OTT Parsivel2激光雨滴譜儀在黔江CD雷達(dá)降水估測中的應(yīng)用

余佳 唐聰 王愛民 謝世容

（1 重慶市黔江區(qū)氣象局，黔江 409000；2 重慶市巴南區(qū)氣象局，巴南 401320）

0 引言

新一代天氣雷達(dá)主要用于監(jiān)測降水和強對流天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變，雷達(dá)監(jiān)測是氣象部門進行短時預(yù)警的重要探測手段之一。黔江雷達(dá)的應(yīng)用對人工影響天氣指揮、強對流天氣監(jiān)測和預(yù)警、短時臨近天氣預(yù)報、重大社會活動氣象保障服務(wù)、渝東南災(zāi)害性天氣區(qū)域聯(lián)防等都方面具有重要的指導(dǎo)作用。

目前，最常用的雷達(dá)定量估測降水方法是

Z

-

I

關(guān)系法，即利用雷達(dá)探測的反射率因子（

Z

，單位mm·m），根據(jù)事先得到的

Z

-

I

關(guān)系推算出降雨強度（

I

，單位mm·h），再計算得到累計降雨量。國內(nèi)外有關(guān)大量雷達(dá)定量估測降水研究工作表明：

Z

-

I

關(guān)系不是固定的，因地形、季節(jié)、降水類型影響而變化的，

A

和

b

值也是變化的，天氣雷達(dá)定量估測降水方法的研究實際上是調(diào)整

Z

-

I

關(guān)系方法的研究。例如，層狀云、對流云等不同類型的降水

Z

-

I

關(guān)系均不相同，冷鋒過境和氣旋等天氣系統(tǒng)的

Z

-

I

關(guān)系存在較大差異，臺風(fēng)降水的

Z

-

I

關(guān)系與其他降水也存在很大不同；即使同一降水過程中，

Z

-

I

關(guān)系也有變化。許多研究對

Z

-

I

關(guān)系都進行了分析調(diào)整并進行降水產(chǎn)品優(yōu)化方法試驗，使降水產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。我國新一代天氣雷達(dá)的降水系列算法中沿用了WSR-88D中設(shè)定的由美國夏季深對流云降水統(tǒng)計得到的

Z

-

I

關(guān)系式

Z=

300

I

。

黔江區(qū)位于我國西南地區(qū)，夏季主要降水的天氣系統(tǒng)以受低渦影響為主，降雨類型以層狀云降雨為主。2019年6月28日黔江區(qū)受低渦影響，出現(xiàn)了一次以層狀云降雨為主的短時強降水天氣過程，主要降雨時段在28日08：00—10：00，普遍降雨量在15～30 mm，主要降雨區(qū)域在黔江北部及中部偏南地區(qū)（圖1），個別地方雨強＞20 mm·h。

圖1 2019年6月28日08：00—10：00黔江區(qū)域降雨量（■為本文所用的對比站）Fig. 1 Rainfall in Qianjiang region at 08:00—10:00 BT on 28 June 2019 (■ indicate the comparison station used in this paper)

從當(dāng)日08時的高空天氣圖上可以看出（圖略），500 hPa受高空槽影響，槽線位于陜南—川東一線，黔江正好位于槽前上升氣流區(qū)；700 hPa切變線正好位于長江沿線，黔江位于切變線前；850 hPa低渦中心在重慶市中部，黔江正好處于低渦中心偏東南的位置，非常有利于輻合上升運動造成較強降雨。此外，中低層700 hPa和850 hPa西南急流已經(jīng)建立，特別是850 hPa上湖南懷化站的風(fēng)速達(dá)到18 m/s且向北的分量較大，有利于位于其北部重慶東南部地區(qū)水汽的聚集。高中低層相互配合產(chǎn)生了較強的輻合上升運動，西南急流帶來了充沛的水汽條件，是造成黔江該時段短時強降水產(chǎn)生的背景條件。這次強降水過程的天氣系統(tǒng)，是黔江夏季主要的降水影響系統(tǒng)，天氣形勢也與大多數(shù)降水過程相似。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，社會對精細(xì)化天氣預(yù)報的需求越來越高，怎樣努力提高雷達(dá)定量降水預(yù)報準(zhǔn)確率從而提高天氣預(yù)報精準(zhǔn)度是一項重要的研究課題。利用6月28日黔江區(qū)主要降雨時段OTT Parsivel激光雨滴譜儀資料和天氣雷達(dá)資料，模擬

