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  最优插值校准法定量估测降水及效果分析最优插值校准法定量估测降水及效果分析第卷第期年月成都信息工程学院JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYVlNoApt文章编号:(l)最优插值校准法定量估测降水及效果分析郭忠立一,刘黎平(成都信息工程学院,四川成都中国气象科学院国家灾害天气重点实验室,北京)摘要:天气雷达可以监测大范围降水以及降水分布情况,但是由于雷达估测的是离地面某一高度处的降水,会造成降水估算的误差地面雨量站测量的是地面上某个点累计的雨量,单点精度较高,但往往漏掉强降水,暴雨中心结合两者的优点,研究了雷达和雨量计联合估测降水方法中的最优插值校准法,并和zJ关系估测的降水结果进行了对比分析在此基础上还比较了不同雷达初值场对降水精度的影响结果表明,最优插值校准法定量估测降水可以提高雷达估算降水的精度,同时雷达初值场的代表性好坏直接关系到降水估测的效果关键词:雷达气象雷达估测降水雨量站混合反射率因子最优插值校准中图分类号:P文献标识码:A随着降水引起的各种灾害性天气的发生发展,降水的强度,分布及成因备受学者重视,因此如何建立高分辨率的降水数据资料,分析降水结构特征等都是相当基础和重要的而雷达一雨量计联合校准定量测量降水…可以大大提高估测降水精度刘晓阳,杨洪平等对新一代天气雷达定量估测降水系统做了精度初评,表明用雨量计校准,约可以提高雷达估测降水精度一何宇翔LJ等对天气雷达定量估测降水量的不同方法进行了效果评估,结果表明联合校准法和最优插值校准法得出的降水量计算精度最高,变分法得到的结果不是很理想,卡尔曼滤波校准法和平均校准法的计算精度低于联合校准法和最优插值校准法,zJ关系法的精度最低中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室在原有的新一代天气雷达三维组网软件的基础上,利用混合反射率因子进行降水估算该软件生成的降水产品可以根据地面的实时雨量站资料利用最优插值校准法对雷达估测降水进行实时订正,生成高时空分辨率的降水数据资料资料与方法雷达资料及数据处理雷达数据资料为年月日(世界时)部SA波段多普勒天气雷达(广州,深圳,梅州,韶关,阳江,汕头)分钟做原始体扫数据(共个时次),分辨率为×(kmxkin)为了能有效减小地物阻挡的影响,利用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开发的新一代天气雷达三维数字组网及产品处理系统,将雷达原始体扫数据转成三维格点数据,并根据等高度射束拼图得到混合反射率因子自动站资料及处理自动站资料为年月日:日:o(北京时)广东省加密自动雨量站分钟腴的雨量资料(共有个时次)自动雨量站的数据处理主要有部分()由于每个数据里总会有少数几个自动雨量站的基本信息(站点号和经纬度)不准确,主要表现为站点号相同,经纬度不同或站点号不同,经纬度相同这两种情况,因此必须剔除这些有错误信息的自动雨量站()在小时定量估测降水时,在第一步数据处理的基础上,对每个雨量站的小时雨量只要将每小时内该站的每分钟雨量累加即可得到同时为了提高小时的估测降水精度,需要去除d,时内有缺测的雨量站()对雨量站资料进行相似离度质量控制()为了进行更准确的效果分析,不能用校准的雨量站同时进行效果检验,所以将质量控制后的雨量站分为收稿日期:成都信息工程学院第卷两部分,一部分用于校准,称之为校准站另一部分用于检验,称之为检验站在分站时,不能任意分配,要相对比较均匀的分配,这里将经过第一步和第二步质量控制后的自动雨量站按其纬度大小排序,然后交叉分站图l是将自动雨量站分为校准站和检验站,其中实心圆为校准站,空心圆为检验站方法首先用中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开发的新一代天气雷达三维数字组网及产品处理系统,将雷达原始体扫数据转成三维格点数据,并根据等高度射束拼图得到混合反射率因子然后}昆合反射率因子数据用z一,关系进行定量降水估测和利用校准雨量站对此估测结果进行订正(最优插值法降水估测),最后用检验雨量站