兩種雨滴譜儀觀測對比及對雷達降水估測精度影響研究*

陳 超 劉黎平 羅 聰 劉顯通 張阿思

1 廣東省氣象臺,廣州 510640 2 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081 3 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣州 510640

提 要：利用廣東龍門、新豐和佛岡布設(shè)的二維視頻雨滴譜儀(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴譜儀觀測資料,分析了相同地點和相同時間兩類雨滴譜儀降水滴譜觀測和降水反演精度的差異。根據(jù)收集的2018年和2019年的雨滴譜觀測數(shù)據(jù),擬合了雙偏振雷達定量降水估測基本關(guān)系式,并應用于S波段雙偏振雷達(CINRAD/SAD)定量降水估測(quantitive precipitation estimation,QPE)優(yōu)化組合方案中。結(jié)果表明:較HY-P1000雨滴譜儀而言,2DVD可觀測到更多的1 mm 以下的小粒子降水,但觀測到的大于3.5 mm的雨滴數(shù)明顯少于HY-P1000雨滴譜儀;對比由2DVD和HY-P1000觀測數(shù)據(jù)計算得到的雙偏振參數(shù)與CINRAD-SAD 0.5°仰角觀測得到的雙偏振參數(shù),發(fā)現(xiàn)參數(shù)間均存在一定的差別,其中差分反射率因子差別相對較大;此外,利用2DVD觀測數(shù)據(jù)可整體提升雙偏振雷達QPE精度,對中雨及以下量級精度提升尤為明顯。

引 言

雨滴譜(drop size distribution,DSD)是指降水單位體積內(nèi),直徑單位區(qū)間內(nèi)的雨滴數(shù)量,其會因降水類型、地點和地形等因素的不同而出現(xiàn)不同的變化(Ulbrich,1983;Bringi et al,2003;李慧等,2018;黃興友等,2019;朱紅芳等,2019)。開展雨滴譜的觀測研究對提高數(shù)值模式中降水的預報精確度和提升雷達定量降水估測(quantitative precipitation estimation,QPE)精度等方面有重要作用(Zhang et al,2006;Wen et al,2016)。

傳統(tǒng)的雨滴譜測量方法主要有斑跡法、照相法和浸潤法等(余東升等,2011),這些方法存在著測量精度低、實時性差、工作量大等缺點,測量效果不理想。為改善傳統(tǒng)雨滴譜測量手段普遍存在的問題,L?ffler-Mang and Joss(2000)將光電測量技術(shù)引入對雨滴譜的觀測工作中,開發(fā)出可實時、自動測量雨滴譜的激光雨滴譜儀。如德國OTT公司的Parsivel激光雨滴譜儀和我國華云升達公司的HY-P1000降水現(xiàn)象儀均屬于激光雨滴譜儀。激光雨滴譜儀有一組平行激光束和光電管陣列,當有降水粒子穿越采樣空間時將自動記錄遮擋物的寬度,同時通過計算粒子穿越采樣空間的時間,計算降水粒子的尺度和下落速度。由于只從一個方向?qū)邓Ｗ舆M行掃描,所以在光束方向上有降水粒子重疊時,上述兩種雨滴譜儀無法準確識別降水粒子的數(shù)量。另一種雨滴譜儀稱為二維視頻雨滴譜儀(2D-video-disdrometer,2DVD)(Kruger and Krajewski,2002),如德國萊比信公司生產(chǎn)的2DVD,其采用兩個有一定高度差的高速攝像頭,從兩個相互垂直的方向?qū)邓Ｗ舆M行掃描,通過雨滴在兩個垂直方向上的平面投影圖像反演出雨滴的等效直徑、降落末速度。由于同時從兩個方向?qū)邓Ｗ舆M行掃描,可對重疊降水粒子進行有效識別,從而可相對準確識別降水粒子的個數(shù)。

