雷达定量降水动态分级Z—I关系估算方法

摘
要： 利用高时空分辨率的雷达定量降水估测和预报（Ｑ Ｅ和 Ｒ Ｐ ） ＲＰ Ｑ Ｆ对洪水监测 、发布洪水警报起
重要 指导作 用 ，目前 国 内外 对其 研究 的方法 主要采用 概率 配对法 、Ｚ Ｉ 系法和 基于 ｚ—关 系的数 学算 法校 ．关 Ｉ 正法 ， 这些 方法 均存 在强调某 一 因素忽 略其它 因素 的问题 ， 且对 短时强 降水 ， 其是极 强降水 低估严 重 。 并 尤
雨 区 等 情 况 建 立 不 同 的Ｚ ａ ＝ 户关 系 并计 算 定 量 降 水 『 ６ —
１】 ３
０
上述 几类方 法各有 特点 ， 均存在 强调某 一 因素忽 但 略其 它 因素 的 问题 ， 且对 短时强 降水 尤其是 极强 降水 并 低估 严 重 。 固定 ｚ Ｉ 系法 计算 简 单快 速 ，但 其关 系式 — 关
年 的强 降水 日进行 。由于强 降水 日样 本 比一 般降水 日样 本少得 多 ， 因此 如果把 所有一 般降水 样本 参与计算 会使
统计结 果 向小 量级 降水倾 斜 ， 容易 出现强 降水低估 的情 况 。一 般来说 广东 出现一 次强 降水过程 ，往往伴 有不 同 量级 降水 ， 取强 降水 日作 为样 本 ，实 际也兼顾 了不 同 选
作用。
Ｒ Ｆ 技术 上包 括 两部分 ：雷达 回波反 射率 因子 ＱＰ 从 场 的外 推预报 （ 区预报） 落 和将 回波反射 率预报 场反演 为 降水量 （ 降水反 演） 目前关 于Ｒ Ｆ 。 ＱＰ 的研 究更 多关 注于如
何 准确 预报雷 达反射 率场 。 于从 回波反射 率预报 场反 对
Ｑ Ｅ和 回波 反射率 预报场 反演 降水场都 较好 的方法 ， 且改 进 了对 短时 强降水 、 Ｐ 并 尤其 是大 于 ５ ｍ ｈ的短 ５ ／ ｍ
时极强 降水低 估 的问题 ； 在业 务计 算 中仅 需 １ ５秒 ，能满足 ６分钟 更新 一次计 算结果 的需要 ，而且不 依赖气
候 统计 ，便 于移植 。
例 如郑媛 媛 等 ＿根 据雷 达不 同距 离段 不 同仰 角Ｐ Ｉ ４ ］ Ｐ 资料
与雨 强腱 立概 率配 对序 列 ，然后 对所 有ｚ 的配 对利 和Ｉ 用线性 回归 统计方 法建立 它们之 间 的对应关 系 。 王艳兰
演 为降 水场 的技 术方 法研究 较少 ， 际上采 用何种方 案 实 进 行降 水反演 是非 常关 键 的。本文着 重研究 后者 ，即降
文 章 编 号 ： １０ —９ ５２ １）４０ ０ ・８ ０ ４４ ６ （０ ｏ －６ １０ １
雷达定量降水 动态分级 Ｚ ｌ 系估算 方法 —关
汪瑛 ，冯业荣 ，蔡锦辉 ２ ，胡胜
（ 广 东 省气 象 台 ，广 东 广 州 ５ ０ ８ ； ２ 顺 德 市 气象局 ，广东 顺 德 ５ ８０ ） １ １００ ． ２ ３０
不能 适应 降水 系统 的变化 ， 且需 要大量 历史 资料来 建立 统计 关 系 ；动 态ｚ Ｉ 系 法能 够适 应 天气形 势 的演 变 ， ． 关
