孫赫敏,張沛源,蔣志,李海燕

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.北京市氣象局,北京 100081;3.烏蘭察布市氣象局,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

孫赫敏,張沛源,蔣志，等.2015.雷達(dá)定量估測(cè)降水的亮帶自動(dòng)消除改進(jìn)方法[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),38(4):492-501.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121207001.

Sun He-min,Zhang Pei-yuan,Jiang Zhi,et al.2015.Automated correction of the bright band of weather radar reflectivity data in radar quantitative precipitation estimation[J].Trans Atmos Sci,38(4):492-501.(in Chinese).

雷達(dá)定量估測(cè)降水的亮帶自動(dòng)消除改進(jìn)方法

孫赫敏1,張沛源1,蔣志2,李海燕3

(1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;2.北京市氣象局,北京 100081;3.烏蘭察布市氣象局,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

摘要：層狀云降水中,0 ℃層融化效應(yīng)會(huì)引起雷達(dá)反射率因子局部增大,若不進(jìn)行訂正,則會(huì)高估雷達(dá)估測(cè)的降水。本文提出一種基于新一代天氣雷達(dá)反射率因子垂直廓線(xiàn)的0 ℃層亮帶自動(dòng)識(shí)別與訂正算法,以減小因亮帶造成的降水高估。本研究首先對(duì)降水類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi),在SHY95的基礎(chǔ)上增加了垂直方向的反射率因子三維特征,避免亮帶的反射率因子高值區(qū)被誤識(shí)別為對(duì)流云區(qū);其次,在層狀云區(qū)識(shí)別出一個(gè)可能的亮帶影響區(qū),在其中查找亮帶,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法精確的識(shí)別亮帶的頂、底高度;最后,利用最小二乘法擬合亮帶上、下層的斜率,平滑垂直廓線(xiàn)(VPR,Vertical Profile of Reflectivity)的顯著突出部分。將該方法應(yīng)用于北京地區(qū)2010—2011年10次包含亮帶的降水過(guò)程,得到的亮帶訂正后的均方根誤差ERMS、平均絕對(duì)誤差ERMA、平均相對(duì)誤差BRM值較初值均有顯著減小(分別減小1.538 mm,0.417和0.468)。結(jié)果表明,該方法能夠有效地識(shí)別與訂正亮帶,使得定量測(cè)量降水精度有所提高。

關(guān)鍵詞：0 ℃層亮帶;識(shí)別;訂正;定量估測(cè)降水

0引言

0 ℃層亮帶是指雪花或冰晶在下落過(guò)程中,當(dāng)環(huán)境溫度高于0 ℃時(shí)發(fā)生融化,表面形成一層水膜,由于液相粒子和冰相粒子負(fù)折射指數(shù)的差異,使得雷達(dá)測(cè)得的反射率因子增強(qiáng),在RHI(Range Height Indicator,距離高度顯示)上出現(xiàn)一條平展且較強(qiáng)的回波帶,在PPI(Plan Position Indicator,平面位置顯示)上出現(xiàn)一個(gè)環(huán)狀或半環(huán)狀的亮圈。0 ℃層亮帶的高度通常在0 ℃等溫線(xiàn)以下幾百米的地方,它是層狀云連續(xù)性降水的一個(gè)重要特征,反映了在層狀云降水中存在著明顯的冰水轉(zhuǎn)換區(qū),也表明層狀云降水中氣流穩(wěn)定,無(wú)明顯對(duì)流活動(dòng),為亮帶的維持創(chuàng)造了條件(張培昌等,2001)。對(duì)0 ℃層亮帶的研究始于雷達(dá)氣象學(xué)初期(Austin and Bemis,1950)。亮帶的存在使得雷達(dá)資料在氣象和水文中的應(yīng)用變的復(fù)雜,特別是在大范圍的降水估計(jì)中,當(dāng)雷達(dá)波束在融化層對(duì)水凝物抽樣時(shí),由于反射率因子在融化層的顯著增強(qiáng),即亮帶會(huì)引起過(guò)高的降水估計(jì);而當(dāng)雷達(dá)探測(cè)較遠(yuǎn)距離的降水時(shí),最低仰角的雷達(dá)波束所能探測(cè)到的區(qū)域大多位于亮帶之上,不能探測(cè)到亮帶之下的降水區(qū),這樣就會(huì)造成降水的低估。因此,識(shí)別與訂正雷達(dá)回波中的0 ℃層亮帶能夠提高雷達(dá)定量測(cè)量降水(QPE,Quantity Precipitation Estimation)的精度。