國內(nèi)外已經(jīng)有很多針對激光雨滴譜儀和2DVD的數(shù)據(jù)分析及應用研究(王俊等,2016;Wu and Liu,2017;Zhang et al,2006;Raupach and Berne,2015;Liu et al,2019)。針對不同雨滴譜儀對降水雨滴譜的對比觀測同樣進行了廣泛的研究(Campos and Zawadzki,2000;Tokay et al,2001;2014)。Tokay et al(2014)研究結(jié)果表明,即便是同為激光雨滴譜儀的觀測結(jié)果也會有差別;此外,雨滴譜儀觀測參數(shù)反演得到的偏振量之間也會有明顯區(qū)別(Brandes et al,2003);Campos and Zawadzki(2000)的研究結(jié)果表明不同儀器測量的差異甚至比不同氣候特點的雨滴譜差異還要大。在激光雨滴譜儀和2DVD觀測對比研究方面,Thurai et al(2011)通過觀測分析表明當降水強度小于20 mm·h-1時,兩種儀器的觀測結(jié)果比較一致,隨著降水強度的增大,特別是當降水強度大于30 mm·h-1時,兩種儀器的觀測一致性變差;Thurai et al(2017)的觀測結(jié)果表明當雨滴直徑大于0.7 mm時,2DVD的精確度更好;Park et al(2017)對第二代Parsivel激光雨滴譜儀和2DVD進行了對比研究,結(jié)果表明當降水強度小于10 mm·h-1和雨滴直徑在0.6～4.0 mm時,兩者觀測一致性較好,而雨滴直徑大于4.0 mm或者降水強度大于20 mm·h-1時,觀測一致性較差;Wen et al(2017)的研究結(jié)果表明,2DVD可提供最好的雨滴譜觀測結(jié)果;Liu et al(2019)的研究結(jié)果也表明僅在雨滴直徑介于0.8～3.25 mm時,這兩類儀器的觀測一致性才比較理想。以上研究均表明比對不同雨滴譜觀測儀器的研究是很有必要的,但是上述研究大多針對Parsivel激光雨滴譜儀間或者是與2DVD之間的對比研究,沒有針對國內(nèi)業(yè)務化的HY-P1000和2DVD之間的對比觀測研究。

為滿足華南暴雨研究需求,2017年廣東完成了6部2DVD的布設(shè)工作。因預報預警業(yè)務工作需求,廣東省86個國家基準站均布設(shè)了HY-P1000雨滴譜儀并于2018年1月實現(xiàn)業(yè)務運行。與2DVD相比,HY-P1000雨滴譜儀在小雨滴時分辨率更高,可測粒徑范圍更廣。此外,災害天氣頻發(fā)的廣東省為了提高臨近預報預警能力,已于2019年完成了全省12部S波段雙偏振雷達(CINRAD/SAD)的升級或建造工作。過去基于雙偏振雷達和Parsivel激光雨滴譜儀開展了QPE方面的技術(shù)研究(Zhang et al,2018;Chen et al,2020),而針對HY-P1000雨滴譜儀只是進行了觀測資料的評估(杜傳耀等,2019)。Liu et al(2018)對布設(shè)在廣東的2DVD雨滴譜儀器觀測資料開展了一些應用研究,但是與HY-P1000的觀測對比研究尚未開展。此外,由于雙偏振雷達QPE精度依賴于雨滴譜的觀測結(jié)果(汪舵等,2017;Chen et al,2017;Zhang et al,2018;陳超等,2019),這兩種不同雨滴譜儀觀測結(jié)果對雙偏振雷達QPE精度影響也需要進一步研究,該研究對于提升降水估測精度和強降水預報預警有重要意義。

1 研究資料

1.1 雨滴譜資料

本文使用的雨滴譜儀分別是我國華云升達公司的HY-P1000降水現(xiàn)象儀和德國萊比信公司的2DVD。表1給出了兩類雨滴譜儀的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 兩類雨滴譜儀器主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main specifications of the HY-P1000 and 2DVD disdrometers

HY-P1000每個等級降水粒子平均速度和平均尺寸見Chen et al(2023)。對于2DVD,其觀測的粒子直徑范圍為0.1～8.1 mm,間隔為0.2 mm,觀測粒子的速度滿足Brandes et al(2002)提出的粒子末速度模型,計算公式如下:

V(D)=-0.1021+4.932D-0.9551D2+

0.07934D3-0.002362D4

(1)

式中:D為雨滴直徑(單位:mm),V(D)為該直徑對應的末速度(單位:m·s-1)。

2018年1月起廣東省共有86部HY-P1000投入業(yè)務運行,2017年完成布設(shè)的6部2DVD也正常運行。惠州龍門、韶關(guān)新豐和清遠佛岡的觀測站內(nèi)同時布設(shè)這兩類雨滴譜儀器,且兩種儀器的直線距離均在10 m以內(nèi),這三個站點的地理位置如圖1所示。本文所用雨滴譜資料來自上述三個站點2018年6—9月的觀測資料,具體天氣過程如表2所示。

表2 降水過程Table 2 Rainfall events

1.2 雷達資料

廣州CINRAD/SAD(以下簡稱廣州雷達),于2016年完成升級并在同年5月實現(xiàn)業(yè)務運行(雷達主要參數(shù)如表3所示)。在進行QPE評估時還使用了對應時次的廣州雷達覆蓋范圍內(nèi)的自動站小時降水量資料。

