黃朝盈 張阿思 陳生 胡寶清

摘要 為綜合評估衛(wèi)星和天氣雷達(dá)在2016年6月23日鹽城龍卷風(fēng)期間的強(qiáng)降水過程的降水估測精度，以國家級雨量站觀測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)系數(shù)（CC）、相對誤差（RB）、均方根誤差（RMSE）以及分級評分指標(biāo)，利用S波段的天氣雷達(dá)定量降雨估測產(chǎn)品（RQPE）和全球降水觀測計(jì)劃多衛(wèi)星融合產(chǎn)品（IMERG_FRCal，IMERG_FRUncal，IMERG_ERCal）進(jìn)行比較。結(jié)果表明，雷達(dá)和衛(wèi)星的累積降水量與雨量站的空間相關(guān)性很強(qiáng)（相關(guān)系數(shù)大于0.9），基本上能捕捉到整個降水過程的空間分布。降水主要分布在江蘇省北部，但衛(wèi)星高估了江蘇省東北部強(qiáng)降水中心的降水量;對于小時(shí)時(shí)序區(qū)域平均降水，衛(wèi)星高估了降水，而雷達(dá)低估了累積降水量。綜合降水中心區(qū)域分析，IMERG的強(qiáng)降水區(qū)域降水量與雨量站的時(shí)間序列的偏差顯著;RQPE在降水峰值達(dá)到之前及峰值之后與地面雨量站的變化趨勢基本一致，但對降雨量峰值有明顯的偏低。RQPE能較為準(zhǔn)確地在時(shí)間上捕捉到降雨強(qiáng)度的變化趨勢，但對于大雨及暴雨的估測能力不佳;RQPE的POD、SCI值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IMERG， FAR也較小。IMERG幾乎未能監(jiān)測到強(qiáng)降水的發(fā)生?？傮w上，RQPE對此次龍卷風(fēng)強(qiáng)降水量的估測表現(xiàn)優(yōu)于3種IMERG產(chǎn)品，特別是在捕捉強(qiáng)降水區(qū)域的空間分布方面，但對于強(qiáng)降水的估測能力仍需進(jìn)一步改善。

關(guān)鍵詞鹽城龍卷風(fēng);天氣雷達(dá);IMERG;定量降水估測;精度分析

我國是一個自然災(zāi)害頻發(fā)的國家。在各類自然災(zāi)害中，氣象災(zāi)害占70%以上（劉彤和閆天池，2011）。龍卷風(fēng)是一種小范圍的強(qiáng)烈旋風(fēng)，是積雨云（或發(fā)展很盛的濃積云）底盤旋下垂的一個漏斗狀云體（薛德強(qiáng)和李長軍，2002），是破壞力最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一。在我國龍卷風(fēng)有兩個高發(fā)地帶，一個是在長江三角洲和蘇北平原至黃淮海平原一帶，另一個是廣東和廣西一帶。江蘇省位于我國龍卷風(fēng)高發(fā)地帶，易發(fā)生災(zāi)害性的龍卷風(fēng)（魏文秀和趙亞民，1995）。許遐禎等（2009）利用1956至2005年共50 a的氣象數(shù)據(jù)對江蘇省境內(nèi)發(fā)生的龍卷風(fēng)進(jìn)行了詳細(xì)的分類和評估，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明江蘇地區(qū)龍卷風(fēng)發(fā)生頻繁，平均每年可發(fā)生21.4次龍卷風(fēng)。2016年6月23日14時(shí)30分左右，我國江蘇省鹽城市阜寧、射陽部分地區(qū)遭受強(qiáng)龍卷風(fēng)襲擊，災(zāi)害造成99人死亡，846人受傷，超過2 000棟房屋被損壞，4.55萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失近50億元（http：//www.bjnews.com.cn/news/2016/06/26/407844.html）。此次龍卷風(fēng)冰雹重大災(zāi)害被專家組評定為EF4級龍卷風(fēng)，接近最高級別EF5級，風(fēng)力超過17級。龍卷風(fēng)的形成機(jī)理和預(yù)報(bào)預(yù)警成為當(dāng)前我國氣象領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