隨著雷達(dá)硬件技術(shù)的改進(jìn),基于天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、雙偏振雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等各種雷達(dá)的亮帶識(shí)別技術(shù)也在不斷發(fā)展。自WSR-88D雷達(dá)布網(wǎng)以來(lái),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)如何識(shí)別與訂正WSR-88D雷達(dá)反射率因子回波中的亮帶影響做了很多研究。Kitchen et al.(1994)提出了一種基于參數(shù)化反射率因子垂直廓線(xiàn)(VPR,Vertical Profile of Reflectivity) 的亮帶識(shí)別與訂正算法。Sa’nchez-Diezma et al.(2000)依據(jù)模擬數(shù)據(jù)檢驗(yàn)了雷達(dá)體掃采樣方式對(duì)觀(guān)測(cè)到的亮帶峰值密度和厚度的影響,并開(kāi)發(fā)出了一個(gè)自動(dòng)識(shí)別亮帶的算法。White and Daniel (2002)提出聯(lián)合使用融化層VPR曲線(xiàn)的顯著彎曲特征和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)獲得的多普勒垂直速度在融化層下迅速增大的特征得到0 ℃層亮帶的高度。Gourley and Calvert (2003)開(kāi)發(fā)出了一個(gè)基于WSR-88D反射率因子基數(shù)據(jù)的亮帶自動(dòng)識(shí)別算法并將其確定的亮帶的頂部和底部的高度同模式計(jì)算的高度進(jìn)行了比較。Zhang et al.(2008)提出了一個(gè)利用平均VPR的亮帶厚度閾值來(lái)自動(dòng)識(shí)別亮帶的方法。其后,Zhang and Qi (2010)提出了一種改進(jìn)算法,將理想模型VPR與實(shí)時(shí)VPR結(jié)合,生成一種基于每個(gè)仰角的AVPR (Apparent VPR)進(jìn)行亮帶訂正,并將算法應(yīng)用于QPE過(guò)程中。

國(guó)內(nèi)對(duì)于亮帶的研究起步較早,20世紀(jì)80年代初,洪延超等(1984)、李子華等(1986)對(duì)梅雨鋒云系亮帶形成理論進(jìn)行了初步研究,指出積層混合云中的亮帶存在不均勻現(xiàn)象。王慧娟等(2010)利用一次飛機(jī)實(shí)驗(yàn),證明了積層混合云中的含水量躍變過(guò)程。戴鐵丕等(1991)計(jì)算了在大氣折射條件下,0 ℃層亮帶對(duì)測(cè)得區(qū)域降水精度的影響。張培昌等(1993)利用氣候統(tǒng)計(jì)法對(duì)亮帶進(jìn)行了識(shí)別與消除。近年來(lái),陳明軒和高峰(2006)設(shè)定了一組VPR的理想模板,利用三維反射率因子資料,進(jìn)行理想模板和實(shí)際VPR在垂直和水平兩個(gè)方向上的擬合和差異計(jì)算,自動(dòng)識(shí)別雷達(dá)反射率因子中存在的連續(xù)亮帶區(qū)域。張樂(lè)堅(jiān)等(2010)在Zhang et al.(2008)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)了對(duì)層狀云和對(duì)流云的誤識(shí)別,提高了VPR識(shí)別亮帶的準(zhǔn)確度。肖艷嬌等(2010)開(kāi)發(fā)了一種基于視VPR的亮帶自動(dòng)識(shí)別與消除算法。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,基于新一代天氣雷達(dá)反射率因子資料,提出一種自動(dòng)識(shí)別與訂正雷達(dá)定量估測(cè)降水中0 ℃層亮帶影響的方法。通過(guò)優(yōu)化降水類(lèi)型分類(lèi),提高亮帶頂、底高度識(shí)別的準(zhǔn)確度以更準(zhǔn)確的識(shí)別亮帶并進(jìn)行訂正,進(jìn)而提高定量測(cè)量降水的精度。

