天氣雷達(dá)層狀云降水中Z-R關(guān)系的優(yōu)化與檢驗(yàn)分析

曾培培 劉曉迎 杜明哲

摘 要：新一代天氣雷達(dá)聯(lián)合雨量站數(shù)據(jù)進(jìn)行定量降水估測(cè)過程中，雷達(dá)回波強(qiáng)度和雨量站觀測(cè)值較好的匹配是準(zhǔn)確擬合出[Z-R]關(guān)系的關(guān)鍵。普遍使用的[Z-R]關(guān)系式為[Z=300R1.4]。事實(shí)上，雷達(dá)反射率因子是由降水粒子譜分布決定的，不同的粒子譜分布會(huì)得到不同的雷達(dá)反射率因子。本文采用Parsivel激光雨滴譜儀，并聯(lián)合天氣雷達(dá)資料，分析南京區(qū)域?qū)訝钤平邓^程，統(tǒng)計(jì)計(jì)算了南京地區(qū)當(dāng)?shù)匦碌腫Z-R]關(guān)系，目的是提高南京地區(qū)雷達(dá)估測(cè)降水的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：[Z-R]關(guān)系;天氣雷達(dá);檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0128-05

Abstract： In the quantitative precipitation estimation of the new generation weather radar combined with the rainfall station data， the better matching of the radar echo intensity and the rainfall station observation is the key to accurately fit the Z-R relationship.The commonly used Z-R relationship is as follows：[Z=300R1.4].In fact， the radar reflectivity factor is determined by the spectral distribution of the precipitation particles， and different particle spectral distributions will result in different radar reflectivity factors. In this paper， the Parsivel laser raindrop spectrometer and weather radar data were used to analyze the precipitation process of stratiform clouds in Nanjing area， and the new Z-R relationship in Nanjing area was calculated. The purpose was to improve the accuracy of radar precipitation estimation in Nanjing area.

Keywords： Z-R relationship;weather radar;test

1 雷達(dá)資料來源

文中選取兩臺(tái)雷達(dá)。一臺(tái)在南京溧水區(qū)五王山，是雙偏振多普勒天氣雷達(dá)，為S波段。其是由解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院設(shè)置的，將其標(biāo)記為雷達(dá)A，采用的數(shù)據(jù)是原始體掃的基數(shù)據(jù)。雷達(dá)A海拔高度為232m，經(jīng)緯度為119.033°E，31.606°N，雷達(dá)波束寬度是0.94°，庫長(zhǎng)500m，具有雙發(fā)雙收的功能。另一臺(tái)是來自南京江北龍王山的S波段多普勒天氣雷達(dá)，稱為雷達(dá)B，海拔高度為138.8m，經(jīng)緯度為118.69°E，32.19°N，波束寬度0.95°，庫長(zhǎng)1km。

雷達(dá)A掃描的最低波束在院內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)的上空大約700m，共掃描9層，最低仰角為0.5°，體掃一次需要8～10min，旋轉(zhuǎn)360°從最低仰角到最高仰角掃描，最低仰角掃描完成一次約1min，雨滴譜資料的時(shí)間分辨率也是1min。在資料對(duì)比分析時(shí)，以雷達(dá)資料的時(shí)間作為參照時(shí)間，雨滴譜來匹配雷達(dá)時(shí)間，并取1min作為時(shí)間平均的間隔。

在地球坐標(biāo)系中，設(shè)置M點(diǎn)和N點(diǎn)，將其經(jīng)緯度設(shè)置為[Mα1，β1]，[Nα2，β2]。N點(diǎn)相對(duì)于M點(diǎn)的距離[R0]和方位角[θ]分別為：

氣象學(xué)院與五王山雷達(dá)站的相對(duì)位置如圖1所示。圖中起點(diǎn)是氣象學(xué)院（118.819°E，31.972°N），為B點(diǎn)，A點(diǎn)是五王山雷達(dá)。將A點(diǎn)的經(jīng)緯度代入公式（1），即可算出五王山雷達(dá)資料采樣點(diǎn)距氣象學(xué)院45.2km，方位角為334.0°。

2 降水云的分類

本文依據(jù)降水云團(tuán)的結(jié)構(gòu)對(duì)降水進(jìn)行分類，將其分為對(duì)流性降雨、層狀云降雨以及混合型降雨。通過閾值法[2]來判斷降水云團(tuán)的性質(zhì)，當(dāng)雷達(dá)體掃描產(chǎn)品中垂直最大回波強(qiáng)度小于38dBZ判定為層狀云降水，大于38dBZ判定為對(duì)流性降水。本文選用2016年5月20日至21日、2013年6月7日至8日、2013年7月5日的降水過程進(jìn)行分類分析。