天氣雷達(dá)是對災(zāi)害性天氣最為有效的觀測手段，可以提供降水過程的時(shí)間和空間信息（張樂堅(jiān)等，2012）。20世紀(jì)60年代，天氣雷達(dá)在氣象部門投入業(yè)務(wù)使用。美國率先于1988年開始布設(shè)多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)，我國在1999年開始安裝運(yùn)行第一部天氣雷達(dá)，此后開始部署中國新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)。由于新一代天氣雷達(dá)具有在線實(shí)時(shí)定標(biāo)、全自動體掃描工作模式、較合理的地物雜波抑制以及科學(xué)的產(chǎn)品計(jì)算等特點(diǎn)，使得在定量降水估測以及對大尺度、中尺度天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、演變監(jiān)測能力方面得到很大的提高，在社會各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而定量降雨估測是天氣雷達(dá)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一（李柏等，2013）。

衛(wèi)星是除了天氣雷達(dá)之外對災(zāi)害性天氣進(jìn)行全球尺度觀測最為有效的手段。衛(wèi)星觀測具有全天候、大尺度以及時(shí)間連續(xù)性等優(yōu)勢?；谛l(wèi)星的定量降水估測（QPE）產(chǎn)品是衛(wèi)星從地球上空獲得大范圍地表降水信息的降水產(chǎn)品，由于其空間的覆蓋性和連續(xù)性，其在氣象估測、研究和災(zāi)害預(yù)警方面起到了越來越重要的作用。紅外（Infrared，簡稱IR）和微波傳感器（Passive Microwave，簡稱PMW）被廣泛用于估算地面降雨量。多年來，學(xué)者開展了基于IR和PMW傳感器定量反演降水量的有效探索（Barrett and Beaumont，1994;You et al.，2011）。

針對鹽城龍卷風(fēng)帶來的強(qiáng)降水過程，本研究利用江蘇省7部多普勒S波段天氣雷達(dá)，進(jìn)行定量降水估測研究，同時(shí)以國家氣象局研發(fā)的衛(wèi)星和地面雨量站觀測的融合產(chǎn)品降水量為基準(zhǔn)，采用統(tǒng)計(jì)和分析等方法，評估全球降水測量計(jì)劃（GPM）的多衛(wèi)星融合降水產(chǎn)品和雷達(dá)估測的降雨精度，揭示衛(wèi)星和地面雷達(dá)觀測對龍卷風(fēng)等災(zāi)害性天氣的觀測能力，為衛(wèi)星和雷達(dá)降水產(chǎn)品的開發(fā)者和用戶提供有益的參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域如圖1所示，是地處中國大陸東部沿海地區(qū)的江蘇省，地跨116°18′～121°57′E、30°45′～35°20′N。江蘇省是中國地勢最低的省之一，平原占80%以上，是江淮平原和黃淮平原的主要分布區(qū)，少部分低丘陵地區(qū)集中在江蘇省的西南部。江蘇省地勢平坦水網(wǎng)稠密，并且處于亞熱帶和暖溫帶的氣候過度地帶，受季風(fēng)和臺風(fēng)影響較大，降雨豐沛，易發(fā)生極端降水事件，造成洪澇災(zāi)害。由于來自北方的干冷空氣和南方的濕冷空氣交匯影響，同時(shí)地勢平坦，利于對流天氣系統(tǒng)的形成，導(dǎo)致該地區(qū)成為我國龍卷風(fēng)的高發(fā)地帶。

1.2 多普勒天氣雷達(dá)降水?dāng)?shù)據(jù)

利用2016年6月23日江蘇省6部S波段的多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD-SA）原始體掃描資料對此次龍卷風(fēng)降雨進(jìn)行定量估測，雷達(dá)具體參數(shù)如下表1所示。S波段雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)主要包括：反射率（ZH），徑向速度（V），譜寬（SW）。具體信息如表1所示。