1資料

資料包括雷達(dá)、地面站及探空資料,時(shí)間為2010年5月至2011年9月。雷達(dá)為北京南郊S波段多普勒天氣雷達(dá),位于116°28′19.3E,39°48′40.2″N,天線(xiàn)高度92.1 m,波長(zhǎng)10 cm,波束寬度1°,反射率因子的徑向分辨率1 km,最大探測(cè)距離460 km。降水情況下掃描方式為VCP21(約6 min完成9個(gè)仰角的掃描),9個(gè)仰角分別為0.5°、1.45°、2.4°、3.35°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°和19.5°。本文僅使用反射率因子數(shù)據(jù),在使用前進(jìn)行了孤立點(diǎn)、極大值及地物雜波的剔除等質(zhì)量控制。利用距離雷達(dá)較近的探空站觀(guān)測(cè)資料,根據(jù)距離反比平方法計(jì)算獲取0 ℃層高度。雨量站資料為加密地面站1 h降雨量資料,用于對(duì)比分析雷達(dá)估測(cè)降水準(zhǔn)確性。

2亮帶的識(shí)別與訂正

2.1　層狀云與對(duì)流云的識(shí)別

由于層狀云和對(duì)流云的VPR特征差距較大,在使用VPR訂正亮帶影響之前,區(qū)分降水類(lèi)型能增加VPR計(jì)算準(zhǔn)確度,同時(shí)也減少計(jì)算量(Smyth and Illingworth,1998;Zhang et al.,2008;Zhang and Qi,2010),且區(qū)分降水類(lèi)型后可通過(guò)雙Z-R關(guān)系估算降水,增加了QPE的準(zhǔn)確度。

在過(guò)去的降水類(lèi)型識(shí)別研究中,Steiner et al.(1995)提出的一種行之有效的降水類(lèi)型分類(lèi)方法(SHY95),被廣泛應(yīng)用(Biggerstaff and Listemaa,2000;仲凌志等,2007)。但據(jù)Biggerstaff and Listemaa(2000)研究表明,在亮帶影響較大的情況下,SHY95存在較大誤識(shí)別,這是由于SHY95只選用了反射率因子的水平特征來(lái)區(qū)分降水類(lèi)型,故會(huì)將由融化效應(yīng)造成的較大反射率因子區(qū)誤識(shí)別為對(duì)流云區(qū),導(dǎo)致過(guò)高的降水估計(jì)。反射率因子三維特征有很多,根據(jù)已有的研究(Biggerstaff and Listemaa,2000;Emmanouil,2004;肖艷姣和劉黎平,2007;Zhang et al.,2008;Zhang and Qi,2010;張樂(lè)堅(jiān)等,2012),本文選取垂直方向最大反射率因子(ZMAX)、-10 ℃高度的反射率因子(ZM10)、回波頂高(HET)、最大反射率因子的水平梯度(GH)和垂直積分液態(tài)水含量(MVIL)及其水平梯度(MVILH)作為識(shí)別因子,識(shí)別步驟為:

首先,把ZMAX>TZM的和ZM10>T10的點(diǎn)判斷為對(duì)流云點(diǎn)(TZM,T10表示ZMAX和ZM10的閾值,缺省值為40和30),剩下存在有效反射率因子的點(diǎn)歸為層狀云點(diǎn)。本文0 ℃層高度和-10 ℃層的高度由雷達(dá)附近探空站經(jīng)距離反比平方法計(jì)算得到。