其中，2016年5月20日至21日降水，Parsivel所測(cè)雨滴譜時(shí)間序列圖如圖4所示。開始時(shí)間是2016年5月20日14：00，結(jié)束時(shí)間是2016年5月21日21：00，共31h，每個(gè)柱子表示當(dāng)前時(shí)段的降水率，以20日14：00為第1小時(shí)。從圖4可以看出，降水率大的時(shí)次集中在20日14：00到19：00以及21日的時(shí)次。21日有2h數(shù)據(jù)缺測(cè)，分別為21日12：00和17：00。

圖5為2016年5月20日至21日4個(gè)時(shí)刻仰角為0.5°的第一層的多普勒雷達(dá)B的PPI圖，圖中的圓圈標(biāo)注表示解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院位置?？梢姡?0日的降雨系統(tǒng)從西南向東北方向移動(dòng)，在下午14：00經(jīng)過氣象學(xué)院。其中，圖5（a）為20日14：16的PPI圖，此時(shí)氣象學(xué)院的雷達(dá)回波強(qiáng)度大約為20dBZ;圖5（b）為20日16：14的PPI圖，此時(shí)氣象學(xué)院的雷達(dá)回波強(qiáng)度介于25～30dBZ;圖5（c）為20日21：44的PPI圖，此時(shí)氣象學(xué)院的雷達(dá)回波強(qiáng)度在30dBZ左右;圖5（d）為20日22：09的PPI圖，此時(shí)氣象學(xué)院的雷達(dá)回波強(qiáng)度介于30～35dBZ。四個(gè)時(shí)刻的雷達(dá)回波強(qiáng)度均小于38dBZ，根據(jù)閾值法可以判斷此次降水過程是層狀云降水。

依據(jù)這個(gè)降水類型分類法，進(jìn)行層狀云與對(duì)流云的分類，并分別進(jìn)行雷達(dá)[Z-R]關(guān)系的檢驗(yàn)和優(yōu)化工作。

3 雷達(dá)[Z-R]關(guān)系的優(yōu)化和檢驗(yàn)

對(duì)于不同過程、不同地點(diǎn)的[Z-R]關(guān)系，之前有學(xué)者做了研究，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的[Z-R]關(guān)系擬合如表1[2]所示。

3.1 層狀云降水[Z-R]關(guān)系檢驗(yàn)與優(yōu)化

2013年6月7—8日的降水過程，主要影響系統(tǒng)是江淮氣旋，導(dǎo)致大氣具有不穩(wěn)定的大氣層結(jié)。此外，動(dòng)力條件充足，并伴有充沛的水汽條件。2016年5月19—21日的降水過程主要是受高原槽東移影響，影響江南、華南及貴州東南部等地，致其出現(xiàn)大到暴雨、局地大暴雨，同時(shí)伴有雷暴大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象。南京地區(qū)20日陣雨轉(zhuǎn)中雨，21日小到中雨。

6月8日的雷達(dá)反射率和雨強(qiáng)在雷達(dá)A的PPI上的顯示如圖6所示，分別為2013年6月8日11：17、11：24、11：49、12：11。圖右側(cè)是雷達(dá)反射率色標(biāo)。從圖上可以看出，四個(gè)時(shí)刻雷達(dá)反射率最高為20～30dBZ。根據(jù)降水云分類可知是層狀云降水。

4 結(jié)論

①擬合南京地區(qū)層狀云降雨的[Z-R]關(guān)系式為：[Z=226R1.54]，與常用經(jīng)驗(yàn)[Z-R]關(guān)系相比，能夠更準(zhǔn)確地估測(cè)南京地區(qū)降水。

②雷達(dá)的后向散射功率與降水粒子譜直接相關(guān)，但同樣的反射率因子所對(duì)應(yīng)的雨滴譜卻千差萬別。因此，雷達(dá)估測(cè)雨強(qiáng)需要降水譜資料作為參考，確定云系的降水類型和特征，選擇合適的[Z-R]關(guān)系。

③按照降水類型劃分雨滴譜和雷達(dá)資料，將對(duì)流云降水和層狀云降水分別建立[Z-R]關(guān)系式可以更準(zhǔn)確地估測(cè)雨強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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