表3 廣州雷達主要參數(shù)Table 3 The main technique parameters of Guangzhou Radar

2 研究方法

本研究涉及的資料處理方法主要包括:雨滴譜資料質(zhì)量控制及處理、雙偏振雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和QPE優(yōu)化組合等方法。

2.1 雨滴譜資料質(zhì)量控制及處理方法

雨滴譜資料在參數(shù)反演前參考Wang et al(2021)的方法進行質(zhì)量控制處理。首先,由于前兩個粒徑通道信噪比太低,因此對該兩檔的粒徑信息進行剔除。其次剔除粒徑大于8 mm的降水粒子,處理后粒徑范圍為0.31～8 mm。為減少強風和粒子飛濺對計算的影響,根據(jù)末速度和粒徑關(guān)系對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。最后,剔除各通道內(nèi)所有粒子數(shù)小于10個的資料數(shù)據(jù)(Wen et al,2016)。

對雨滴譜資料質(zhì)量控制后,利用雨滴譜分布函數(shù)計算數(shù)密度N(Di),如式(2)所示(Ulbrich,1983;馮婉悅等,2021):

(2)

式中:Di是第i檔的等效體積直徑(單位:mm);nij為第i個直徑通道、第j個速度通道的雨滴數(shù)(單位:個);Ai為每一粒子檔的有效采集面積(單位:m2);Δt為采樣時間間隔(單位:s),本文為60 s;Vj為第j個速度等級對應的平均速度(單位:m·s-1);ΔDi為對應速度通道的直徑間隔(單位:mm);N(Di)是指單空間體積、直徑介于Di的單位區(qū)間內(nèi)的雨滴數(shù)量(單位:m-3·mm-1)。

得到N(Di)分布結(jié)果,即可計算雷達反射率因子(Z,單位:mm6·mm-3)、降水強度(R,單位:mm·h-1)等參數(shù),其計算公式如下(Wen et al,2016;Liu et al,2018):

(3)

(4)

式中:L為粒子直徑等級數(shù)(無量綱);Di是第i個尺寸等級的等效粒子直徑(單位:mm);ΔDi是相應的直徑間隔(單位:mm);Vi是下降末速度(單位:m·s-1)。

對于S波段雷達,波長在10 cm以上,降水粒子滿足瑞利散射,可以使用式(5)～式(7)分別計算雙偏振雷達水平/垂直反射率因子(ZH/ZV,單位:dBz)、差分反射率因子(ZDR,單位:dB)和差分傳播相移(KDP,單位:°·km-1)(Wen et al,2016;Liu et al,2018):

(5)

ZDR=10lg(ZH/ZV)

(6)

(7)

式中:λ為雷達波長(單位:cm);|KW|2是復折射因子項,為常數(shù);fH(π,D)/fV(π,D)是發(fā)射水平/垂直偏振波時雨滴的后向散射截面(單位:cm-2);fH(D)/fV(D)是具有等效直徑D的雨滴分別在發(fā)射水平/垂直偏振波時的后向散射系數(shù),分實部(單位:°·km-1)和虛部(單位:dB·km-1)(Adirosi et al,2018);Dmax和Dmin分別為雨滴的最大和最小直徑(單位:mm);ZV計算方法同ZH。

2.2 雙偏振雷達數(shù)據(jù)處理方法

雙偏振雷達較單偏振雷達多了垂直極化波束通道,理論上要求雙偏振雷達水平和垂直極化波束通道有很好的一致性,而這一要求很難在業(yè)務運行雷達中得到滿足;此外,由于廣州雷達為機械掃描雷達,還容易受到旋轉(zhuǎn)因素的影響。因此雙偏振雷達偏振參數(shù)存在不可靠數(shù)據(jù)和抖動現(xiàn)象(陳超等,2018),在和雨滴譜反演偏振參數(shù)進行對比及雷達QPE前需要對雷達數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。廣州雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制如下:

(1)在假設(shè)雙偏振雷達水平和垂直通道噪聲水平一致的前提下對CC和ZDR進行噪聲訂正(Liu et al,2010);

(2)基于微雨滴法對雙偏振雷達ZDR進行系統(tǒng)偏差訂正(陳超等,2018);

