基于最优方法对锡林浩特天气雷达定量估测降水的研究

郭永梅，王国胜，谢 东

(锡林郭勒盟气象局，内蒙古 锡林郭勒 011200)

目前,锡林郭勒盟地区已建成488个区域站，其中36个单雨量站、241个两要素区域站、136个四要素站、六要素及以上区域站75个，区域雨量站站点的分布密度足够大。同时，天气雷达能估计雷达扫描范围内各点的雨强和一定区域上的雨量分布和总雨量，且可以及时取得大面积定量的降水资料，所以将地基观测和天基观测相融合，基于最优方法对锡林浩特天气雷达定量估测降水进行研究，对当地农牧业生产、天气预报预警、气象防灾减灾等方面气象保障能力的提升都有一定的意义。锡林浩特新一代天气雷达投入业务运行以来运行状况稳定,积累了大量具有代表性、准确性的雷达资料，所以对天气雷达定量估测降水做深入理论研究时机比较成熟。

1 研究方向

为实现雷达资料在短时预报业务中的应用,采用分类型最优化处理方法研究多普勒天气雷达-自动雨量计联合定量估测降水。利用锡林浩特地区2019年—2021年的天气雷达基数据,以及相对应的区域雨量站降水资料,完成以下4个方面的工作：①利用锡林浩特新一代天气雷达观测到的2019年—2021年5月—9月基数据和锡林浩特市区域雨量站雨强资料，分别对锡林浩特地区不同类型降水过程进行降水估测，采用最优化处理方法建立适合锡林浩特市地区的Z-I关系模型；②利用缺省的Z-I关系反演降水，对天气雷达估测降水与地面雨量站观测值的误差进行分析。重点研究对流性降水误差空间分布规律，找到对Z-I关系拟合产生较大影响的原因，进一步优化参数指标；③通过典型个例分析，确定最优法计算的Z-I关系和缺省Z-I关系(Z=300I1.4)的优劣，比较两种方法对估测过程雨量和分段雨量的能力；④通过对Z-I关系的本地化研究，提炼最优关系中的A、b参数指标，评估天气雷达定量估测降水对锡林浩特地区洪涝灾害的预警能力，及其在防灾减灾中的作用。

2 最优化处理方法

2.1 锡林浩特市地区降雨类型的判断

利用锡林浩特多普勒天气雷达回波识别的方法，对锡林浩特地区2019年—2021年每年5月—9月降水天气过程进行分析，得到锡林浩特地区降雨天气分成稳定性降水、混合性降水、对流性降水3种类型。①稳定性降水主要由层状云产生，可造成区域性暴雨或大雨，影响系统多为河套倒槽；②混合性降水主要是层状云和积状云共同产生的，可造成区域性暴雨或大雨，影响系统多为高空槽配合地面倒槽；③对流性降水由积状云产生，多为局地强降雨，影响系统多为东北冷涡。

锡林浩特地区稳定性降水天气过程主要出现在5月、9月，占整个汛期天气过程比例较小，另外因稳定性降水其雷达回波强度梯度变化不大，天气雷达估测降水误差较小，所以本研究重点分析混合型及强对流型天气雷达估测降水误差原因及规律，利用最优化处理方法降低误差值，根据平均校准法求出不同距离平均校准因子，从而得出符合业务需求的天气雷达估测降水参数指标。

2.2 最优化处理方法

因锡林浩特地区的区域雨量站每年汛期5月—9月开始使用，研究时段集中到5月—9月，统计Z-I关系利用2019年—2021年锡林浩特新一代天气雷达相应的6 min一次的雷达回波PPI资料及对应的区域雨量站资料，为了确保Z-I关系统计的准确度，研究区域内的雨量站数据全部来自锡林郭勒盟CIMISS应用系统数据库中数据，该数据库中的雨量数据包括分钟雨量、小时雨量、降水过程总降水量等，能满足不同降水类型的数据分析及研究。同时，为进一步提高统计Z-I关系的精度，做统计计算时把具备相同降水类型的样本数据全部进入统计，确保有足够长的时间序列，从而满足降水时段越长精度越高的要求。

用最优方法对锡林浩特天气雷达定量估测降水进行研究要用到判别函数：

CTF=min{∑i(Ai-Gi)2+(Ai-Gi)}

CTF用Gi、Ai的某种差值函数表示，把各点的雷达估算值Ai和对应的雨量站点实测值Gi代入CTF，如CTF过大，就不断调整Z-I关系中的系数A和b值(Z=AIb)，直到CTF达到最小值为止，这时的参数A和b值所决定的Z-I关系就算是最优的。实践证明，使用这种判断函数能使每一点每小时估算值的平均值和相应点每小时雨量计估算值的平均值接近相等。

表1 调整后的Z-I关系系数

3 强对流天气过程定量估测降水效果评估

2020年7月9日11：00—17：00锡林浩特市突发短时强降雨、雷电、冰雹等强对流天气，锡林浩特观象台、气象局院内这2个站点降雨量分别达到120 mm、67 mm。选取锡林浩特观象台、气象局院内这2个站点最强降水时段13：00—15：00进行分析，检验强对流天气过程中不同等级降水的估算能力及优化后过程降水的误差分析。

表2 雷达估测降水比较

表2是此次大暴雨降水实况、天气雷达OHP产品(1 h累积降水)与优化处理Z-I关系后的定量降水估测，误差1为订正前的估测误差的绝对值，误差2为利用优化后的Z-I关系估测降水的误差绝对值，9日这天市区锡林浩特观象台、气象局院内2个站出现大暴雨、暴雨到小雨，从表2结果可以得到站点1和站点2雷达估测降水的平均误差分别为11.3、18.1，订正后的降水估测平均误差只有5.8、5.2；从表3中分析2020年7月9日暴雨天气过程中不同等级降水量级的绝对误差，量级越大的降水都有不同程度的低估；相对误差能反映估测降水数据的可用程度，该次比较典型的局地强对流大暴雨天气过程中，经过最优化处理的Z-I关系对暴雨量级的降水估算精度优于天气雷达OHP产品(1 h累积降水)，可用性比较强。

表3 不同等级小时降雨量实况和Z-I关系 雷达估算降雨量误差统计

从表2中可以看出短时强对流天气过程因其回波强度变化太快，小时降水估测与实际降水量存在一定误差，但将此次强对流天气过程总降水量进行累加后误差小了很多。所以在实际工作中，可以对雷达测得的多个降水量进行累加或平均，这样可以去除随机误差的影响，从而保证天气雷达定量估测降水的精度。

4 结论

通过对2020年7月9日大暴雨天气过程的定量测量降水的评估分析表明，强对流天气过程中中小尺度系统活跃，不同性质的降水单体同时存在，因此可以说，在不同性质的降水回波同时存在的情况下，误差的情况变得复杂。通过分析可知，突发的强降水和强回波中心是造成雨量站观测值误差较大的原因，因此对Z-I关系拟合造成了较大的影响；将优化前后估测雨量的产品与实况进行对比分析的结果表明，调整后的降水产品估测降水的准确度有所提高，虽然仍然偏低，但比起单一的Z-I关系均有不同程度的改善，天气雷达1 h累积降水量产品OHP估测的降水规律性较差，估测值不能真实反映天气过程中各区域降雨能力的整体情况，优化后估测1 h雨量比PUP中根据经验公式得到的OHP产品要接近实况，可用性比较强，可以作为后续研究“锡林浩特新一代天气雷达定量估测集成系统”的基础。