1.3 GPM衛(wèi)星估測降水?dāng)?shù)據(jù)

全球降水測量計(jì)劃（GPM，Global Precipitation Measurement）是美國宇航局繼熱帶降水測量計(jì)劃（Tropical Rainfall Measuring Mission，TRMM）之后的全球衛(wèi)星降水測量產(chǎn)品，是目前常用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品（方勉等，2019）。GPM多衛(wèi)星降水融合產(chǎn)品（Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM，IMERG）是GPM數(shù)據(jù)處理的三級格點(diǎn)降水產(chǎn)品，空間分辨率為0.1°×0.1°，時(shí)間分辨率為30 min。根據(jù)滯后時(shí)間的長短，IMERG有3種不同的降水產(chǎn)品，包括滯后4 h未經(jīng)雨量站誤差訂正的準(zhǔn)實(shí)時(shí)產(chǎn)品（Early run）、滯后12 h的后期（Late run）以及經(jīng)過雨量站誤差訂正的最終（Final run）產(chǎn)品。比較3種不同的降水產(chǎn)品：采用準(zhǔn)實(shí)時(shí)產(chǎn)品中經(jīng)過氣候參數(shù)校正降水產(chǎn)品（IMERG_ERCal），經(jīng)過雨量站誤差訂正的最終降水產(chǎn)品（IMERG_FRCal）及未經(jīng)訂正的最終降水產(chǎn)品（IMERG_FRUncal）。

1.4 融合衛(wèi)星-雨量站數(shù)據(jù)

本文采用的參考標(biāo)準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)是國家地面雨量站與衛(wèi)星定量降水估計(jì)產(chǎn)品CMORPH融合的逐小時(shí)降水產(chǎn)品（以下簡稱CMORPHGC），空間分辨率是0.1°×0.1°。CMORPH數(shù)據(jù)NOAA氣候預(yù)測中心（Climate Prediction Center，CPC）開發(fā)的衛(wèi)星降水產(chǎn)品，地面雨量站降水?dāng)?shù)據(jù)則來自我國已經(jīng)建立的30 000余座自動觀測站。研究表明，經(jīng)融合后的降水產(chǎn)品顯著減少了系統(tǒng)誤差，在我國雨量計(jì)密集的東部沿海區(qū)域產(chǎn)品質(zhì)量較好，能準(zhǔn)確捉住強(qiáng)降水的空間分布與時(shí)間變化，在對短時(shí)強(qiáng)降水的季節(jié)和日變化上和國家級氣象觀測站逐時(shí)地面降水資料反映的特征基本一致，能達(dá)到對強(qiáng)對流天氣過程的監(jiān)測和服務(wù)需求（沈艷等，2013;周璇等，2015）。

2 方法

2.1 分析方法

以CMORPHGC為基準(zhǔn)，采用相對偏差（RB）、均方根誤差（RMSE）、相關(guān)系數(shù)（CC）、命中率（POD）、誤報(bào)率（FAR）、成功率（CSI）等指標(biāo)（Chen et al.，2013a，2013b），對雷達(dá)和3種IMERGE降水產(chǎn)品的精度進(jìn)行分析。

2.2 基于雷達(dá)的降雨定量估測方法

2.2.1 質(zhì)量控制

雷達(dá)的掃描模式受到地形的影響，尤其是低仰角的掃描。目前我國業(yè)務(wù)運(yùn)行的天氣雷達(dá)的降水估測方法中未有對地形遮擋的預(yù)處理（王紅艷和劉黎平，2015），因此在考慮雷達(dá)定量降水估測研究中，對雷達(dá)進(jìn)行地形遮擋分析至關(guān)重要。本研究中對被遮擋的雷達(dá)采用組合掃描反射率的方法，例如第一層掃描仰角的雷達(dá)反射率因子被山體或建筑物遮擋，即用第二層掃描仰角的雷達(dá)反射率因子代替第一層仰角的雷達(dá)反射率因子。以此類推，直至雷達(dá)波束不被遮擋。

天氣雷達(dá)因?yàn)槭艿接布矫娴挠绊?，在?jì)算降雨量前，對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的質(zhì)量控制，消除非降水回波對降水估測的干擾（Zhang et al.，2005）。利用Zhang et al.（2004）的算法，采用VDZ區(qū)分雷達(dá)降水回波和非降水回波。