(3)從實際觀測結(jié)果看,雙偏振雷達基數(shù)據(jù)中保存的KDP缺失和抖動現(xiàn)象明顯,為提升KDP數(shù)據(jù)質(zhì)量,本文QPE所使用的KDP不是雷達基數(shù)據(jù)中保存的KDP,而是對ΦDP進行五點滑動平滑去除噪聲污染后,使用變距離法(Wang and Chandrasekar,2009)擬合得到的KDP;

(4)利用模糊邏輯識別方法對地物雜波進行了識別和剔除(Wu et al,2018)。

此外,對雷達回波進行了徑向濾波和平滑等處理,進一步消除噪聲點和孤立點。

2.3 定量降水估測優(yōu)化組合方法

本文雙偏振雷達QPE基本關(guān)系式有以下六種:

R1(ZH)=a1Zb1

(8)

R2(ZH)=a2Zb2

(9)

(10)

(11)

R(ZH,ZDR)=a5Zb510c5ZDR

(12)

(13)

式中:R表示降水強度(單位:mm·h-1);a為系數(shù),b和c為指數(shù);Z為反射率因子(單位:mm6·m-3),和ZH的關(guān)系為ZH=10lgZ;KDP為差分傳播相移(單位:°·km-1);ZDR為差分反射率因子(單位:dB)。

由于雙偏振雷達不同QPE基本關(guān)系式有不同的誤差特征,目前雙偏振雷達多基于優(yōu)化組合方法進行QPE(Ryzhkov et al,2005;Zhang et al,2018)?？紤]到我國現(xiàn)有雷達技術(shù)水平和不同區(qū)域氣候差異等因素,國際上現(xiàn)有的優(yōu)化組合方法在廣東并不一定有較好的適用性,且廣東降水類型復雜,近地面降水也常含有冰雹等非液態(tài)降水粒子,Chen et al(2020)在已有研究工作的基礎(chǔ)上結(jié)合廣東省雙偏振雷達的數(shù)據(jù)分析結(jié)果提出了一種水凝物分類基礎(chǔ)上的雙偏振雷達QPE算法(HCA-QPE),HCA-QPE算法是基于更適合華南的水凝物分類技術(shù)(Wu et al,2018)基礎(chǔ)上的QPE優(yōu)化組合方法,在實際業(yè)務中有較好的應用。方法流程如圖2所示。

注:α、β、γ和δ為算法中各偏振量的閾值(閾值選取見4.1節(jié));NaN表示不進行計算,結(jié)果為無效值。圖2 雙偏振雷達QPE優(yōu)化組合方法流程圖Fig.2 Flowchart describing the HCA-QPE algorithm

2.4 評估方法

采用絕對誤差(AE)、相對誤差(RE)、比率偏差(Bias)和均方根誤差(RMSE)對反演偏振參數(shù)做對比,并對雷達QPE結(jié)果進行評估,所有QPE誤差都基于站點計算。

(14)

(15)

(16)

(17)

在進行QPE結(jié)果評估時,Yi是評估數(shù)據(jù)集中的第i個雨量計的1小時觀測降水量(單位:mm);Xi是相應的雷達1小時估測降水量(單位:mm);n為有效數(shù)據(jù)對(雷達QPE-雨量計)的數(shù)量。

在對雨滴譜觀測結(jié)果進行評估時,Xi和Yi分別為HY-P1000和2DVD的觀測結(jié)果(單位與參與評估的參數(shù)相同),n為有效數(shù)據(jù)對(2DVD-HY-P1000)個數(shù)。

3 兩種雨滴譜儀觀測對比

龍門、新豐和佛岡三個站點不僅同時布設(shè)了HY-P1000和2DVD雨滴譜儀,而且均布設(shè)了業(yè)務化自動雨量計,三種儀器可實現(xiàn)同時同地對同一降水過程進行觀測。2018年6月7—9日1804號臺風艾云尼登陸并影響廣東(黃先香等, 2019),8日17時至9日07時是該過程降水相對集中時段,該時段內(nèi)上述三個站點的兩種雨滴譜儀均觀測到了降水且數(shù)據(jù)連續(xù)性較好。雖然雨滴譜儀對降水粒子尺寸小于0.3 mm的觀測的可信度降低(Tokay et al,2013),但為了清晰反映兩種雨滴譜儀的觀測特點,該部分對觀測數(shù)據(jù)在質(zhì)量控制時未剔除前兩個通道的觀測粒子,其他質(zhì)量控制同2.1小節(jié)所述方法。質(zhì)量控制后三個站點獲得的有效樣本對數(shù)分別是840、616和419個。以下使用該時段樣本數(shù)據(jù)對兩種不同雨滴譜儀從數(shù)濃度、測得粒徑、反演的偏振參數(shù)和降水強度等方面展開對比。