其次,當(dāng)某點(diǎn)被步驟一識(shí)別為層狀云點(diǎn)時(shí),如果MVIL>TM,MVILH>TMH(TM,TMH表示MVIL和MVILH的閾值,缺省值為2.0和0.3),那么該點(diǎn)被重新確立為對(duì)流云點(diǎn),當(dāng)某點(diǎn)被步驟一識(shí)別為對(duì)流云點(diǎn)時(shí),如果MVIL≤TM,MVILH≤TMH,那么該點(diǎn)被重新確立為層狀云點(diǎn)。

最后,由于MVILH在對(duì)流云邊緣較大而在對(duì)流云中部較小,當(dāng)某點(diǎn)被步驟二識(shí)別為層狀云點(diǎn)時(shí),如果GH>TG,HET>TH(TG,TH表示GH和HET的閾值,缺省值為10.5和7.2),那么該點(diǎn)被重新確立為對(duì)流云點(diǎn),當(dāng)某點(diǎn)被步驟二識(shí)別為對(duì)流云點(diǎn)時(shí),如果GH≤TG,HET≤TH,則該點(diǎn)被重新確立為層狀云點(diǎn)。

圖1是2011年6月7日一次對(duì)流云帶引導(dǎo)拖尾層狀云的包含亮帶的降水過(guò)程,由西北向東北方向移動(dòng),對(duì)流云帶很快移走,層狀云持續(xù)了一段時(shí)間。圖1a為3 km高度的反射率因子,圖1c為利用SHY95識(shí)別后的降水類(lèi)型分布,藍(lán)色為層狀云區(qū),紅色為對(duì)流云區(qū),可見(jiàn)SHY95將雷達(dá)西北部的大部分區(qū)域識(shí)別為了對(duì)流云區(qū),但由圖1b給出的圖1a中直線(xiàn)AB的垂直剖面可以看出,這些地區(qū)并不應(yīng)屬于對(duì)流云區(qū),而應(yīng)該是由于0 ℃層融化效應(yīng)引起的反射率因子增強(qiáng)區(qū),即亮帶區(qū)。利用本文給出的算法重新識(shí)別后的降水類(lèi)型分布如圖1d所示,黃色為亮帶區(qū)(識(shí)別方法見(jiàn)2.2節(jié))。從圖1d可以看出,經(jīng)過(guò)重新識(shí)別后的降水類(lèi)型大部分亮帶區(qū)已經(jīng)被重新識(shí)別為了層狀云區(qū),但在雷達(dá)的西北部仍有小塊的誤識(shí)別區(qū)域。這可能是由北京西北部山區(qū)的復(fù)雜地形影響造成。由典型的對(duì)流云和層狀云VPR特征可知,對(duì)流云的ZMAX在底部,而亮帶的ZMAX則偏上,增加對(duì)ZMAX所在高度的判斷可減少這一類(lèi)型的誤識(shí)別。降水類(lèi)型的識(shí)別在今后的工作中,仍需要進(jìn)行參數(shù)和閾值調(diào)整,以更精確地識(shí)別。

圖1　2011年6月7日18:18 (世界時(shí),下同)雷達(dá)反射率因子(dBz)及降水類(lèi)型識(shí)別　　a.3 km高度反射率因子;b.沿圖1a中直線(xiàn)AB對(duì)應(yīng)的反射率因子垂直剖面(黑色直線(xiàn)為0 ℃等溫線(xiàn)高度);c.SHY95區(qū)分降水類(lèi)型;d.加入垂直三維特征重新識(shí)別后的降水類(lèi)型Fig.1　a.Radar reflectivity factor(dBz) at 3.0 km level at 1818 UTC 07 June 2011;b.vertical cross sections along the black line AB in (a);c.SHY95 classification of the reflectivity field in (a)(the black linerepresents the 0℃ height level at the radar site);d.reclassification of the reflectivity field in (a)