2.2.2 降雨類型

利用Z-R關(guān)系反演雷達(dá)降水量是現(xiàn)今定量估測降雨量最為常用的方法之一，依據(jù)不同降雨類型以及地理位置選擇合適的Z-R關(guān)系是提高Z-R關(guān)系降雨估測精度的關(guān)鍵。相關(guān)研究（Chandrasekar et al.，2003）表明，對降雨區(qū)域區(qū)分不同的降雨類型，針對不同的降水類型應(yīng)用不同的Z-R關(guān)系可以提高雷達(dá)定量降雨估測的精度。本研究通過計(jì)算垂直累積可降水量（Vertical Integrated Liquid water content，VIL）來劃分降雨類型（Zhang and Qi，2010）。判斷對流降雨和層流降雨的閾值參考美國新一代天氣雷達(dá)（Zhang et al.，2011），垂直累積可降水量大于6.5 kg/m2判斷為對流性降水，反之為層狀云降水。相關(guān)研究表明，龍卷風(fēng)強(qiáng)降水中通常會含有冰雹。本文以垂直累積可降水量密度（VILD，Vertical Integrated water Liquid content Density）大于1 m/g3為閾值，將大于1 m/g3的VILD值判斷為冰雹（Amburn and Wolf，1997）。

圖2是根據(jù)VIL得到的降雨類型，由圖2a可以判斷，VIL大于6.5 kg/m2的區(qū)域被判斷為對流雨區(qū)域，圖2b中對應(yīng)的VILD大于1 g/m3區(qū)域則被判斷為冰雹。

2.2.3 Z-R關(guān)系選取

對此次龍卷風(fēng)強(qiáng)對流降雨的結(jié)果進(jìn)行降雨類型的分類后，應(yīng)用Z-R關(guān)系反演雷達(dá)降水。本研究參考Zhang and Qi（2010）的算法，應(yīng)用不同的Z-R關(guān)系反演降水，以下雷達(dá)降水產(chǎn)品簡稱RQPE。

對流性降水（Fulton et al.，1998）：Z=300R1.4。

層狀云降水（Marshall et al.，1955）：Z=200R1.6。

冰雹（王彬和張健，2014）：Z=75R2.0。

國內(nèi)已有相關(guān)的研究成果，李哲（2015）分別對層狀降水和對流降水采用不同的Z-R關(guān)系，表明降雨類型識別及匹配局地的Z-R關(guān)系式將有助于提高估測精度。

2.2.4 雷達(dá)組網(wǎng)拼圖

通常用極坐標(biāo)系存儲雷達(dá)原始觀測值，為了能與其他氣象觀測數(shù)據(jù)或者是組合多部雷達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基于網(wǎng)格化的笛卡爾坐標(biāo)被廣泛采用。為了便于多部雷達(dá)觀測進(jìn)行拼接分析，常用的插值法包括：1）最鄰近法（Jorgensen et al.，1983），2）線性插值法（Fulton et al.，1998），3）Cressman加權(quán)方案（Weygandt et al.，2002），4）巴恩斯或指數(shù)加權(quán)方案（Shapiro et al.，2003）等。地面固定的單部雷達(dá)的探測范圍有限，不足以覆蓋更大尺度的天氣系統(tǒng)（肖艷姣和劉黎平，2006），為了獲取更多的降雨信息，綜合考慮多種因素對雷達(dá)反射率因子的影響，確保任意兩部雷達(dá)之間都存在共同覆蓋區(qū)域。自20世紀(jì)60年代以來，中外學(xué)者都對基于雷達(dá)反射率因子的雷達(dá)拼圖進(jìn)行了相關(guān)研究。白玉潔等（2012）利用廣州和深圳的多普勒雷達(dá)進(jìn)行三維格點(diǎn)拼圖，完整地記錄了0606號臺風(fēng)“派比安”的登陸過程和影響范圍。本文采用Zhang et al.（2005）的拼圖方法，對雷達(dá)的第一仰角和3 km以下的雷達(dá)反射率因子計(jì)算得到的降雨率進(jìn)行組網(wǎng)拼圖。