析极 大值 ，并利 用极 大值剔 除奇异 值 。将 １ 小时 降水 量
分为 ８个量 级 ：１ 、５ ５ ５～３ 、３ ～５ ～１ 、１ ０ ０～４ 、４ ５ ５～ ５ 、５ ５ ５～６ 、６ ５ ５～８ ５和 ８ ５ｍｍ 以上 ，小 于 １ｍｍ 的降 水不 参与 统计 。质量控 制后 ，总样本 量约 为 ２ ８万 ，各 量级 的样本 数如 图 １ 所示 ，其 中 １ ５ｍｍ 的样 本超 过 了 ２ １万 ，占样 本数 的绝 大部分 。降水 量级越 大 ，样 本 数越 少 。
关
键
词 ：Ｒ Ｅ；Ｒ Ｆ；ｚ Ｉ 系 ；动 态 ；分级 ＱＰ ＱＰ —关
文献标识ｔ ：Ａ ｌ ｑ － Ｄｏ：１ ． ６ ￣ｉ ｎ１０ —９ ５ ０ ０ ．１ ｉ ０３ ９ ．ｓ．０４４ ６ ． １．４０ ８ ９ ｓ ２ １ 水场 的反演 方案 。
中图分 类号 ：Ｐ ２ ．２ ４ ６６
１ 引
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２ ７卷
等 ＿进一 步简 化该 方 法 ，不刻 意寻 找雷 达反 射率 因子 ｚ ５ ］ 与 雨 强Ｉ ． ２ 问的 函数关 系 ，而是将 不 同 的ｚ 进行 简单 和』 数 值 对应 ，他们 将 回波反 射率 ５～５ Ｂ 以 间距５ ｄ Ｚ ５ｄ Ｚ Ｂ 划 分 为８ 等级 ， 个 根据 统计 确立 了ｊ 述 ８ 回波 等级分 别 － 个 本 文用到 两类 资料 ：１ 时降水 观测实 况和 ３公里 小 高度 的雷达 Ｃ Ｐ ＡＰ Ｉ拼 图。资料 收集针 对 ２ ０ ０ ７和 ２ ０ ０８
的 和， ，针对 每个 配对 统计 确定ｚ 的对 应关 系 。 ｆ 对 与，
高 时 空 分 辨 率 的 雷 达 定 量 降 水 估 测 （ ｄ ｒ ａｅ Ｒａ ａ． ｓｄ ｂ
Ｑｕ ｎｉ ｔ ｅＰｅ ｉｉ ｔ ｎ Ｅ ｔ ｔ． ＱＰ ） 预 报 （ ａ ａ ａ ｔａｉ ｒｃｐｔ ｉ ｓｉ ｅ Ｒ Ｅ 和 ｔ ｖ ａｏ ｍａ Ｒ ｄｒ
ｚ Ｉ 系法根 据Ｚ 日 数关 系进行 雷达 估测 降水计 ． 关 ＝ 户指
算 。ｚ Ｉ 系法 可分 几类 ：固定ｚ Ｉ 系法 、动态 ｚ Ｉ 系 ． 关 ． 关 — 关 法 、分 型Ｚ Ｉ 系法 。 固定 Ｚ Ｉ 系法通 过对 历史 资料进 ． 关 — 关 行 统计 ，确 定 一 个 固定 的ｚ 日 ＝ 广指 数关 系 并据 此进 行雷 达 降水估 测 ； 动态 ｚ Ｉ 系法不使 用历 史统 计的Ｚ Ｉ 系 ， — 关 ． 关 而 是利 用实 况资 料频 繁建立 动态 的Ｚ ｄ ＝ 户关 系 ；分 型ｚ Ｉ — 关 系法将 降水 回波性 质分 为对流 云 、层状 云 、冰雹 、暖
第２ 卷 第 ４ ７ 期
２１ ０ １年 ８月
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报