3.1 雨滴譜分布特征對比

數(shù)濃度反映的是單位體積中降水粒子的個數(shù),它隨著降水類型和氣候條件的變化會有較大變化,但是對于布置在同一站點的不同雨滴譜觀測儀器,由于其相同的降水過程、相同的氣候背景,區(qū)別主要由儀器差別導致。

圖3給出了6月8日17時至9日07時(其中佛岡站為6月8日19時至9日03時)降水集中期內(nèi)佛岡、新豐和龍門1分鐘分辨率的兩種雨滴譜觀測結(jié)果時間序列圖。總體上看,這兩種雨滴譜儀器觀測到的雨滴數(shù)濃度基本為較一致的演變趨勢,且呈現(xiàn)多峰的特點。三個站點在降水集中期的雨滴觀測結(jié)果最大區(qū)別是:2DVD對于降水粒子直徑小于1 mm的數(shù)濃度持續(xù)明顯大于HY-P1000,且2DVD的雨滴數(shù)濃度起伏相對劇烈。

圖3 2018年6月8—9日(a,b)佛岡站,(c,d)新豐站和(e,f)龍門站(a,c,e)HY-P1000和(b,d,f)2DVD觀測的不同直徑粒子數(shù)濃度隨時間演變序列Fig.3 Time series of number concentration of different drop sizes observed by (a, c, e) HY-P1000 and (b, d, f) 2DVD at (a, b) Fogang, (c, d) Xinfeng, and (e, f) Longmen stations from 8 to 9 June 2018

圖4 HY-P1000和2DVD(a)觀測不同尺寸粒子總數(shù)及(b)所占百分比Fig.4 (a) Total number and (b) percentage of particles with different sizes observed by HY-P1000 and 2DVD

3.2 偏振參數(shù)和降水強度對比分析

按照2.1小節(jié)的雨滴譜數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對三個站點雨滴譜觀測資料進行質(zhì)量控制,利用式(3)～式(7),計算得到ZH、ZDR、KDP和R。圖5a,5c,5e對比了佛岡、新豐和龍門三個站點HY-P1000和2DVD反演的各個偏振參數(shù)和雷達0.5°仰角實際觀測偏振參數(shù),圖5b,5d,5f對比了三個站點HY-P1000和2DVD雨滴譜儀反演的5分鐘累計降水量。

圖5 2018年6月8—9日(a,b)佛岡站、(c,d)新豐站和(e,f)龍門站HY-P1000和2DVD雨滴譜(a,c,e)反演參數(shù)和雷達實測參數(shù)對比,以及(b,d,f)反演的5 min累計降水量Fig.5 Comparison of HY-P1000 and 2DVD inversion parameters to (a, c, e) radar measured parameters, and (b, d, f) 5 min cumulative precipitation at (a, b) Fogang, (c, d) Xinfeng, (e, f) Longmen stations in 8-9 June 2018

由圖5可見,這三種儀器相關(guān)參數(shù)整體趨勢比較一致,均可反映出降水變化。由于雷達觀測時間分辨率僅為6分鐘,且雷達觀測數(shù)據(jù)受平滑等質(zhì)量控制和仰角及各站點徑向距離差異等因素影響,三個站點0.5°仰角上的各雙偏振雷達參數(shù)的演變與兩個雨滴譜的反演參數(shù)差別相對較大,而三個站點兩種雨滴譜儀的偏振參數(shù)起伏的一致性相對較好。具體來看,三個站點ZH的差別相對較小,與雷達觀測結(jié)果相比,佛岡、新豐和龍門三個站點2DVD的ZH平均分別比雷達觀測大3.28、3.10和1.21 dBz,ZDR平均分別小0.02、0.24和0.07 dB,KDP平均分別大0.2、0.07和0.001 °·km-1。HY-P1000的ZH平均比雷達觀測平均分別大2.59、3.00和1.27 dBz,ZDR平均分別大0.26、0.02和0.13 dB,KDP平均分別大0.15、0.08和0.02 °·km-1。從5分鐘累計降水量對比來看,HY-P1000的R反演結(jié)果明顯小于2DVD,三個站點Bias分別為0.82、0.87和0.84。

