達的幫助下對層狀云的降水效率進行了估算；肖艷姣等利用反射率因子制作了臨近預報和強對流天氣預警工具；程向陽等在研究風廓線資料的基礎上總結了雷暴天氣的前兆特征，這些研究都為該市開展新一代天氣雷達定量估測降水提供了參考。

在物理層面上，利用Z-I 關系估測降水是一種比較清晰適用的估算方法，但是在實際操作中，對于Z=aIb 中參數a和b的選取存在一定技術困難。如果利用日常操作中常用的統計方法和實驗方法統計得出動態a、b值，由于方法原因，會導致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月布設了一部多普勒天氣雷達，自投入運行以來，為白城市防災減災做出了突出貢獻。本文主要研究雷達測量降水預測中的作用，以提高白城市氣象部門對氣象災害的預警能力，尤其是對強對流天氣預警能力和評估能力，最終最大限度地發揮天氣雷達在防災減災中的作用。

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 小時降水觀測實況和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷達CAPPI圖。利用Z=aIb關系，采用分型Z-I關系法得出不同降水類型的a和b值。在資料處理中要對畸異回波進行剔除（超折射、地物、孤立點等），避免由此帶來的Z-I關系的不穩定。另外，由于受到天氣類型、降水性質以及包括風場和氣壓場等在內的背景場的影響， 造成地面雨水計量與空雷達測值不對應，例如雨滴在下落過程中是會受到重力作用的，同時也會受到風垂直切變力的作用， 這兩種作用都會導致雷達工作數據反射率因子Z值的垂直分布不夠均勻，最終導致在不同高度測量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得的最大回波強度Z值與自動站測得的小時降水量作為原始數據，研究不同降水類型下的Z-I關系。

由于采用的是白城市多普勒雷達資料，在白城本站存在徑錐區，所以站點選擇要考慮遠離徑錐區。避免距離遠帶來的回波強度過低觀測，避免受地形影響帶來的回波強度過高觀測。綜上，本文選擇鎮賚站2010年～2014年，5～9月降水日小時降水量和小時內最大組合反射率因子。

2白城市Z-I關系計算

本文將小時降水量分為8個量級：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計。影響降水強度最大的因素是回波強度，如果在日常工作中，用一個通用的Z-I關系來計算不同回波強度下的降水量是不科學的，也是行不通的。實際操作中，利用雷達對層狀云和對流云進行區分降水類型是有一定技術困難的。基于這種現狀，本文要采用其他方法來處理雷達對降水量的測量問題。主要是用分級Z-I關系，即建立一個基礎Z-I關系，對不同回波強度建立不同 Z-I關系，以達到反演降水的目的。本文主要將回波強度的反射率從5～70之間以5dBZ為間隔分為13個等級，對13個等級的Z-I關系進行N小時的加權平均，得到最終的統計分型Z=aIb。

以Z-I關系為基礎的回波強度等級的統計方法的優點是，可以比較容易的對雷達拼圖上的降水進行分類統計，統計之后，雷達回波數據就能根據分型Z-I關系將反射率預報場反演為降水場。研究發現，在Z-I 關系反射率變化曲線中，a值是受回波影響比較大，隨回波強度增大而增大，b值在25～40dBZ（在40dBZ以下）內變化不大，比較平穩，當回波強度大于40dBZ時，b值受回波強度影響最大。

研究分型統計Z-I實測雨量和雷達定量降水散點圖時會發現，利用分型 Z-I關系法來計算的雷達定量降水，理論與實際情況相差比較大，當理論值達到0.78時，散點圖顯示性比較好，但是仍然存在估量不準確的情況。

3系統的應用情況

對2013年～2014年1小時降水實況（192例）的統計表明，75%的樣本是在1～5毫米量級的（144例）；15.1%為5～10毫米量級（29例）；6.3%為10～15毫米量級（12例）；2.6%為15～20毫米量級（5例）；而20 ～25毫米的樣本數僅為1例，占總樣本數的0.5%；大于25毫米的樣本1例，占總樣本的0.5%。用絕對誤差和相對誤差計算雷達定量降水的誤差，對 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個降水量級分析絕對誤差和相對誤差。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結語

本文對白城市2010年～2014年5～9月逐日1 小時降水觀測實況和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷達CAPPI圖的Z值，采用分型Z-I關系法， 得到白城地區統計分型Z=aIb。該方法在業務應用中能實現降水類型自動分型，并統計不同降水類型的 Z-I 關系，對各降水量級的反演效果好，尤其改善了對短時強降水低估的問題，便于移植。

參考文獻

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

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

作者簡介：劉玉潔，本科學歷，高級工程師，研究方向：人工增雨飛機起降臨近預報。