Ｖｏ ． ７ ＮＯ ４ １ ． ． ２ Ａｕ ． ２ １ ｇ ， ０１
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＲＯＰＩ ＣＡＬ ＥＴＥＯＲＯＬ０ＧＹ Ｍ
汪瑛 ，冯 业 荣 ，蔡锦 辉 ，等 ． 达定 量 降水 动态 分级 Ｚ１ 系估 算 方法 ［］热 带气 象 学报 ，２ １ ，２ （）６ １ ０ 雷 ．关 Ｊ＿ ０ １ ７４：０ — ８ ６
收 稿 日期 ： ２ ０．９２ ；修订 日期 ：２ １－２２ ０ ９０— １ ０ ０ ．８ １
资助项 目：２ ０ ０７年公益性行业 （ 气象 ）科研专项“ 东南地区强降水诱发地质灾害预警报技术研究”（ Ｙ ２ ００ ０７）；广东省 自然科学基金 Ｇ ＨＹ ０ ７６ ３ 项 目“ 广东省 ０３小时短时定量降水预报技术研究”（ ０ １２ ）；Ｃ － ５ ０ １ １ ＭＡＴ ２ ０Ｚ１；Ｇ ＭＣ ０ ７ ０ ；２０ Ａ ２共同资助 Ｇ ０ ８ ０ Ｒ ２ ０Ｚ ３ ０６ ０ 通讯作者： 汪瑛 ，女 ，安徽省人，硕士 ，从事天气预报及雷达定量降水研究 。Ｅｍａ ：ｌｑａ ｎ ＠１３ｔｍ － ｉ ｏｕ控 制
对应０、２ 、１ 、１ 、２ 、３ 和４ ８ 、５ ０ ７ ５ ６ ８ｍｍ 个降水值 。这 种做法 的好 处在 于计算 简单 ， 迅速估 算 出降水量 ，其 可 缺点 也是 显而易 见 的 ， 将一 些反射 率 区间与 有限 的几个
雨量 值对应 显然存 在不 合理性 。
从 统计 和个 例两方 面对 比分析 了四种 雷达定 量 降水方法 的误 差 ，致 力于 寻找一种 将雷 达 回波 反射率 预报场 反 演 为降水 场 时误 差较 小 的技 术方 法 ，能改进对 短时 强降水 、特别 是极 强降水严 重低 估 问题 的方 法 ，并且
该 方法 也能 在业务 应用 中方 便 、快速 、精确 实现 。对 比研 究结 果表 明 ：动态 分级 Ｚ Ｉ关系法 是一种 对雷达 ．
量 级的降 水 。本文 制定强 降水 日标准 为 ：广 东省在雷 达
覆 盖范 围内至少有 一 个雨量站 日雨量 ≥５ ０ｍｍ， ０ ７年 ２０
和 ２０ ０ ８年 总共有 １４天满 足标 准 ，这 些降水 日都 分布 ５
在 ３ １ 月之 间 。 — １
目前 广 东有 １６ ０多个 区域 自动站 和 ８ ０ ６个遥 测 自 动 站 。采用 上述 两类 站整 点 １小 时雨量 作 为研究 资料 集 。对 雨量 资料进 行质 量控制 ，通过雷 达 回波 、周围雨 情 和 天气现象 剔除 伪资料 。 可靠 的 １ 时雨量 统计分 对 小
想 ，但 计算 相对 复杂 ，消耗 的计算机 资源 较大 。该方 法 依 赖于 Ｚ Ｉ 系 的初 始场 降水估 测 ，误差 小 的Ｚ Ｉ 系反 ． 关 — 关 演 的降 水初 估 场 能节 省 这类 算 法 的计 算 时 问并 提高 计 算 精度 ，因此研究 误差 小 的ｚ Ｉ 系法 十分 必要 。 — 关