3 結(jié)果分析

3.1 雷達(dá)觀測結(jié)果

圖3是2016年6月23日08：30（世界時(shí)，下同）龍卷風(fēng)發(fā)生時(shí)的雷達(dá)反射率因子及徑向速度。此次龍卷風(fēng)超級單體形成于一條高空槽的槽前，該高空槽處于東北冷渦環(huán)流并向西南延伸。超級單體形成于一條東南-西北走向的颮線南端，而該颮線形成于一條西南-東北走向的冷鋒線狀對流帶的前方暖區(qū)內(nèi)。圖3a黑色小框中的回波呈現(xiàn)明顯的鉤狀形狀，這是龍卷風(fēng)出現(xiàn)時(shí)雷達(dá)典型的回波形狀，此時(shí)反射率因子達(dá)到50～60 dBz。周后福等（2014）的研究表明，在龍卷發(fā)生前后分別有氣旋性和切變線風(fēng)，因?yàn)榈孛嬗袣庑惋L(fēng)切變，易在近地層導(dǎo)致風(fēng)場輻合，觸發(fā)強(qiáng)勁上升氣流的龍卷天氣產(chǎn)生。圖3b的白色小框是TVS渦旋，在龍卷風(fēng)發(fā)生的地區(qū)，沿著雷達(dá)的方位角方向，相鄰的兩個像素之間存在強(qiáng)烈的速度切變，是典型的龍卷渦旋特征（Tornadic Vortex Signature，簡稱TVS）（Brown et al.，1978）。

3.2 日累積降水時(shí)空分布

圖4是2016年6月23日00：00至23：00不同降雨產(chǎn)品日累積降雨量的空間分布。從圖4可以看出，基于衛(wèi)星和雷達(dá)觀測的定量估測產(chǎn)品基本上都能捕捉到降水的空間分布。但是，與地面觀測結(jié)果（圖4a）比較，空間分布最為吻合的是基于雷達(dá)觀測的定量降水估計(jì)（圖4b）。圖4a白色框內(nèi)的區(qū)域是此次強(qiáng)降雨過程的中心，雷達(dá)的降雨中心與地面觀測結(jié)果基本一致。相比之下，IMERG降水產(chǎn)品（圖4c、d、e）雖然能捕捉到與CMORPHGC較相似的強(qiáng)降水區(qū)域，但明顯高估了江蘇省東北部的降水量。表明雷達(dá)和衛(wèi)星都能捕捉到與CMORPHGC一致的強(qiáng)降水中心，但I(xiàn)MERG高估了強(qiáng)降水的降雨量?？赡茉蚴牵?）由于龍卷風(fēng)中心區(qū)域氣流的快速上升，抑制雨滴的降落，而龍卷風(fēng)的外圍區(qū)域（即江蘇的北部）由于氣流的輻合上升，是強(qiáng)降水的降落地區(qū)。這與臺風(fēng)帶來的降水類似，臺風(fēng)中心（臺風(fēng)眼）經(jīng)過的地方在臺風(fēng)經(jīng)過時(shí)降水很少，但臺風(fēng)東北側(cè)的外圍螺旋雨帶是強(qiáng)降水區(qū)域;2）此次極端強(qiáng)降水中心活躍在北部，與淮北地形緊密相關(guān)。因淮北地形東部低，西部及北部漸高，近地面氣流輻合對局地強(qiáng)降水起到了增幅的作用（吳海英等，2015）。任英杰等（2019）通過評估多版本的IMERG降水產(chǎn)品在中國大陸地區(qū)的精度，認(rèn)為IMERG降水反演對中國地區(qū)的高雨強(qiáng)仍存在極大的不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為對極端強(qiáng)降水的捕捉監(jiān)測能力不足和高估現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步定量比較不同降水產(chǎn)品的測量精度，下面僅對有雨量站的格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖5是不同降水產(chǎn)品和地面雨量站比較的散點(diǎn)圖和RB、RMSE以及CC的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可明，RQPE與CMOPRHGC的相關(guān)性最高（相關(guān)系數(shù)0.93），能較好地反映強(qiáng)降雨的空間分布及降雨強(qiáng)度的變化。IMERG降水產(chǎn)品的CC相差不大，均在0.9左右，與雨量站的空間一致性都略低于雷達(dá)產(chǎn)品。從RB指數(shù)分析，雷達(dá)低估了降雨量（-16.21%），而IMERG則高估了降雨量，偏差最為突出的是IMERG_ERCal，RB值達(dá)到29.57%，其中IMERG_FRCal（RB為22.98）和IMERG_FRUncal（RB為28.97%）的RB值也超過了20%。通過對三種IMERG產(chǎn)品結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，RMSE值最大的IMERG_FRUncal（18.12 mm）， 而IMERG_FRUncal（RB為28.97%）的RB值也超過了20%。說明經(jīng)過地面雨量站校正的IMERG在偏差上有了輕微的改善，但三者的RMSE值仍是高于RQPE（RMSE為10.93 mm）。表明經(jīng)過IMERG產(chǎn)品還存在較明顯的系統(tǒng)誤差，基于紅外和微波觀測進(jìn)行的降水反演算法以及基于月雨量站數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品的誤差訂正算法仍有很大的改進(jìn)空間。