從上面的分析可以看出,兩種雨滴譜反演的ZH和KDP之間差別相對較小且演變趨勢比較一致,ZH平均兩者相差僅0.2 dBz,KDP僅相差0.01 °·km-1,與雷達觀測結(jié)果差別相對較大,ZH平均分別大2.5 dBz和2.3 dBz,KDP分別大0.09 °·km-1和0.08 °·km-1。由于HY-P1000觀測到的大粒子多于2DVD,導致反演的ZDR差別相對較大,三個站點平均后兩者相差0.25 dB,且與雷達觀測結(jié)果相比,三個站點的2DVD反演的ZDR平均值均小于雷達觀測結(jié)果,而HY-P1000反演的ZDR平均值均大于雷達觀測結(jié)果。對于降水反演結(jié)果來說,HY-P1000反演的5分鐘累計降水量小于2DVD,平均Bias為0.84。從本次過程分析可以看出,雨滴譜儀測得的大粒子的數(shù)量可以影響反演的偏振參數(shù),特別是表現(xiàn)粒子形變的ZDR,而測得的大粒子并沒有直接改變降水量結(jié)果。

此外,佛岡、新豐和龍門三個站點均布設(shè)了雨量計可獲取實時降水量資料。將 HY-P1000和2DVD反演的分鐘降水強度轉(zhuǎn)成小時降水量,和自動站小時降水量進行對比,本次過程三個站點共計獲取了14小時的樣本。圖6給出了兩種雨滴譜儀反演的小時降水量和自動站實測小時降水量散點圖。從圖中可以看出2DVD反演的小時降水量結(jié)果要大于HY-P1000的反演結(jié)果,這與圖5的5分鐘累計降水量對比一致;同時2DVD反演的小時降水量結(jié)果更接近實況觀測值,2DVD和HY-P1000的均方根誤差分別為1.02 mm和3.04 mm,Bias分別為 0.97 和0.80,相對誤差分別為5.15%和19.71%,且降水量較大時,HY-P1000反演降水量偏小明顯。造成這種現(xiàn)象的主要原因是HY-P1000對小于1 mm 的降水粒子的低估。該分析結(jié)果和Tokay et al(2001)和Wen et al(2017)的分析結(jié)果有很好的一致性。

4 對QPE優(yōu)化組合方法估測精度影響分析

從上文分析中可以看出,不同類型的雨滴譜儀觀測資料反演的偏振參數(shù)和降水強度結(jié)果存在差別。由于雙偏振雷達QPE基本關(guān)系式由雨滴譜資料反演參數(shù)擬合而得,而且優(yōu)化組合方法中的閾值方案也受雨滴譜資料反演參數(shù)影響,這些因素都直接影響雙偏振雷達QPE優(yōu)化組合方法的精度。本節(jié)主要針對2DVD和HY-P1000觀測資料對雙偏振雷達優(yōu)化組合方法(HCA-QPE)的影響進行分析。

4.1 閾值方案和基本關(guān)系式的擬合

Bringi et al(1996)和Petersen et al(1999)通過觀測,并考慮了降水強度特征和雷達噪聲因素將圖2 中的β、γ和δ分別確定為38.0 dBz、0.3 °·km-1和0.5 dB。國內(nèi)外雙偏振雷達在QPE優(yōu)化組合方法研究中沿用了這一閾值方案(Cifelli et al,2011;吳亞昊等,2016)。我國在業(yè)務中應用雙偏振雷達時,受硬件和其他因素影響,這一閾值方案QPE效果并不理想。Zhang et al(2018)和Chen et al(2020)經(jīng)過多次試驗,并基于噪聲對業(yè)務雙偏振雷達的數(shù)據(jù)影響分析結(jié)果(陳超等,2018),將β、γ和δ分別確定為38.0 dBz、1.0 °·km-1和1.0 dB,同時加入了判斷雙偏振雷達偏振參數(shù)是否可信的信噪比閾值(α),根據(jù)陳超等(2018)的分析結(jié)果,廣州雷達α定為20.0 dB。

本文首先給定α、β、γ和δ分別為20.0 dB、38.0 dBz、1.0 °·km-1和1.0 dB這一閾值方案,結(jié)合HCA-QPE算法流程(圖2),采用分段擬合方法擬合各基本關(guān)系式。所謂分段擬合是指本文的R2(ZH)、R1(KDP)、R2(KDP)、R(ZH,ZDP)和R(KDP,ZDR)在進行基本關(guān)系式擬合時并不是選取所有的雨滴譜樣本,而是根據(jù)HCA-QPE的閾值方案選取滿足各關(guān)系式條件的雨滴譜資料進行擬合。

控制變量有：(1)trade，貿(mào)易依存度，即一國商品貿(mào)易總額占該國GDP的比重；(2)inv，一國接受FDI占該國GDP的比重；(3)hc，人力資本指數(shù)，基于一國人民平均受教育年限和教育回報率計算得到。