对两种方法估测的降水进行检验,通过比较从而得到高分辨率的估测降水确定雷达格点回波强度及Z一,关系定量估测降水在选取雷达回波强度数据时,需要综合考虑多种因素的影响雷达组网拼图后,若低于kin,任意两部雷达之间几~Elll~EcEl~EllE,E~ElloE图广东加密雨量站分布乎没有共同的覆盖区域,观测的范围太小若高于kin,雷达覆盖的范围扩大了,然而却难以形成降水在复杂地形地区,天气雷达常常受到四周地形引起的波束阻挡,这严重影响了低仰角扫描数据的使用,特别敏感的例子是雷达估算地面降水(Kitchen等,Westrick等,Pellarin等,)为了得到反演地面降水的有效雷达回波强度数据,这里引入混合反射率因子的概念即首先基于:万的DEM数据计算雷达波束阻挡率,得到昆合扫描仰角然后根据标准大气情况下的雷达测高公式,利用各个雷达的混合扫描仰角得到雷达网的等射束高度拼图最后利用三维拼图反射率因子数据以及等射束高度拼图数据得到雷达网混合反射率因子,以便用于雷达网定量估测降水在降水估测时,z一,关系的确定也极其重要z关系式为:Z=口b()式中参数a,b的值与地区及降水的类型有关,在较大范围内变动从该次过程的回波强度及分布图(图略)上来看,以及自动雨量站的雨强,我们判断该次过程属混合型降水,故取a=,b=同时,也可以根据自动站雨量及自动站经纬度所对应的回波强度采用最小二乘拟合的办法,进行ZJ关系拟合用式()将回波强度的dBz值转基本反射率因子z,最后再用()式反推雷达估测的降水JZ=,m~()最优插值校准法最优插值是在均方差最小意义下的最优线性插值,这样避免了一般插值方案的任意性最优插值是客观分析的一种,它的每个格点分析值是由格点的初估值加上校准值而求得,其权重函数不是任选的,选择的结果使得格点的分析值的误差达到最小依照最优插值的基本原理,以雷达回波强度为初值场,在有站点的地方对真值场进行取样,以此作为地面雨量站测得的降水率,将之对初值场校准,得到最优校准后的场简言之,就是将N个地面雨量站的观测值和初估值的差乘以权重函数内插到网格点上降水估测效果对比分析实际天气过程华南由于受热带对流系统的影响,年月日华南出现强降水,其中月FI广东南部大范围有暴雨,月日大暴雨中心快速向广东中部和海南东部移动,日大暴雨中心移到广东中北部由于月日,此次过程的强降雨中心正好落在广东加密雨量站分布范围内,所以选用月日的资料作为此次效果分析的资料椭弧第期郭忠立等:最优插值校准法定量估测降水及效果分析效果分析的几个统计特征量在雷达一雨量计联合估测降水时,用图中的校准站资料进行校准,用检验站分别对不同的定量估测降水方法进行效果检验以地面检验雨量站测值作为雨量站位置上的线;贝得到的分析值为用面雨量(一定区域面积上的平均雨量)及面雨量偏差,均方根误差,相对误差分布和相关系数来分析不同方法估测降水的效果各检验参量的公式:实测面雨量G:G=(G)N分析面雨量P:P=(P)面雨量偏差B:B=G,P均方根误差:口=((GP))N其中,i为检验雷达一雨量站对,N为检验的雨量站个数相对误差R:R=(G础一P)G妇相关系数lD:l={(G一一Gi)(P一)}(G一)z(Pi)其中,为检验雷达一雨量站对,t为时问序列,G为第t时刻第i个检验自动雨量站的实测雨量,为第i个检验自动雨量站的平均值,P为第t时刻第i个检验自动雨量站对应的分析值,为第i个检验自动雨量站对应分析值的平均值最优插值校准法效果分析图分别为月日,共个时次分钟定量估测降水的检验情况由图(a)可知,两种估测方法的变化趋势与实测面雨量的变化趋势非常一致,但都比实测面雨量要小,最优插值校准法的雷达一雨量计联合估测降水要高于zJ关系估测降水,也就是说,经最优插值校准后定量估测降水更接近实际情况由图(b)可以看出,最优插值校准法估测降水和雨量站真实值的误差也更小在月日:以后,两种定量估测降水方法的面雨量偏差和均方根误差都差不多,误差较大,这主要是因为:O以后回波开始向东南沿海一带移动,:以后,降水主要出现在广东省南部,从图可知,在广东省南部,检验站和校准站的分布不是很均匀,而且校准站明显很稀疏且少,所以校准的效果不是很明显,从而造成两种方法效果相差不大月日:到月日:,总体来说,最优插值校准法定量估测降水的面雨量偏差和均方根误差明显比zJ关系定量估测降水的要小,其