白城市雷达定量估测降水方法

刘玉洁+王铁岩

摘要：本文利用白城市2010年～2014年5～9月降水日的雨强与雷达回波值，建立了Z-I关系， 对Z-I关系进行加权平均，得到不同降水等级的Z=aIb，给出不同等级Z-I关系的a和b值。

关键词：雨强；雷达回波；Z-I关系

中图分类号： P412.25 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.05.047

測雨雷达问世以来，估测降水一直是其主要目标。20世纪80年代以来，我国的气象工作人员对雷达产品的用途有了比较深刻的了解和认识，同时也积累了丰富的经验。在此基础上开始尝试开发和利用雷达产品，把雷达产品用于本地化工作，创建自动识别系统和短时临近预报。同时，我国新一代天气雷达网的建立及各省雨量站网密度的增加，使得雷达的作用在暴雨的监测和预警中得到进一步展示和发挥。汤达章等对雷达跟踪回波运动方法进行了研究；石立新等在多普勒天气雷达的帮助下对层状云的降水效率进行了估算；肖艳姣等利用反射率因子制作了临近预报和强对流天气预警工具；程向阳等在研究风廓线资料的基础上总结了雷暴天气的前兆特征，这些研究都为该市开展新一代天气雷达定量估测降水提供了参考。

在物理层面上，利用Z-I 关系估测降水是一种比较清晰适用的估算方法，但是在实际操作中，对于Z=aIb 中参数a和b的选取存在一定技术困难。如果利用日常操作中常用的统计方法和实验方法统计得出动态a、b值，由于方法原因，会导致a、b的取值范围相差很大，基本上a的取值范围为17～1100，b的取值范围为1～2.88。本文采用分型Z-I关系法，得出不同降水类型的a值和b值。

白城市气象局2003年8月布设了一部多普勒天气雷达，自投入运行以来，为白城市防灾减灾做出了突出贡献。本文主要研究雷达测量降水预测中的作用，以提高白城市气象部门对气象灾害的预警能力，尤其是对强对流天气预警能力和评估能力，最终最大限度地发挥天气雷达在防灾减灾中的作用。

1资料选取

本文用到两类资料：白城市2010年～2014年5～9月逐日1 小时降水观测实况和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷达CAPPI图。利用Z=aIb关系，采用分型Z-I关系法得出不同降水类型的a和b值。在资料处理中要对畸异回波进行剔除（超折射、地物、孤立点等），避免由此带来的Z-I关系的不稳定。另外，由于受到天气类型、降水性质以及包括风场和气压场等在内的背景场的影响， 造成地面雨水计量与空雷达测值不对应，例如雨滴在下落过程中是会受到重力作用的，同时也会受到风垂直切变力的作用， 这两种作用都会导致雷达工作数据反射率因子Z值的垂直分布不够均匀，最终导致在不同高度测量Z值所反映出的地面降水有一定的误差。本文采取用组合反射率测得的最大回波强度Z值与自动站测得的小时降水量作为原始数据，研究不同降水类型下的Z-I关系。

由于采用的是白城市多普勒雷达资料，在白城本站存在径锥区，所以站点选择要考虑远离径锥区。避免距离远带来的回波强度过低观测，避免受地形影响带来的回波强度过高观测。综上，本文选择镇赉站2010年～2014年，5～9月降水日小时降水量和小时内最大组合反射率因子。

2白城市Z-I关系计算

本文将小时降水量分为8个量级：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 毫米的降水不参与统计。影响降水强度最大的因素是回波强度，如果在日常工作中，用一个通用的Z-I关系来计算不同回波强度下的降水量是不科学的，也是行不通的。实际操作中，利用雷达对层状云和对流云进行区分降水类型是有一定技术困难的。基于这种现状，本文要采用其他方法来处理雷达对降水量的测量问题。主要是用分级Z-I关系，即建立一个基础Z-I关系，对不同回波强度建立不同 Z-I关系，以达到反演降水的目的。本文主要将回波强度的反射率从5～70之间以5dBZ为间隔分为13个等级，对13个等级的Z-I关系进行N小时的加权平均，得到最终的统计分型Z=aIb。

以Z-I关系为基础的回波强度等级的统计方法的优点是，可以比较容易的对雷达拼图上的降水进行分类统计，统计之后，雷达回波数据就能根据分型Z-I关系将反射率预报场反演为降水场。研究发现，在Z-I 关系反射率变化曲线中，a值是受回波影响比较大，随回波强度增大而增大，b值在25～40dBZ（在40dBZ以下）内变化不大，比较平稳，当回波强度大于40dBZ时，b值受回波强度影响最大。

研究分型统计Z-I实测雨量和雷达定量降水散点图时会发现，利用分型 Z-I关系法来计算的雷达定量降水，理论与实际情况相差比较大，当理论值达到0.78时，散点图显示性比较好，但是仍然存在估量不准确的情况。

3系统的应用情况

对2013年～2014年1小时降水实况（192例）的统计表明，75%的样本是在1～5毫米量级的（144例）；15.1%为5～10毫米量级（29例）；6.3%为10～15毫米量级（12例）；2.6%为15～20毫米量级（5例）；而20 ～25毫米的样本数仅为1例，占总样本数的0.5%；大于25毫米的样本1例，占总样本的0.5%。用绝对误差和相对误差计算雷达定量降水的误差，对 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个降水量级分析绝对误差和相对误差。误差分析1～5毫米，5～10毫米，10～15毫米，15～20毫米， 20～25毫米 ≥25毫米；绝对误差1.06毫米，1.09毫米，1.11毫米，0.74毫米，0.43毫米，1.27毫米；相对误差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结语

本文对白城市2010年～2014年5～9月逐日1 小时降水观测实况和白城市2010年～2014年5～9月降水日雷达CAPPI图的Z值，采用分型Z-I关系法， 得到白城地区统计分型Z=aIb。该方法在业务应用中能实现降水类型自动分型，并统计不同降水类型的 Z-I 关系，对各降水量级的反演效果好，尤其改善了对短时强降水低估的问题，便于移植。

参考文献

[1]郑媛媛，谢亦峰，吴林林，等.多普勒雷达定量估测降水的三种方法比较试验[J].热带气象学报，2004，20（03）：192-197.

[2]王艳兰，唐伍斌，周文志，等.利用多普勒雷达资料作站点雨量及面雨量临近预报[J].气象科学，2008，28（03）：322-327.

作者简介：刘玉洁，本科学历，高级工程师，研究方向：人工增雨飞机起降临近预报。