李成偉,張世昌,劉 名,毛 峰

(陜西省大氣探測探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

CB雷達(dá)OHP產(chǎn)品與雨量計雨量對比分析

李成偉,張世昌,劉 名,毛 峰

(陜西省大氣探測探測技術(shù)保障中心,西安 710014)

利用2012年陜西6部新一代天氣雷達(dá)的雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng),回放雷達(dá)基數(shù)據(jù)獲取雷達(dá)1h降水量產(chǎn)品,同時獲取對應(yīng)雨量站、對應(yīng)時段的小時雨量,形成雷達(dá)小時雨量-雨量站小時雨量數(shù)據(jù)對,采用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明：雨量站小時雨量為(0.7,10]mm時,雷達(dá)面雨量大于地面雨量站雨量；雨量站小時雨量在(10,20]、(20,30]mm兩個區(qū)間內(nèi)時,全省各個雷達(dá)站雷達(dá)面雨量均小于地面雨量站,而且誤差明顯。

CB雷達(dá)；OHP產(chǎn)品；雨量；相對誤差

降水量估計是新一代天氣雷達(dá)重要功能之一。降水估計的基本原理是利用反射率因子和降水率之間的冪指數(shù)正相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系,計算降水率,再通過對時間的累加得到一段時間內(nèi)的累積降水量。目前新一代天氣雷達(dá)的降水處理算法中的計算參數(shù)均沿用廠家的默認(rèn)設(shè)置,未引入自動雨量站降水量對雷達(dá)估測降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行訂正,也未根據(jù)不同的天氣形勢進(jìn)行z-i關(guān)系訂正,且目前雷達(dá)產(chǎn)品生成子系統(tǒng)(簡稱“RPG”,下同)僅提供十六階梯化的雷達(dá)降水圖形產(chǎn)品,缺乏詳細(xì)的降水?dāng)?shù)據(jù),造成雷達(dá)1h降水量 (簡稱“OHP”,下同)產(chǎn)品無法數(shù)值化進(jìn)入數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。本文通過將CB型天氣雷達(dá)OHP產(chǎn)品在地面雨量站地理坐標(biāo)上的降水估計值 (簡稱 “雷達(dá)面雨量”,下同)與地面雨量站1h降雨量進(jìn)行對比,分析各個雨量站對應(yīng)地理坐標(biāo)的雷達(dá)面雨量和雨量站降雨量之間的關(guān)系,在天氣雷達(dá)估測降水產(chǎn)品的定量化應(yīng)用方面進(jìn)行探索。

1 數(shù)據(jù)選擇

選取2012年陜西省6個雷達(dá)站共16個降水時段數(shù)據(jù)(表1)。雷達(dá)降水產(chǎn)品為通過RPG軟件回放各雷達(dá)站基數(shù)據(jù)的方式獲取的對應(yīng)時間段內(nèi)的OHP產(chǎn)品。地面雨量站選取雷達(dá)掃描覆蓋范圍內(nèi)的地面自動雨量站。降雨量數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象信息中心。

表1 2012年參加對比的6個雷達(dá)站的時間區(qū)間(時間格式為月日時)

2 數(shù)據(jù)處理

通過以下過程獲取同一時間的雷達(dá)面雨量和地面雨量站雨量數(shù)據(jù)對。

(1)獲取雷達(dá)站雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的地面雨量站的站點信息,并將站點的經(jīng)、緯度坐標(biāo)映射到雷達(dá)掃描的極坐標(biāo)系中,獲取地面雨量站在雷達(dá)極坐標(biāo)中的坐標(biāo)數(shù)據(jù) (徑向距離和方位)。

(2)讀取地面雨量站極坐標(biāo)點的雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù),將該極坐標(biāo)點的雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù)及其周圍8個雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù) (共9個面雨量數(shù)據(jù))的平均值作為該坐標(biāo)點的雷達(dá)面雨量數(shù)值,其中每個雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù)均取其對應(yīng)色標(biāo)的最大值。

(3)連續(xù)讀取所選取的時間區(qū)間內(nèi)(表1)的OHP產(chǎn)品,獲取按照時間排列的雷達(dá)面雨量序列。

(4)從信息中心數(shù)據(jù)庫讀取地面自動雨量站的雨量數(shù)據(jù)。

3 對比指標(biāo)的計算方法

雷達(dá)OHP產(chǎn)品與地面雨量站雨量對比采用統(tǒng)計學(xué)方法[1],通過計算地面雨量站雨量樣本序列和雷達(dá)面雨量樣本序列的統(tǒng)計特征量,對比兩者的量值和變化趨勢。

假設(shè)地面雨量站雨量樣本為p,雷達(dá)面雨量樣本為q。對比研究采用的特征量有均值、相對誤差和平均相對誤差。為避免微弱降水的不確定性,只計算雨量站雨量大于0.7mm[1]的樣本(有效數(shù)據(jù))。