Z

-

I

關(guān)系推算降雨強度，并進行對比分析，以便于在短時強降水天氣過程中更好地利用雨滴譜儀資料在雷達(dá)降水估測中的應(yīng)用，較為準(zhǔn)確地定量估測降雨強度和區(qū)域降雨量，對做好精細(xì)化預(yù)報、有針對性地開展氣象服務(wù)具有重要意義。

1 儀器設(shè)備與觀測點

1.1 新一代天氣雷達(dá)

黔江新一代天氣雷達(dá)，位于黔江八面山中山頂、海拔1690.3 m，是一部采用全相參技術(shù)的多普勒C波段天氣雷達(dá)，測量半徑200 km，文中所用資料庫長250 m。圖2是黔江雷達(dá)60 km探測范圍及本文觀測點和對比站的位置。

圖2 黔江雷達(dá)60 km探測范圍及本文觀測點和對比站的位置（▲代表觀測點，■代表對比站）Fig. 2 The detection range of Qianjiang radar at 60 km and the positions of observation points and comparison stations in this paper (▲ for observation point, ■ for comparison stations)

1.2 雨滴譜儀

黔江區(qū)域內(nèi)僅有一臺Parsivel雨滴譜儀設(shè)備，安裝在黔江國家基本氣象觀測站內(nèi)，主要用于對雨滴譜的觀測和降水類型、降水量、降雨強度的觀測。其工作原理基礎(chǔ)是當(dāng)激光束里沒有降水粒子降落穿過時，最大電壓為接收器的輸出電壓，降水粒子穿過水平光束時以其相應(yīng)的直徑遮擋部分光束，因而產(chǎn)生輸出電壓。通過電壓的大小來確定降水粒子的直徑大小。相比傳統(tǒng)的雨滴譜觀測技術(shù)，濮江平等認(rèn)為雨滴譜儀可對降水過程進行實時連續(xù)監(jiān)測并完成降水粒子的自動分類，具有測量精度高、工作量小等優(yōu)點。

1.3 SL3-1型翻斗式雨量計

SL3-1型翻斗式雨量計的原理是雨水從匯集漏斗的節(jié)流管注入計量翻斗時會把不同強度的自然降水調(diào)節(jié)為強度比較均勻降水，以減少由于自然降雨強度不同所造成的測量誤差，當(dāng)計量翻斗內(nèi)承受的降水量達(dá)到0.1 mm時，計量翻斗將降水傾入計數(shù)翻斗，使得計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)一次，采集器就自動采集存儲0.1 mm降水量。

1.4 觀測點與對比站

本文所選的觀測點就是黔江國家基本氣象觀測站，代表黔江城區(qū)（下面簡稱黔江站），觀測場內(nèi)布有DZZ5新型自動站和Parsivel雨滴譜儀，其中雨量計為SL3-1型翻斗式雨量計。選取了黔江區(qū)域內(nèi)的杉嶺、中塘、石會自動氣象站作為對比站，主要考慮是黔江位于影響系統(tǒng)的東南部，主要降雨區(qū)域集中在黔江北部及中部地區(qū)（圖1），且從雷達(dá)回波圖也可看到，系統(tǒng)過境時，主要降雨云團也集中在這些區(qū)域，對比站位于主要降雨區(qū)域。

2 資料選取與處理

2.1 雨滴譜儀和雨量計資料預(yù)處理

為了保證雨滴譜數(shù)據(jù)與雷達(dá)數(shù)據(jù)相匹配，并考慮雨滴下落時間，將雨滴譜數(shù)據(jù)和雨量計數(shù)據(jù)向后每6 min進行一次平均，再得到對應(yīng)雷達(dá)觀測時間（間隔6 min）的雨滴譜數(shù)據(jù)和雨量計數(shù)據(jù)。圖3是雨滴譜儀和雨量計6 min平均雨強對比，兩者具有很好的一致性。