圖2　旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法識(shí)別亮帶頂?shù)缀穸饶Ｐ?圖b、c分別為圖a中亮帶上部、下部的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)示意圖;Rico and Cluckie,2007)Fig.2　a.Model of detection of the bright-band boundaries by a rotating coordinate system;b.upper boundary;c.lower boundary(Rico and Cluckie,2007)

2.2　VPR識(shí)別亮帶

VPR的計(jì)算參考了Andrieu and Creutin(1995)、吳翠紅等(2006)和Zhang et al.(2008)的算法,考慮到雷達(dá)探測(cè)近距存在靜椎區(qū)及遠(yuǎn)距離波束展寬的影響,本文只在10～80 km范圍計(jì)算VPR。圖2給出包含亮帶的VPR概念模型,可以看出包含亮帶區(qū)域的VPR在0 ℃層高度有明顯凸起,故VPR的這一特征可識(shí)別0 ℃層亮帶。

亮帶的頂部高度和底部高度即為VPR二次旋轉(zhuǎn)后的Z″最大值。第二次旋轉(zhuǎn)的角度如下公式計(jì)算得出:

(1)

其中:Z(hpeak)為亮帶峰值的反射率因子值,單位為dBz;Δh為計(jì)算旋轉(zhuǎn)角的增減高度,取Δh=1 km。

旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系為:

(2)

這種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的方法,亮帶的頂?shù)赘叨扰袛嗪艽蟪潭壬弦蕾?lài)旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)定,根據(jù)已有的研究,亮帶厚度多為1～1.5 km(Kitchen et al.,1994;Fabry and Zawadzki,1995;肖艷姣等,2010),取Δh=1 km基本可以保障亮帶的邊界位于其中。若旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系H″截取的VPR上反射率因子值小于等于零,則Δh逐漸減小200 m,直到截取的反射率因子值大于零為止。

如果在整個(gè)雷達(dá)覆蓋區(qū)域計(jì)算VPR,則平均的結(jié)果造成無(wú)亮帶區(qū)域被誤訂正,而包含亮帶的區(qū)域則訂正不足。對(duì)可能存在亮帶影響的區(qū)域單獨(dú)計(jì)算,既能減少運(yùn)算量,并且能更準(zhǔn)確地訂正亮帶的影響。具體方法為:根據(jù)云類(lèi)識(shí)別的結(jié)果,在層狀云區(qū)域查找亮帶影響區(qū)(BBA,Bright Band Affected area),若ZMAX>TZM1,并且ZMAX的垂直遞減率Vd>TV,則判斷為BBA(TZM1,Tv表示ZMAX和ZM10的閾值,缺省值為30 dBz和0.08 dBz/km)。在BBA內(nèi)進(jìn)行亮帶識(shí)別,首先在0 ℃層上方1 km開(kāi)始,向下尋找至廓線(xiàn)底部,得到VPR的局部最大值的高度Hp(取高于0 ℃層上方1 km的原因是由于0 ℃層的高度由ZMAX的高度平均獲得,因此會(huì)造成一定的誤差);然后利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法求得亮帶頂、底高度Ht、Hb,若亮帶的總厚度不超過(guò)閾值D0,且亮帶上部及下部的厚度不超過(guò)閾值D1,則認(rèn)為亮帶存在(閾值D0、D1是決定亮帶深度和對(duì)稱(chēng)性的參數(shù),缺省閾值D0=2.0 km,D1=1.5 m);若被識(shí)別為亮帶,亮帶的頂?shù)缀穸燃右詶l件控制,即如果亮帶上部厚度超過(guò)了閾值Dt則賦值為Dt,若亮帶下部厚度超過(guò)了閾值Db,則賦值為Db(Dt和Db是亮帶的一個(gè)保護(hù)范圍,缺省值為Dt=1.5 km,Db=1.0 km)。