中,经最优插值校准估测的面雨量偏差平均值为mmh,而zJ关系估测的面雨量偏差平均值为mmh,经最优插值校准法校准后,定量估测降水精度明显提高了而且,最优插值校准法定量估测降水的均方根误差也明显比z一关系估测的要小,说明经过最优插值校准后分析值的离散程度较ZJ关系估测的要小月号:(第个时次)以后,图(a)走势和雨量站实测值相距渐远,最优插值校准法相对误差百分比增大,这是因为:以后,降水主要出现在广东省南部临海和海上区域,从图的广东省加密雨量站分布图可以看出,在广东省南部临海区域,检验站和校准站的分布不是很均匀,在此时间段产生误差大的原因是用来校准的雨量站集中在该点的同一侧或者该点周围没有校准站(海上区域),最优插值校准时无法将四周的误差都校准到该点造成的这也间接说明了,分布均匀密集的雨量站可以使最优插值校准法取得较好的效果图(C)平均相对误差为同时雨量站的精确度也会影响最优插值校准法定量估测降水的效果如图,某些格点上空并无回波,但雨量站雨量却不为(图圆圈区域内检验站),以及雨量站的上空有回波,但雨量站雨量值为(图矩形区域内的检验站)如果校准站雨量值不准确,根据最优插值校准法原理,就会造成错误的订正如果检验站雨量值不准确,这样在效果检验时同样会造成误差因此雨量站数值的不准确会造成订正时或者效果检验时出现一定的误差虽然本文对雨量站进行了质量控制,但是仍然难以排除个别时次个别站点雨量站值的不准确性因此,需要成都信息工程学院第卷对部分加密雨量站的精确度进行进一步的确认三旌oc譬鑫最辱星譬U篷星兽譬高葛寻尊昌留瑟星譬葛=霉戈科星(时次)一,tHH雨量站实测值z一,关系估测,一最优插值校准估测(a)面雨量翟Ol懿I皿OIillllflIIlh譬器导鉴霞譬堡霉,t蚕娶量墨翌至呈S鐾曼萋喜氮嚣(时次)最优插值校准法Z,关系估测(b)面雨量偏差窖霜器辱曷葛昌害罄呙葛尊蹿冒器譬霉科是(时次)H一HHHO,(c)最优插值校准法相对误差百分图定量估测降水的检验情况不同降水估算方法效果比较在进行降水估算时,不同的雷达初值场,以及不同的降水估算和降水订正方法估算的降水精度都有差别在雷达一雨量计联合估测区域降水量中,参加校准的雷达初始场的代表性好坏在很大程度上影响了最终的估测精度和雨量分布对雷达初值场的基本要求是:能够描述反映降水的空间结构特点和强降水中心位置的准确性CAPPI雷达回波数据在一定程度上可以减小地物回波的干扰,在用来降水估算时得到的降水分布更为理想,所以把CAPPI资料作为降水估算的一种雷达初始场但是在复杂地形区域,某个高度的CAPPI数据必然因为波束阻挡的影响受到衰减为了规避波束阻挡的影图月日:回波强度和雨量站叠加图Oll响,把基于等射束高度拼图的混合反射率因子作为另一种雷达初始场进行降水估算以下将利用广东省年月日和月日两个个例对这两种不同的雷达初值场和不同的降水估算方法的精度进行对比分析第期郭忠立等:最优插值校准法定量估测降水及效果分析将两次不同影响系统的降水过程采用两种雷达估测降水方案,两种不同雷达初值场估测的降水量列于表中从表可以看到,混合反射率因子作为估测降水的初值场更为准确,校准效果和雷达初值场直接相关,雷达初值场越接近实际降水场,降水估测精度越高,利用混合反射率因子为初值场的最优插值校准法进行降水估测效果更好图为最优插值校准法估测降水的图片,图片上叠加了部分检验站的雨量值,方便直观分析结束语监测,预报和研究降水一直是气象工作者的重要任务,也一直是大气科学中的一大难题,在探测人类赖以生存的大气的各种实践中,天气雷达以其高时空分辨率,及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气,特别是中小尺度灾害性降水天气监测和短时天气预报等方面极为有效的工具单部雷达有其自身的局限性,使得我们无法对这些降水系统的发生发展机理做出全面,客观,细致的研究,因此,利用我国正在建设的新一代天气雷达网,可以有效的避免单部雷达的缺陷首先利用中国气象科学研究院灾害天气实验室开发的三维组网软图最优插值校准法估测降水件,将雷达网的原始体扫数据转换成三维组网数据,然后利用等射束高度拼图数据从三维格点数据中选取得到最接近降水场的混合反射率因子来进行降水估算,然后用质量控制后的自动雨量站对雷达初步降水估算进行最优插值校准通过研究对比