均值分別為地面雨量站所有雨量樣本的算數(shù)平均值P和雷達(dá)所有雨量樣本的算數(shù)平均值Q。

相對誤差是指雷達(dá)面雨量與地面雨量站雨量的偏差和地面雨量站雨量的比值,公式為

為避免在計算平均相對誤差過程中正負(fù)偏差抵消,無法反映降水估測方法的真實效果,在計算平均偏差時,使用平均絕對偏差,則平均相對誤差的計算公式為

當(dāng)Re≥1時,取Re=1。

4 結(jié)果分析

此次對比共獲取雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù)和地面雨量站數(shù)據(jù)397556對,其中有效數(shù)據(jù)7771對,僅占處理總數(shù)據(jù)量的19.55%,全省各雷達(dá)站雷達(dá)面雨量均值和地面雨量站小時雨量均值的平均相對誤差為54.53%,說明誤差明顯(表2)。

為了分析雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù)與地面雨量站1h降水量的關(guān)系,以地面雨量站1h降水量(0.7, 10]、(10,20]、(20,30]mm為區(qū)間進(jìn)行雨量分級,并分別計算3個區(qū)間內(nèi)各雷達(dá)站的平均雷達(dá)面雨量與對應(yīng)地面站的平均小時雨量的相對誤差(簡稱相對誤差,下同)。由表3可看出, (0.7,10]mm量級范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)為7086對,占總有效數(shù)據(jù)量的91.19%；其它兩個范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)對明顯偏少。對應(yīng)(0.7,10]、(10,20]、(20,30]mm量級的全省地面雨量站平均小時雨量分別為2.46、13.21、22.77mm,雷達(dá)平均面雨量分別為3.61、5.09、6.62mm,相對誤差分別為46.78%、-61.46%、-70.91%。

表2 陜西各雷達(dá)站雷達(dá)面雨量數(shù)據(jù)和地面雨量站1h降水量數(shù)據(jù)及其誤差

在全省范圍內(nèi),雨量站小時雨量為(0.7, 10]mm時,相對誤差為正值,即雷達(dá)面雨量大于地面雨量站雨量；雨量站小時雨量在 (10, 20]、(20,30]mm兩個區(qū)間內(nèi)時,相對誤差均為負(fù)值,即雷達(dá)面雨量小于地面雨量站。

各雷達(dá)站在不同雨強(qiáng)區(qū)間內(nèi)的相對誤差也不相同,在雨量站小時雨量(0.7,10]mm區(qū)間內(nèi),寶雞、安康雷達(dá)相對誤差的絕對值較小,均在10%以下,漢中次之,雷達(dá)雷達(dá)OHP產(chǎn)品在業(yè)務(wù)中可以參照使用；榆林和延安的相對誤差均大于100%。在(10,20]mm、(20,30]mm兩個雨量區(qū)間內(nèi),榆林雷達(dá)站相對誤差的絕對值較小,西安雷達(dá)站次之,其余站相對誤差均≤-50%,雷達(dá)OHP產(chǎn)品可信度大幅降低。

5 結(jié)語

通過分析初步了解了雷達(dá)雨量估測產(chǎn)品的準(zhǔn)確度,為其定量化應(yīng)用提供指導(dǎo),但由于樣本太少,結(jié)論有一定的局限性。后期可考慮季節(jié)、降水類型、地形等條件進(jìn)一步開展檢驗,增加對比的數(shù)據(jù)量,為預(yù)報和服務(wù)人員提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的雷達(dá)降水產(chǎn)品應(yīng)用檢驗依據(jù)。

表3 陜西各雷達(dá)站在不同雨強(qiáng)量級區(qū)間內(nèi)平均雨量的相對誤差

[1] 李柏.天氣雷達(dá)及其應(yīng)用[M].北京：氣象出版社,2011：187-190.

[2] 俞小鼎,姚秀萍,熊延南,等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用 [M].北京：氣象出版社, 2006：4-16.

[3] 白先達(dá),王艷蘭,孫瑩.雷達(dá)定量測量降水[J].氣象科技,2011,39(1)：62-65.

[4] 高曉榮,梁建茵,李春暉.雷達(dá)定量降水估計技術(shù)及效果評估[J].熱帶氣象學(xué)報,2012,28 (1)：77-88.

P426.6

：B

李成偉,張世昌,劉名,等.CB雷達(dá)OHP產(chǎn)品與雨量計雨量對比分析[J].陜西氣象,2015(4)：39-41.

1006-4354(2015)04-0039-03

2014-07-16

李成偉(1981—),男,漢族,山西沂州人,高工,碩士,主要從事氣象裝備運行保障。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計劃項目(2015M-51)