3.3 降水時(shí)間變化

圖6顯示的是僅有雨量站的CMORPHGC、IMERG和RQPE格點(diǎn)數(shù)據(jù)的每小時(shí)區(qū)域平均降水量，圖6a是江蘇省整個研究區(qū)的每小時(shí)平均降水量時(shí)間序列，圖6b是降水中心的每小時(shí)平均降水量時(shí)間序列。在圖6a中，降水量的峰值出現(xiàn)在07—15時(shí)，在峰值出現(xiàn)前期，RQPE與雨量站的降水量趨勢變化基本一致，能較好捕捉到降雨的時(shí)間變化。但RQPE從05時(shí)開始到12時(shí)存在明顯低估降水的現(xiàn)象，低估現(xiàn)象一直持續(xù)到降水量回落，未能準(zhǔn)確地估測強(qiáng)降雨的變化。而IMERG的降水產(chǎn)品對于峰值前期的弱降水也能較為準(zhǔn)確地觀測到，與地面觀測結(jié)果的時(shí)序變化基本吻合，能捕捉到降雨量的峰值，但顯著高估了峰值的降雨量。圖6b中RQPE低估了峰值的降水量，其他時(shí)刻與雨量站的降雨量變化基本保持一致。相比之下，IMERG則始終高估降水區(qū)域的降水峰值，在07時(shí)后呈現(xiàn)顯著高估（RB值為24.83%～33.45%），表明衛(wèi)星未能準(zhǔn)確捕捉到強(qiáng)降水中心隨時(shí)間的變化特征。IMERG降水產(chǎn)品在強(qiáng)降水區(qū)域的降水時(shí)序變化較整個研究區(qū)降水量的時(shí)序變化出現(xiàn)了明顯差異。原因可能是龍卷風(fēng)強(qiáng)氣流對降水粒子的相態(tài)、密度和形狀造成影響，從而導(dǎo)致星載降水雷達(dá)的PR算法產(chǎn)生誤差，影響了星載雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)的衰減、校正以及降水估算方法（Iguchi et al.，2009）。

3.4 概率分布

為了詳細(xì)分析雷達(dá)和衛(wèi)星對不同降水強(qiáng)度監(jiān)測能力的差異性，采用不同降雨率的發(fā)生率（CDFc）和不同降水率累積降水量占總降水量的百分比（CDFv）分析，僅對有一個或以上的雨量站的格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，且只有當(dāng)同時(shí)被CMORPHGC、雷達(dá)和3個IMERG產(chǎn)品都檢測為有降水的發(fā)生時(shí)才進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，降水率間隔為0.1 mm/h。圖7a顯示的是不同降水產(chǎn)品在不同降水率下監(jiān)測的概率分布情況。在降雨率大于3 mm/h及小于32 mm/h的降水率區(qū)間，雷達(dá)的CDFc值略高于雨量站數(shù)據(jù)。而IMERG的CDFc曲線從0.2 mm/h開始就比雷達(dá)和CMORPHGC的低，表明IMERG降水產(chǎn)品高估了此次強(qiáng)降水。

RQPE的CDFv值變化規(guī)律與CMORPHGC的基本一致，但從2 mm/h后，CDFv值始終略高于CMORPHGC。代表著RQPE低估大雨及暴雨的（>5 mm/h）降水量，這也是此次雷達(dá)低估強(qiáng)降水的主要表現(xiàn)之一。而IMERG對強(qiáng)降水的表現(xiàn)則與雷達(dá)存在差異，IMERG對小于1 mm/h的降水估測與雷達(dá)和雨量站的偏差不大，但高估了1～16 mm/h降水率區(qū)間的降水。其中，當(dāng)降水率大于16 mm/h時(shí)，IMERG final run產(chǎn)品的CDFv曲線表現(xiàn)出貼近雷達(dá)和CMORPHGC曲線的趨勢，但I(xiàn)MERG_ERCal產(chǎn)品則呈現(xiàn)明顯遠(yuǎn)離雷達(dá)和雨量站曲線的趨勢，這也證明了衛(wèi)星反演降水經(jīng)過地面雨量站的月尺度數(shù)據(jù)的校正，其精度有了輕微改善。