分析得到以下结论:()采用最优插值校准技术,用自动站实测值对雷达估测结果进行实时订正,平均误差比z关系式直接计算出的降水量误差要小()校准效果和雨量站密度直接相关,雨量站越密,降水估测效果越好,最优插值校准法可以取得较好的效果,但是前提是要有比较均匀且精确度较高的自动站资料()最优插值校准法可以在单点上有效订正雷达的观测误差,当雷达初值场对降水空间结构的分布特征描述越好,雷达初值场越接近实际降水场,降水估测精度越高()利用三维拼图反射率因子数据和等射束高度拼图数据得到的混合反射率因子是减少雷达波束受地物阻挡影响,提高雷达网降水估算精度的重要步骤之一参考文献:ChumcheanS,SharmaA,SeedARadarrainfallerrorvarianceanditsimpactonradarrainfallcalibrationJJPhysChemEarth,,():何宇翔,张亚萍天气雷达定量估测降水量不同方法效果评估J南京气象学院,,():成都信息工程学院第卷李开乐相似离度及其使用技术J气象,,():王红艳,刘黎平新一代天气雷达三维数字组网软件系统设计与实现J气象,,():李腹广,王芬用天气雷达回波强度资料估测降水J气象科技,,():肖艳娇,刘黎平,杨洪平基于天气网三维拼图的混合反射率因子生成技术J气象,,():李建通,郭林,杨洪平雷达雨量计联合估测降水初值场形成方法探讨J大气科学,,():t一EstimationoftheRegionalPrecipitationWiththeOptimalInterpolationCalibrationMethodandItsEffectivenessAnalysisGUOZhongi,一LIULiping(ChengduUniversityofInformationTechnologyUniversity,Chengdu,ChinaStateKeyLaboratoryofSevereWeather,ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijin,China)Abstract:WeatherradarcanmonitorrainfallandthedistributionofprecipitationTheprecipitationrateonacertainheightisestimatedbyradarbutwillcausetheerrorofprecipitationestimationThispaperresearchestheoptimalinterpolationcalibrationmethodwhichcombinestheadvantagesofradarandrainfallgaugeThepapercomparestheprecisionoftheoptimalinterpolationcalibrationmethodwithZIrelationshipmethodOnthisbasisthispaperalSOcomparestheresultsofrainfalestimationwithdifferentinitialfieldTheresultsshowsthaIrelationshipiStZworsethantheoptimalinterpolationcalibrationmethod,especiallywhentheprecipitationwasstablethebettertheinitialfieldoftheradar,thehighertheestimationaccuracyKeywords:radarmeteorologyradarrainfallestimationprecipitationstationshybridreflectivitytheoptimalinterpo一ation

  1620年,著名的“五月花”号船满载被迫害的清教徒到达美洲,威尼斯娱城在线威尼斯娱城在线但随即他们遭遇寒冬,在印第安人的帮助下,移民们度过困难,为感谢印第安人的真诚帮助,便诞生了感恩节。

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