雷达 定 量 降水 预 报 在业 务 上 有不 少需 要 研 究 的 问
题 ， 目前 世 界 各 地 建 立 的 短 临 预 报 系统 一 般 都 包 含
Ｒ Ｆ产 品Ｉ ＱＰ ｌ 钔。但 与雷 达 ＲＱ Ｅ一样 ，存在 对低量 级 降 Ｐ
水高 估 、高 量级 降水 严重 低估 的 问题 ，例如 香港 的“ 小 涡旋 ” 系统 利用 高频雨 量计 资料 动态校 正 Ｚ Ｉ关 系来计 ． 算 Ｒ Ｐ ［ ］ 检验 结果 表 明对 大于 ５ ｈ的强 降水 反 Ｑ ＦＨ ， ０ｍｍ／
．
ｂ ｓｄＱｕ ｎｉ ｔ ｅＰ ｅｉｉ ｔ ｎＦ ｒｃｓ Ｒ Ｆ对 洪 水 ａｅ ａｔ ａｉ ｒｃｐｔ ｉ ｏｅ ａｔ ＱＰ ） ｔ ｖ ａｏ ，
监 测 和预警有 重要 指导作用 ， 常应用 于地球 水循环 研究 和各种 水文及 大气数 值模式 研究 ，如降水 变化研 究 、地 质 灾 害预 警 、环境 生 态学 、地 ． 气水 收支 、陆 面和 大气 耦 合 模式 的降水 预报 ｎ和洪水 预 报等 ；Ｒ Ｆ 】 ＱＰ 的研 究更 为重要 ， 发布 洪水警 报 、地质 灾害 预警 等有重要 指示 对
言
雷 达 定 量 估 测 降 水 （ ＱＰ ） Ｒ Ｅ 和雷 达 定 量 降 水 预 报 ｆ ＱＰ ） 面上看 都是利 用雷 达反射 率 因子估 算 降水量 ， Ｒ Ｆ表 实 际上 Ｒ Ｐ 是对 已发 生 的降 水进 行估 算 （ 况估测 ） ＱＥ 实 ， 而ＲＱ Ｆ． 是 对 未来 可 能 发 生 的降 水 量进 行估 算 （ Ｐ￣ ｌ Ｊ 降水 预报 ） 。因Ｉ Ｒ Ｆ 算方 法 可借 鉴Ｒ Ｅ 方法 ，但 由 ｔ ＱＰ 计 ｋ ＱＰ 的 于关 注 的 目标不 同 ，研究 的技术 和方 法也不 同 。 关 于利 用 雷达 开 展 降水 估算 的研 究 国 内外 已经开 展 了很 多年 ，主 要分 为 三类 ：概率 配对 法 、Ｚ Ｉ 系法 — 关 和基 于ｚ Ｉ 系 的数 学 校正 法 。三类 方法 都是 根据 雷 达 ．关 观 测 的 反 射 率 因 子 ｚ 算 降 水 强 度 。概 率 配 对 法 由 估 Ｚ ｗ ｄｋ等 ［ ａ ａ ｚ ｉ 、Ａｔ ｓ 『提 出 ，该 方法假设 任一 点任一 ｌ等 ３ ａ 】 时刻 出现 雨 强为， 的可 能性 与 出现雷 达反 射 率 因子 为ｚ 的可 能性相 等 ， 根据两 者概率 相等 的原则 可配 出一系列
这 种做 法 比使 用单 一ｚ Ｉ 系合理 ，缺 点 是没 有对 回波 — 关 分类 进 行 降水 估测 ；分 型Ｚ Ｉ —关系 法 考虑 了不 同类 型 回
波 对ｚ Ｉ 系的影 响 ，效 果更 好些 ，但 业 务应 用 中却很 — 关 难 实现 自动划 分降水 回波类 型 。 基 于Ｚ Ｉ 系进行 数 学 校正法 是 通过 卡尔 曼滤 波 、 —关 变 分 校 正等 不 断逼 近 降水 实 况使 降 水估 算 效 果更 加 理