朝阳新一代天气雷达分型Z―I关系降水估测模型

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摘要 利用2014年4―10月朝阳新一代天气雷达和自动站数据资料，对降水过程进行分型，采用最优化方法分析得到本地化Z-I关系，结果表明：降水估算准确率在65%～70%以上，大大提高了本地天气雷达定量估测降水的准确率，更大地发挥了新一代天气雷达的效益。

关键词 天气雷达；Z-I关系；本地化；辽宁朝阳

中图分类号 P459 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）04-0213-02

Precipitation Estimation Model of the New Generation Weather Radar Based on Z-I

YU Yue BI Ming-lin LIU Peng-fei YAO Wei-hua LIU Zhi-peng YU Fang-jian

（Chaoyang City Meteorological Bureau in Liaoning Province，Chaoyang Liaoning 122000）

Abstract Using Chaoyang new generation weather radar and automatic station data from April to October in 2014，the precipitation process were classified and the optimization method of analysis to be localized Z-I relationship. The results showed that precipitation estimation accuracy in more than 65%～70%，it could greatly improve the local weather radar quantitative precipitation estimation accuracy and greatly play the benefit of the new generation weather radar.

Key words Weather Radar；Z-I relationship；localization；Chaoyang Liaoning

2010年朝阳新一代天气雷达（CINRAD/CD）通过验收投入业务应用以来，RPG处理系统的定量降水估测产品算法中沿用了WSR-88D中设定的由美国夏季深对流云降水统计得到的Z=AIb[1]关系式，即Z=300I1.4 。A与指数b除了跟雷达本身有关，还与地形、气候、降水成因等有很大关系，由于该参数没有针对朝阳新一代天气雷达进行“系统误差”消除[2]，也没有结合影响朝阳地区的不同天气系统、回波属性与降水强度之间进行试验分析，所以由此产生的雷达降水估测产品与实际降水相差甚远，因此，进一步结合自动站雨量计校准，研究适用朝阳地区的Z-I关系，建立朝阳新一代天气雷达本地Z-I关系模型势在必行，可以利用新一代天气雷达准确估测定量降水，为预报、预警服务提供及时、准确数据，同时对提高雷达数据观测质量[3]也具有重大意义。

1 资料来源及处理方法

1.1 雨量资料来源及处理

选取朝阳市2014年4―10月139个区域自动观测站的24 h累计雨量和小时雨量资料。定义24 h累积雨量至少有1个站大于20 mm的降水日为强降水日，去掉小时雨强小于1 mm的不明显降水个例，筛选出33 d，合计5 640 h的可用资料。

1.2 雷达资料来源及处理

采用雷达组合反射率产品，它的好处就在于在一个平面上就能综合显示所有最高反射率因子。以站点周围4个格点的反射率平均值作为该站点的反射率，根据反射率与雷达回波强度的关系式：

dbZ=10logz（1）

得到雷达回波强度，再根据Z-I关系得到雨强I，对每6 min的降水强度估算值进行累加，每10组1个，计算出小时降水强度与同时间段的自动站实际小时雨强进行配对，得到雷达-雨量对。

1.3 本地降水分型方法

结合雷达回波图和降水实况（雨量和雨强）资料将本地降雨类型分为4类，分别为间歇性弱降水、层云混合性降水、积云混合性降水、强对流型降水。四者的特点见表1。

2 技术方法

2.1 最优化方法

在一定假定条件下，雷达反射率因子Z和雨强I之间有简单的幂指数关系：Z=AIb（1）

其中A和b是和雨滴谱有关的系数，这是雷达估测降水的理论基础。根据这一关系，由雷达反射率因子可直接估测降水。系数A和指数b随地区、季节、降水类型、降水性质等变化。Z-I关系的不稳定性，给雷达定量测量降水带来了难度，雷达定量测量降水的关键就是找出适合当地的Z-I关系。在最优化方法中，采用最佳判别函数：

式中Ii为雷达估计各个样本的雨强值，Ri为自动站测量的雨强值，原理就是不断调整Z-I关系中的参数A和b值，直到判别函数CTF达到最小值为止，CTF为最小的A和b，就是这个统计样本总体的最优参数，也就是说CTF值为最小的参数A和b，使得雷达估计值最逼近实测值。本文将a从16开始到1 200之间以20为间隔（120个a值）、b从1.0开始到2.87之间以0.05为间隔（38个b值）计算120×38组Z=amIbn（m=1，2，……，120；n=1，2，……，38），同时计算120×38个判别函数CTF，当CTF最小时的Z=aIb作为最优Z-I关系。

2.2 分型Z-I关系建立

按照本项目中的本地降水分型方法，得出如下结论：朝阳本地降水偏少，属于较为干旱地区，其中间歇性的弱降水占4―9月样本的52.9%，层云混合降水占33.8%，强对流降水只占了2.6%，可见对于朝阳本地来说以间歇性弱降水和强度较小的大范围稳定性降水为主，对于默认Z-I关系不区分降水类型对于降水估测的效果影响极大。各类型降水样本分布数见表2、3。

2.3 分型Z-I关系检验

由于雷达估测降水的误差有正有负，平均后会正负抵消不能客观反映雷达估测降水的能力，为此引进区域降水平均绝对误差J。

绝对误差：a=Rr，i-Rg，I，表示估测降水与实际降水的差值

区域降水平均绝对误差：J=|Rr，i-Rg，i|/N

由于降水量级的不同，降水越大允许的平均绝对误差越大，降水越小，允许的平均绝对误差就越小，所以要引进区域降水平均相对误差（X）才能比较客观反映各级雨量误差的大小。

平均相对误差率：

分型检验误差见表4。

3 结论

从各类型的降水量估测值来看，经最优化后的估测结果准确率较本地默认的Z-I关系估测值大大提高。其中，对于间歇性弱降水和层云混合型的降水估测结果较好，而随着降水量级的增大，估测误差也随之增大，对于弱降水往往估测值偏大，而对于强对流型降水存在估测值较实况偏小的问题[4]。本地最优化后的估算率基本保持在65%～70%以上，说明分型算法更加适用于本地降水的实际情况，可在今后实际工作中采用。

4 参考文献

[1] 张培昌，戴铁丕，王登炎，等.最优化法求Z-I关系及其在测定降水量中的精度[J].气象科学，1992，12（3）：333-338.

[2] 张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2008：176-178.

[3] 戴铁丕，张培昌，詹煜.雷达气候学[M].北京：气象出版社，1995：187-188.

[4] 李建通，郭林，杨洪平.雷达―雨量计联合估测降水初值场形成方法探讨[J].大气科学，2005（6）：1010-1020.