通过VPR订正技术提高雷达定量降水估计能力

摘要

本文主要通过设计不同的垂直反射率廓线(VPR)订正方案来订正不同类型降水和不同地形影响下雷达定量降水估计,以提高雷达定量降水估计的准确度。同时本文的研究内容主要包括以下几个方面:首先,主要开发了一个似垂直反射率廓线(AVPR)订正算法,主要性能是消除亮带给雷达定量降水估计带来的误差。
　　该订正方法主要基于WSR-88D观测到的似垂直反射率廓线(AVPR), AVPR由每个仰角的亮带区域反射率场计算得到。利用最小二乘线性拟合的方法根据AVPR计算出一个线性VPR模型,并且利用计算得到的线性模型去订正亮带影响的反射率区域。
　　通过八个来自美国不同区域和季节的强降水个例检验了该AVPR订正算法的性能,并且发现拟合得到的线性VPR模型可以稳定有效的描述千变万化的亮带结构。所有个例显示受亮带影响的强反射率被成功的减小,并且保持反射率场在空间上连续分布。由亮带造成的降水估计误差,经过AVPR订正之后有效的得到减小,并且订正之后的雷达估计降水与地面雨量计观测雨量具有很好的一致性。
　　由于平原地区层状云降水在空间上具有很好的均一性,AVPR订正方法在平原地区表现得更加有效且具有生命力。而对于山区的雷达定量降水估计,该方法的订正性能受到一定程度的限制,这主要由于VPR在空间上分布不均一性导致。其次,当融化层较低或接近地面时,WSR-88D地面雷达无法观测到亮带下半部分的信息,因而不能得到有效而又完整的反射率廓线(VPR)去订正亮带给雷达定量降水估计带来的误差。而该种天气情况下由于亮带距离雷达站很近,雷达波束的宽度较窄,因而观测到的亮带给雷达定量降水估计带来的高估尤其严重。
　　然而要解决这种情况下亮带给雷达定量降水估计带来的严重高估,该部分基于S-band降水廓线雷达数据统计设计了一个寻找亮带底部强度和高度的新办法。根据这些高时空分辨率的垂直反射率廓线数据,统计得到了一个关于亮带峰值和底部的经验关系式。这个经验关系式结合由地面WSR-88D雷达计算得到的似垂直反射率廓线(AVPR)来寻找亮带底部。该AVPR订正方法成功并且有效的削减了亮带给雷达定量降水估计带来的严重高估,并且结果一致表明根据垂直廓线雷达数据统计得到的经验关系式较经验常值(28dBZ)可以更好的描述亮带底部信息。再次,根据中尺度对流系统的层状云降水和对流性降水物理特性差别,利用VIL、综合反射率、两种不同性质降水的垂直结构特征差异、及种子增长方法设计了一套对流性降水和层状云降水分区的算法。
　　同时利用TRMM降水雷达提供的数据,为层状云降水区域反演出一个理想参数化VPR,并且利用反演得到0的参数化VPR去订正亮带给地面雷达定量降水估计带来的误差。实验结果表明,该TRMM VPR订正方法较Zhang and Qi2010(ZQ10)的订正结果更好,订正之后的雷达定量降水估计更加接近地面雨量计观测。最后,主要为加尼福利亚北部地形复杂的山区冷季降水设计了一套雷达定量降水估计算法(VPR订正方法)。
　　该算法包括多个方面的内容:
　　1)鉴别并且去除非降水型回波;
　　2)构建无缝混合反射率;
　　3)应用VPR去订正雷达反射率;和4)利用多种洽当的Z-R关系将反射率转换成降水率。
　　同时,附加了一些部分来描述雷达累计定量降水中存在的一些问题,其中包括:
　　1)风力发电厂的干扰;
　　2)遮挡导致的不连续;
　　3)雷达越过云顶观测所导致的不连续。并且利用NOAA HMT(水文气象研究河床)冬季观测的2005-2006年冬季降水的所有个例来对新开发的雷达降水估计算法进行测试。
　　新的混合仰角方案可以在方位角方向上去除由遮挡所引起的降水不连续分布,该混合方案主要是将两个有效仰角的数据融合到一起。VPR订正方案有效的去除了亮带给雷达定量降水带来的高估,同时也减小了冰区给雷达定量降水带来的低估。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 雷达定量估测降水研究的意义及挑战

1.3 雷达定量估测降水的原理

1.4 雷达定量估测降水的国内外进展

1.5 雷达定量估测降水的方法

1.5.1 平均校正法

1.5.2 最优插值法

1.5.3 变分校正法

1.5.4 自适应卡尔曼滤波算法

1.6 本文拟要解决的关键科学问题

1.7 主要研究的主要内容及章节安排

参考文献

第二章 订正完整亮带给雷达定量降水估计带来的误差

2.1 引言

2.2 亮带对雷达定量降水估计的影响

2.3 似垂直反射率廓线(AVPR)订正方法

2.3.1 对流云和层状云降水分区

2.3.2 识别亮带区域

2.3.3 参数化亮带区域计算得到的似垂直反射率廓线(AVPRs)

2.3.4 利用AVPR对亮带区域做订正

2.3.5 构建混合反射率(hybrid reflectivity)

2.4 实际个例研究分析

2.4.1 亮带靠近地面层状云降水(KUDX)

2.4.2 发生在飑线后方的层状云亮带(KTLX,KSRX,KFWS)

2.4.3 标准层状云亮带(KILN,KPBZ,KCLE)

2.4.4 发生在飓风中的的层状云亮带(KLZK)

2.4.5 山区层状云亮带(KATX)

2.5 统计评分

2.6 结论

参考文献

第三章 订正不完整亮带给雷达定量降水估计带来的误差

3.1 引言

3.2 方法

3.2.1 S-band降水廓线雷达数据分析

3.2.2 利用AVPR订正WSR-88D观测的低亮带反射率回波

3.3 个例分析研究

3.4 结论

参考文献

第四章 利用TRMM VPR订正中尺度对流系统中形成的亮带

4.1 引言

4.2 方法

4.2.1 对流性降水和层状云降水反射率识别

4.2.2 似垂直反射率廓线订正方法(Apparent VPR correction)

4.3 实验结果分析

4.4 结论和未来研究工作

参考文献

第五章 复杂地形影响下冷季雷达定量降水估计

5.1 引言

5.2 实验数据及研究区域

5.3 方法

5.3.1 雷达反射率质量控制(QC)

5.3.2 似垂直反射率廓线(AVPR)订正

5.3.3 生成混合雷达反射率

5.3.4 混合反射率拼图

5.3.5 空间变化的Z-R关系

5.4 个例研究分析

5.4.1 反射率质量控制的影响

5.4.2 无缝混合反射率和Z-R关系的影响

5.4.3 AVPR订正雷达定量降水估计的影响

5.4.4 空间连续性问题

5.4.5 HMT雷达定量降水与PPS雷达定量降水对比

5.5 结论

参考文献

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究特色与创新

6.3 研究展望

在读期间研究工作情况

发表和完成论文

参加论文

主持和参加科研项目

致谢