對于混合態(tài)降水而言,由于KDP表征的是液態(tài)降水對雷達波束傳播相位隨距離的變率,受介電常數(shù)因素影響,非液態(tài)降水粒子對其影響較弱,因此這種相態(tài)的降水可以使用R1(KDP)進行估測,考慮到當降水中含有冰雹等非液態(tài)降水時,其ZH和KDP值一般較大,同時KDP值較小時相對不穩(wěn)定,給出了ZH≥50.0 dBz、KDP≥1.0 °·km-1的限制條件(此處偏振量為雨滴譜擬合值,下同)。

對于液態(tài)降水,分兩種情況估測。首先針對強降水情況,此時偏振量ZH、KDP的值都比較大,若此時的雨滴較大,雨滴在下落過程中的形變明顯,ZDR的值比較大,此時KDP和ZDR值比較穩(wěn)定可信,使用R(KDP,ZDR)進行降水估測,在進行系數(shù)擬合時需加上ZH≥38.0 dBz、KDP≥1.0 °·km-1且ZDR≥1.0 dB 的條件進行限制;當雨滴較小時ZDR值較小,存在不穩(wěn)定現(xiàn)象,此時用R2(KDP)進行降水估測,與R1(KDP)相比,R2(KDP)在進行系數(shù)擬合時加入了ZH≥38.0 dBz、KDP≥1.0 °·km-1且ZDR<1.0 dB的條件限制。另一種情況是降水強度相對較弱時,此時KDP的值相對較小、變得不穩(wěn)定,若此時雨滴較大,則ZDR的值仍相對較大,此時用R(ZH,ZDR)進行降水估測,對R(ZH,ZDR)進行擬合時要加上ZH<38.0 dBz、KDP<1.0 °·km-1,但ZDR≥1.0 dB的條件限制;若此時的雨滴較小,則ZDR值較小,并也變得不穩(wěn)定,此時用R2(ZH)進行降水估測,對R2(ZH)擬合時加入ZH<38.0 dBz、KDP<1.0 °·km-1和ZDR<1.0 dB的條件限制。

基于上述擬合方案,利用2018年和2019年三個站點HY-P1000和2DVD兩種不同雨滴譜儀收集到的15 067個有效樣本擬合得到基本關(guān)系式系數(shù)(表4和表5)。

表4 基于HY-P1000觀測結(jié)果的擬合公式系數(shù)Table 4 The QPE coefficient fitted by HY-P1000 data

表5 基于2DVD觀測結(jié)果的擬合公式系數(shù)Table 5 The QPE coefficient fitted by 2DVD data

4.2 誤差分析

對降水過程(表2)分別使用由HY-P1000和2DVD觀測資料擬合的基本關(guān)系式系數(shù)(表4,表5),基于HCA-QPE算法計算QPE,并累加同1小時內(nèi)的逐6分鐘降水量得到1小時降水量。為方便表述,本文將使用這兩種觀測資料擬合的基本關(guān)系式的優(yōu)化組合方法分別稱為HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000方案。

利用廣州雷達100 km范圍內(nèi)降水過程(表2)對應時次的自動站逐時降水數(shù)據(jù),參照壽紹文等(2006)小時降水強度分級方法,在評估時將降水分成中雨及以下、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨5個級別(表6)進行評估。表6列出了HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000方案5個降水強度等級,共計9097個樣本對應的誤差統(tǒng)計結(jié)果。

表6 HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000方案QPE誤差統(tǒng)計結(jié)果Table 6 The statistical results of QPE errors for the HCA-QPE_2DVD and HCA-QPE_HY-P1000 schemes

Loh et al(2020)研究表明,無論是弱降水還是40 mm·h-1以上的強降水,小粒徑(小于1 mm)粒子的數(shù)濃度均為最高。從上文分析可見,對于相同站點,相同時刻2DVD雨滴譜觀測儀器對小粒子的觀測數(shù)濃度和所占比例均高于HY-P1000觀測結(jié)果,從雨滴譜觀測資料反演降水的對比中可以看出,小粒徑粒子觀測精度的提高,可以提高降水反演精度。這種觀測結(jié)果對雙偏振雷達QPE精度的影響,從表6中可以看出,HCA-QPE_2DVD估測精度平均要好于HCA-QPE_HY-P1000,其中RE平均減少了15.7%,AE平均減少了13.8%(0.35 mm),RMSE平均減少了11.1%(0.47 mm)。具體來看,HCA-QPE_2DVD方案在中雨和大雨以下時較HCA-QPE_HY-P1000方案估測精度提升明顯,在中雨以下時,RE平均減少了22.3%,AE平均減少了31.1%(0.46 mm),RMSE平均減少了33.1%(0.74 mm)。隨著降水強度的增大,HCA-QPE_2DVD方案的降水估測精度優(yōu)勢不明顯,甚至在大暴雨時,精度不如HCA-QPE_HY-P1000方案高。此外,HCA-QPE_2DVD方案各個量級的Bias均小于1.0,整體呈現(xiàn)出估計偏弱的情況。