3.5 POD，CSI，F(xiàn)AR分析

圖8是各種降水產(chǎn)品的常用評分分析結(jié)果。其中POD表示命中率，CSI表示成功率，F(xiàn)AR表示誤報(bào)率。以地面雨量站觀測值為基準(zhǔn)，RQPE的POD值、CSI值和FAR值的表現(xiàn)都優(yōu)于衛(wèi)星降水產(chǎn)品。RQPE的POD、CSI的最低值以及FAR的最高值都出現(xiàn)在40～45 mm/h的降水率區(qū)間，POD下降到22%左右，CSI低于20%，F(xiàn)AR超過80%。3種IMERG降水產(chǎn)品對降水率的監(jiān)測表現(xiàn)都比較接近，幾乎監(jiān)測不到大于40 mm/h降水的發(fā)生，成功率也幾乎為0，F(xiàn)AR值也接近100%。3種IMERG降水產(chǎn)品橫向比較，當(dāng)降雨率在18～40 mm/h區(qū)間時(shí)，IMERG Final run產(chǎn)品的表現(xiàn)略優(yōu)于IMERG_ERCal，但仍存在不足之處。IMERG Final run產(chǎn)品的呈現(xiàn)CSI增長和FAR下降的趨勢，但POD評分也較低。江蘇省是典型的平原地區(qū)，夏季降水豐沛，整體呈現(xiàn)降水趨勢由南向北遞減?；谠路治霎a(chǎn)品的誤差訂正算法，在夏季誤差總體較大（孫振利等，2017）。

4 結(jié)論和討論

本研究評估多普勒S波段單偏振天氣雷達(dá)和3種IMERG降水產(chǎn)品在江蘇省鹽城龍卷風(fēng)強(qiáng)降水過程中的誤差。此次龍卷風(fēng)對江蘇省強(qiáng)降水量測量結(jié)果以國家氣象局開發(fā)的衛(wèi)星和地面雨量站觀測的融合產(chǎn)品CMORPHGC為基準(zhǔn)，綜合定量分析指數(shù)（CC、RB、RMES等）對分辨率為0.1×0.1的4種降水產(chǎn)品進(jìn)行綜合評估，分析其對強(qiáng)降水的監(jiān)測能力。主要結(jié)論如下：

1）針對日累積降水量而言，四種降水產(chǎn)品都能反映此次龍卷風(fēng)強(qiáng)降水事件的空間特征，能抓住整個降水過程的強(qiáng)降水中心。其中RQPE和CMORPHGC的空間分布格局，具有很高的相關(guān)性（CC為0.98），降水區(qū)域主要集中在江蘇省北部。

2）對于小時(shí)時(shí)序的區(qū)域降水變化，IMERG和RQOE基本能反映整個江蘇省的降雨強(qiáng)度的時(shí)序變化趨勢，但雷達(dá)和IMERG的表現(xiàn)具有差異較大，雷達(dá)低估了峰值降雨量，而IMERG顯著高估了降雨量。綜合降水中心區(qū)域分析，IMERG顯著高估了中心區(qū)域的降水量，反映出IMERG的強(qiáng)降水區(qū)域降水與雨量站的時(shí)間序列存在顯著偏差。RQPE在降水峰值達(dá)到之前及峰值之后與地面雨量站的變化趨勢基本一致，但對降水量峰值（07—12時(shí)）有明顯的低估。RQPE能較為準(zhǔn)確地在時(shí)間上捕捉到降雨強(qiáng)度的變化趨勢，但對于大雨及暴雨（>5 mm/h）的估測能力不佳。