2.2 雷達(dá)資料預(yù)處理

此次降水過程屬于短時強降水，云團高度較低，且觀測點與雷達(dá)直線距離較近，因此雷達(dá)資料選取體掃第一層（0.5°仰角）的數(shù)據(jù)。

讀取計算黔江站對應(yīng)的單點、3點、5點、9點雷達(dá)數(shù)據(jù)，并于雨滴譜反射率因子進行對比，利用公式（1）計算兩者的相關(guān)系數(shù)。計算得知，利用9點平均（0.871）相關(guān)性最好，因此讀取雷達(dá)資料選用9點平均。

圖3 黔江站2019年6月28日08：00—10：00 BT 6 min平均雨強Fig. 3 6 min average rain intensity of Qianjiang Station from 08:00 BT to 10:00 BT on 28 June 2019 )

3 評估方法

3.1 建立雨滴譜反射率與雷達(dá)反射率關(guān)系

建立雨滴譜反射率

Z

與雷達(dá)反射率

Z

的統(tǒng)計關(guān)系，圖4是黔江站此次天氣過程主要降雨時段（08：00—10：00）的

Z

與

Z

的散點圖。從圖中可看出，兩者相關(guān)性好，

R

=0.759，表明可以通過

Z

計算出

Z

′

方法可行。在今后的研究中，將通過更多的個例，總結(jié)兩者之間更好的回歸關(guān)系。

圖4 黔江站2019年6月28日08：00—10：00 BT Zp與Zrad散點圖及擬合Fig. 4 Scatter diagram and fitting of Zp and Zrad in Qianjiang Station from 08:00 BT to 10:00 BT on 28 June 2019

3.2 Z-I關(guān)系的確定

讀取此次天氣過程主要強降雨時段（08:00—10:00）雨滴譜儀的反射率因子

Z

和雨強

I

，利用最小二乘法計算得到雨滴譜的

Z

-

I

關(guān)系。從圖5可以看出，兩者的相關(guān)性非常好，系數(shù)

A

=388，系數(shù)

b

=1.3。

圖5 黔江站2019年6月28日08：00—10：00雨滴譜Zp和Ip散點圖及擬合曲線Fig. 5 Scatter diagram and fitting curve of raindrop spectrum Zp and Ip at Qianjiang Station from 08:00 BT to 10:00 BT on 28 June 2019

利用最優(yōu)化

Z

-

I

關(guān)系法，

A

、

b

初值分別取50、1.0，分別取步長10、0.1進行變化，計算此次過程主要降雨時段（08：00—10：00）雷達(dá)反射率因子與雨量計雨量的

Z

-

I

關(guān)系。通過計算，系數(shù)

A

=50，系數(shù)

b

=1.1時，擬合效果最好。

3.3 修正估算雨量方法

對雷達(dá)反射率

Z

進行修正，需要對雨滴譜反射率

Z

與雷達(dá)反射率

Z

進行比較，在確定相關(guān)性后再對雷達(dá)反射率

Z

進行修正，文中3.1節(jié)內(nèi)容已對雨滴譜反射率

Z

與雷達(dá)反射率

Z

進行了對比分析。然后，通過上述處理后的雷達(dá)反射率

Z

利用圖4的擬合關(guān)系式，對雷達(dá)反射率

Z

進行修正，再估算雨量。具體方法：計算出地面的雨滴譜反射率

Z

′

，再利用

Z

′

通過

Z

-

I

關(guān)系計算出雨滴譜的估測雨強。同時，利用

Z

通過

Z

-

I

和默認(rèn)的

Z

I

關(guān)系分別計算雷達(dá)估測雨強和默認(rèn)關(guān)系的估測雨強。通過估算的雨強，計算出累計降雨量。

圖6 2019年6月28日08：00—10：00）黔江站雨滴譜反演雨量與雨量計實際雨量對比Fig. 6 Comparison between raindrop spectrum inversion rainfall and actual rainfall of rain gauge at Qianjiang Station from 08:00 BT to 10:00 BT on 28 June 2019

4 對比分析

4.1 雨滴譜反演雨量與實際雨量對比

通用上述的

Z

-

I

關(guān)系，計算出黔江站6月28日主要強降雨時段（08：00—10：00）雨滴譜反演雨量22.0 mm，雨量計實際雨量27.7 mm。圖6是雨滴譜反演雨量是與雨量計實際雨量的對比，可以看出雨滴譜反演的雨量情況與雨量計實際觀測的雨量情況變化趨勢具有很好的一致性，說明通過這種方法估測降水的具有一定可行性。