此外,統(tǒng)計了HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000方案1.0 mm·h-1以上的9097個樣本中各基本關(guān)系式的使用頻率(圖略),其中使用頻率最高的是公式R2(ZH),為68.4%,其余使用頻率相對較高的依次為R(KDP,ZDR)(16.6%)、R1(ZH)(11.7%)和R(ZH,ZDR)(2.8%)。從HCA-QPE算法流程(圖2)和閾值方案可見,公式R2(ZH)、R1(ZH)和R(ZH,ZDR)主要的使用對象是回波強度在閾值38.0 dBz以下的非對流性降水,小時降水量一般在10.0 mm以下。R2(ZH)、R1(ZH)和R(ZH,ZDR)如此高的使用率說明本文所選樣本中強對流降水所占比例相對較低,同時也可以看出,要提高大雨以下量級的降水估測精度,主要是靠提升R2(ZH)、R1(ZH)和R(ZH,ZDR)的估測精度。從實際計算結(jié)果來看,HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000兩種方案中基本關(guān)系式R1(ZH)估測誤差區(qū)別不大(圖略),誤差區(qū)別最大的為R(ZH,ZDR)和R2(ZH)這兩個基本關(guān)系式(如圖7所示),HCA-QPE_2DVD中R2(ZH)估測結(jié)果的均方根誤差比HCA-QPE_HY-P1000減少了約0.95 mm,R(ZH,ZDR)均方根誤差減少了約4.3 mm。由此可見,對于小時降水量為大雨以下量級的降水,基于2DVD觀測資料擬合的R2(ZH)和R(ZH,ZDR)有更高的QPE精度,這在提升HCA-QPE_2DVD降水反演精度中發(fā)揮了重要作用,特別是針對中雨及以下量級的降水。

綜上所述, 2DVD對1 mm以下的降水粒子較HY-P1000有更高的觀測精度,反演的降水更接近實況,同時,可提升針對非對流性降水的R2(ZH)和R(ZH,ZDR)這兩個基本關(guān)系式的QPE精度,最終使得HCA-QPE_2DVD方案的QPE估測精度好于HCA-QPE_HY-P1000方案,特別是在中雨及以下量級時的優(yōu)勢更明顯。

5 結(jié)論和討論

本研究首先對2DVD和HY-P1000兩種雨滴譜觀測資料進行了對比分析,并分別基于觀測資料反演的偏振參數(shù)和降水量進行了雙偏振雷達QPE基本關(guān)系式的擬合,將這兩組不同基本關(guān)系式擬合結(jié)果應用于HCA-QPE優(yōu)化組合方法中,分別稱為HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000方案。利用這兩種方案和廣州雷達觀測資料及自動站降水資料進行了QPE的計算和評估,結(jié)果表明:(1)2DVD可以觀測到更多1 mm以下的降水粒子,而HY-P1000測得的粒徑大于3.5 mm 的粒子數(shù)則明顯多于2DVD;(2)從2DVD和HY-P1000兩種雨滴譜資料反演的偏振參數(shù)與雷達實測偏振參數(shù)對比來看,ZH和KDP大小相差不大,整體趨勢一致,但2DVD反演的ZDR明顯小于HY-P1000反演的ZDR,同時也小于雷達0.5°仰角的ZDR實測結(jié)果;(3)使用2DVD觀測數(shù)據(jù)擬合的基本關(guān)系式可整體提升雙偏振雷達QPE精度,對中雨及以下量級的QPE精度提升尤為明顯。

本研究從提升業(yè)務QPE精度角度出發(fā),對布設(shè)在廣東的龍門、新豐和佛岡三個站點的2DVD和HY-P1000的觀測結(jié)果和反演參數(shù)進行了對比分析,并對這兩種雨滴譜觀測資料在雙偏振雷達QPE優(yōu)化組合方法中的應用進行了分析。仍存在一些問題,如HCA-QPE_2DVD和HCA-QPE_HY-P1000這兩種方案針對不同類型降水的QPE估測差異及這兩種方案是否存在更好的閾值方案等,這些問題將在未來工作中深入研究。