3）IMERG產(chǎn)品對與此次龍卷風(fēng)強(qiáng)降水的探測發(fā)生率POD都不高，當(dāng)降水率大于10 mm/h時(shí)，誤報(bào)率FAR曲線始終高于雷達(dá)，成功率CSI對大于40 mm/h的降水發(fā)生的探測準(zhǔn)確率較低。三者的變化趨勢基本一致，對強(qiáng)降水發(fā)生的探測準(zhǔn)確度較低，表明衛(wèi)星降水產(chǎn)品對龍卷風(fēng)極端強(qiáng)降水的反演誤差較大。

上述研究表明，天氣雷達(dá)對此次強(qiáng)降水的估測精度高于IMERG，在中小尺度區(qū)域降水的時(shí)空變化監(jiān)測中展現(xiàn)了一定的優(yōu)越性，能追蹤到強(qiáng)降水的動態(tài)變化趨勢，但對于強(qiáng)降水的估測仍存在低估降水量的問題，該地區(qū)反演雷達(dá)降水的Z-R關(guān)系式需要進(jìn)一步的改善。隨著我國天氣雷達(dá)網(wǎng)升級改造為雙偏振天氣雷達(dá)，預(yù)計(jì)升級后的雙偏振雷達(dá)網(wǎng)能進(jìn)一步提高對強(qiáng)降水過程的監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警，提高降水估計(jì)的精度。IMERG產(chǎn)品都能捕捉到小時(shí)時(shí)序的區(qū)域平均降水變化，表明基于地球外圍觀測的衛(wèi)星產(chǎn)品能追蹤到極端降水的時(shí)間變化趨勢，在降水空間分布和降水量估測上對龍卷風(fēng)強(qiáng)降水存在誤差?？赡苁且?yàn)榈孛纨埦盹L(fēng)強(qiáng)上升氣流的影響，降水粒子的相態(tài)、密度和形狀都發(fā)生了變化，衛(wèi)星整體高估了強(qiáng)降水區(qū)域的降水量。

致謝：NASA提供了IMERG資料的在線下載服務(wù)。

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Inter-comparison of rainfall estimates from radar，satellite and gauge during the Yancheng Tornado

HUANG Chaoying1，2，ZHANG Asi1，2，CHEN Sheng1，2，HU Baoqing3

1School of Atmospheric Sciences，Sun Yat-sen University，Zhuhai 519000，China;

2Key Laboratory of Tropical Atmosphere-Ocean System（Sun Yat-sen University），Minstry of Education，Zhuhai 519000，China;

3Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf（Nanning Normal University），Ministry of Education，Nanning 53000，China

The study evaluates the rainfall estimates from ground radar network against Early and Final Run Integrated Multi-Satellite Retrievals for Global Precipitation Mission （IMERG） during an extreme precipitation storm over Yancheng Tornado on June 23，2016.The statistics indexes used in this study were as follows：correlative coefficient （CC），relative bias （RB） and root mean square error （RMSE），probability of detection （POD），critical success index （CSI） and false alarm ratio （FAR）.From the results，the following were shown：1）the radar quantitative precipitation estimates （RQPE） and three IMERG can all capture the spatial pattern of storm cumulative rainfall with high CC from 0.91—0.98，and the RQPE was highly correlated with the gauge measurement （CC～0.98）;2）the radar and satellite products can capture the rainfall center in Jiangsu Province;3）all the satellite products significantly overestimated the hourly area-mean cumulative precipitation from 46.32% to 60.11%， thus indicating a significantly deviation between the time series of IMERG and observation in the heavy rain storm;4）the RQPE agrees well with the trend of gauge observations before and after the peaks of rainfall，yet underestimates the maximum rainfall;5）the RQPE can effectively capture the trend of rainfall intensity in terms of space and time，but performs less effectively in estimating heavy rain and torrential rain （>5 mm/h）;and 6）the POD，CSI and FAR values of RQPE are much higher than IMERG.IMERG can barely detect the occurrence of heavy precipitation （40 mm/h），while RQPE has the lowest value in the range of 40～45 mm/h.Overall，the radar outperforms the satellite in estimating precipitation during extreme rainfall storms，yet still requires improvement to capture the intensive rainfall peaks.

tornado;GPM;weather radar;quantitative precipitation estimation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20181027001

（責(zé)任編輯：劉菲）