4.2 修正結(jié)果對比

在雷達(dá)觀測范圍內(nèi)，分別讀取6月28日（08:00—10:00）本文選擇的對比站（未安裝雨滴譜設(shè)備）的

Z

，不經(jīng)修正，利用3種

Z

-

I

關(guān)系，計算出各站此時間段的累計降雨量。再利用文中3.3節(jié)描述的方法，對

Z

進行修正，再通過前文最小二乘法計算出的雨滴譜

Z

-

I

關(guān)系

Z=

388

I

估算雨強。表1列出了3個對比站雷達(dá)回波不經(jīng)修正通過3種

Z

-

I

關(guān)系估測的降水、經(jīng)修正后估測的降水與雨量計實際觀測的對比結(jié)果。從表1可看出，雷達(dá)回波通過修正后利用最小二乘法計算出的雨滴譜

Z

-

I

關(guān)系估測降水的效果最好，最為接近實際值；不經(jīng)修正通過雷達(dá)

Z

-

I

關(guān)系估測降水的效果次之，默認(rèn)

Z

-

I

關(guān)系估測的降水效果最差。

表1 對比站估測雨量與實際雨量對比Table 1 Comparison of estimated rainfall and actual rainfall at comparison station

圖7 是主要降雨時段，對比站雷達(dá)回波不經(jīng)修正估測的降水、經(jīng)修正后估測的降水與實際雨量隨時間變化的對比。從圖中可看出，雷達(dá)回波經(jīng)過修正后估測雨量的變化趨勢、降雨強度等與實際觀測的具有較好的一致性，但估測的降水比實況偏小。

圖7 2019年6月28日08：00—10:00對比站3種Z-I關(guān)系估測雨量與實際雨量對比Fig. 7 Comparison of estimated rainfall and actual rainfall of three Z-I relationships in comparison station from 08:00 BT to 10:00 BT on 28 June 2019

另外，本文還選取了與黔江區(qū)相鄰的彭水縣連湖、太原、學(xué)堂自動氣象站（未安裝雨滴譜儀），按照上述方法對此次降水過程相同時段進行雨量估測。表2是上述3個氣象站的地理信息、實際雨量與估測雨量的對比。

5 結(jié)論與討論

1）雷達(dá)回波經(jīng)修正后通過最小二乘法計算出的雨滴譜

Z

-

I

關(guān)系估測的雨量最接近實際值，且變化趨勢、降雨強度等與實況最為相似。

2）C波段天氣雷達(dá)探測強降水區(qū)時，發(fā)射率因子衰減較強，衰減作用可能造成雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)偏小，是估測的降水比實況偏小的重要原因之一。

表2 連湖、太原、學(xué)堂地理信息以及估測雨量Table 2 Geographic information and rainfall estimation of Lianhu, Taiyuan and Xuetang

3）樣本較少，推算出的

Z

-

I

關(guān)系準(zhǔn)確性不夠，系數(shù)

A

、

b

的取值采用了四舍五入，以及觀測點與對比站地理位置不同，雷達(dá)0.5°仰角到地面的高度的不同，降水過程的開始時間、結(jié)束時間、持續(xù)時間不一致，雷達(dá)、雨滴譜、地面雨量等數(shù)據(jù)在空間上分布不均勻等因素，也是造成估測的降水與實況存在差異的原因。4）鑒于

Z

-

I

關(guān)系的復(fù)雜性，本文只是對一次層狀云降雨為主的短時強降水時段的

Z

-

I

關(guān)系進行驗證，對于其他類型的降雨未進行驗證，存在不滿足上述

Z

-

I

關(guān)系式的可能。5）通過此次個例分析，利用上述方法通過雨滴譜資料修正雷達(dá)回波建立

Z

-

I

關(guān)系，能初步證明建立黔江受低渦系統(tǒng)影響產(chǎn)生的中小尺度降雨類型的

Z

-

I

關(guān)系的方法是可行的。今后還需利用不同降雨類型，選取更多的資料，應(yīng)用上述方法對

Z

-

I

關(guān)系中的

A

、

b

值進行統(tǒng)計分析，才能得出合理的結(jié)論，以此提高通過修正雷達(dá)回波利用

Z

-

I

關(guān)系估算雨量的效果性和可行性。