多普勒天氣雷達在不同降水類型中Z-R關系及檢驗

韓潔 李恩莉 馮富強

摘要：利用寶雞多普勒天氣雷達的基本反射率因子以及寶雞區域站和自動站的逐分鐘或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，并分別計算三種降水類型的Z-R關系中的A、b值。再對一次降水過程中的自動站雨量進行檢驗，檢驗結果顯示96.1%的估測與實況值的差距在5 mm以內。且根據降水強度的不同，發現新的Z—R關系在雨強較大時，降水估測值誤差大。

關鍵詞：多普勒雷達;Z-R關系;寶雞

中圖分類號：P412

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0209-02

1 引言

多普勒雷達提供的豐富產品為制作精細和準確的短時及臨近預報預警提供了最有力的支撐。本文對雷達的Z-R關系進行重新計算，旨在為越來越重要的短臨預報預警中提供更為有效地定量估測降水。近年來，隨著區域氣象站的建成，使得加密監測成為可能，尺度較小的短時強降水也能被準確的監測。為了提高雷達定量估測降水的能力，確定一個適合寶雞當地的反射率因子Z和降雨率R之間的關系，對短時強降水的短時預報預警有著重要的意義。

2 資料選取和方法

利用天氣雷達的基本反射率因子及寶雞各自動站、區域站雨量的統計數據，對201 5年5～8月的13次降水過程，根據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，再將距離區域站或自動站最近的雷達回波強度挑選出來。已有的研究表明[1]雷達資料與該分鐘觀測到的前6 min降水量相對應，依照此原則，由于區域站無逐分鐘雨量，因此選擇區域站或自動站雷達回波強度前10 min的降雨量，求出小時雨強。

在雷達回波選取過程中，雷達回波強度值小于10dBz的資料，對降水貢獻幾乎沒有或者很小，所以不進行處理，而對于大于60 dBz的資料。則按照60dBz進行處理，因為少數大雨滴對Z的貢獻遠大于對R的貢獻。另外，因為雷達波束高度隨距離增加而增加，雷達有效照射體積隨距離的增加而增加可能出現波束未充塞，因此對反射率因子Z取值時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。由于區域站數據部分缺失，去除區域站數據為O的數據，最終挑選出707個樣本進行計算。寶雞區域站的分布圖如圖1所示。

3 理論應用分析

利用雷達實測的強度值和相對應雨強值進行比較分析得到Z-R關系[2]。實際應用中雷達圖上直接觀測到的產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的關系。一般定義等效反射率因子（dBz）為：Ze=10lgZ，Ze與雨強R的關系可變化為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，對截距取反對數即可得到A值[3]。

對2015年汛期的降水天氣過程進行分析，利用0.5°仰角、1.5°仰角、2.4°仰角的雷達基本反射率因子和地面自動站或區域站降水量資料，經過篩選后，選擇707個樣本，得到三種降水類型下的Z-R關系來替換原有的Z=300RL4。

4 Z-R關系的建立

對選取的707個樣本統計出等效反射率因子和雨強，二者分布如圖2。

從圖2中可以看出，R隨Z的增大而增大，但兩者并不是簡單的線性關系。但R*和Ze呈線性關系，Ze、R*兩者關系密切，相關系數為88.35%。一般的同歸方程為：y= bo+bx，這里，有針對性的假設兩個變量Zc與R*的同歸方程為：Ze=A*+bR*;很顯然A*和b不同時直線的斜率和截距就不同，根據黃嘉佑的《氣象統計分析與預報方法》，回歸系數可直接表示為：

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即可算出相應的A和b值。根據上述方法對2015年的707個樣本進行分類分析，從距離和強度上分別分析計算出A和b值及強度與雨強的相關系數（表2）。

5 Z-R關系的檢驗

利用雷達基本反射率資料和自動站的逐分鐘降水量，對2016年6月23日00：00～08：00時的3個自動站的254個樣本的Z-R關系進行檢驗。對這次過程的估測值和實況值求相對誤差（圖3）。

在對過程的檢驗中發現，18.1%的估測值較實況值偏多0.05 mm左右，81.9%的估測值較實況值偏少0.44～5.97 mm。96.1%的估測與實況值的差距在5mm以內。且根據降水強度的不同，發現新的Z-R關系在雨強較大時，降水估測值誤差大。

結合各類文獻，可能造成誤差的原因：①每次降水過程的雨滴譜不同。②一般情況下，探測距離越遠，雷達測量精度越低，誤差越大。③寶雞地區南北部為山區，地形復雜，影響Z-R關系的確性。

6 結語

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

（2）對2016年一次降水過程進行檢驗，檢驗結果顯示96.1%的估測與實況值的差距在5毫米以內。本地化的Z-R關系具有雨強越大，降水估測值誤差越大的特征。

參考文獻：

[1]梁建茵，胡勝，雷達回波強度拼圖的定量估測降水及其效果檢驗[J]，熱帶氣象學報，27（1）;1～10.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M]，北京：氣象出版社，2006：217～231.

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