圖3給出了北京地區(qū)3次典型的包含亮帶的降水過(guò)程。過(guò)程1(圖3a1、3b1、3c1)為2011年5月8日的一次層狀云為主的混合云降水過(guò)程,該過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),由雷達(dá)的西南向東北移動(dòng),亮帶主要集中在05—07時(shí)(世界時(shí)),圖3a1給出了05:48的3 km高度的反射率因子,圖3b1給出了亮帶識(shí)別的結(jié)果,可以看出亮帶的面積較大,但分布和強(qiáng)度不均勻。圖3c1給出了圖3a1中直線(xiàn)AB的垂直剖面,可以看出亮帶結(jié)構(gòu)清晰,厚度較小。過(guò)程2(圖3a2、3b2、3c2)是2010年6月16日一次多單體對(duì)流云帶引導(dǎo)的層狀云降水過(guò)程,由西南移向東北方向,由圖3c2可以看出該過(guò)程的亮帶強(qiáng)度和厚度都比過(guò)程1大,亮帶結(jié)構(gòu)清晰。過(guò)程3(圖3a3、3b3、3c3)是2011年9月9日一次大范圍層狀云降水過(guò)程,由西南向東北方向移動(dòng),持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),0 ℃層位于在3 km左右。

由以上3例可以看出,該亮帶識(shí)別算法能較好地識(shí)別出亮帶所在位置;層狀云降水或者層狀云主導(dǎo)的混合云降水過(guò)程中,亮帶的強(qiáng)度和厚度都略弱于對(duì)流云后部的拖尾層狀云;混合云降水的亮帶分布和強(qiáng)度分布不是很均勻。

2.3　對(duì)亮帶進(jìn)行訂正

本研究在識(shí)別為亮帶的區(qū)域?qū)α翈нM(jìn)行訂正,目的是平滑掉VPR的不正常突出部分。參考Zhang and Qi (2010)的做法,即利用最小二乘法求出亮帶頂部到峰值及峰值到底部的斜率α、β。可以看出,在含有亮帶結(jié)構(gòu)的VPR中,α應(yīng)為負(fù)值,而β應(yīng)為正值。否則,則認(rèn)為亮帶不存在或者不需要進(jìn)行訂正。若亮帶峰值的高度太接近地面而無(wú)法準(zhǔn)確判斷亮帶的底部高度時(shí),仍需要對(duì)亮帶進(jìn)行訂正,因?yàn)檫@種情況通常會(huì)造成更大的高估。已有的研究發(fā)現(xiàn),亮帶經(jīng)常出現(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)(Kitchen,1994;Fabry and Zawadzki,1995;Sa’nchez-Diezma et al.,2000),故在訂正過(guò)程中,取α=β,Ht-Hp=Hp-Hb。利用所得斜率,計(jì)算訂正項(xiàng)

(3)

h(r)為第r層的高度,單位為km。

將原始反射率因子減去訂正項(xiàng)即為訂正后的反射率因子:Fc(h)=F0(h)-Fa(h)。在包含亮帶情況下,Fc(h)通常為負(fù)值,這樣訂正就會(huì)只削減由于亮帶引起的過(guò)高估計(jì),但是若亮帶頂部較高α[h(r)-Hp]>β[Hp-Hb],那么Fc(h)也可能為正值,這可能潛在的訂正了雷達(dá)波束截獲部分位于亮帶之上時(shí)造成的降水低估。

圖4給出了對(duì)應(yīng)圖1及圖3中4個(gè)例子的亮帶訂正之前及之后的VPR圖。由于北京地區(qū)地物雜波的影響十分嚴(yán)重,且在雷達(dá)遠(yuǎn)距由于波束傳播造成的探測(cè)高度增加,故不考慮1 km以下的VPR值。由圖4可以看出,識(shí)別出的VPR與概念模型圖2十分相似,訂正后的VPR基本消除了不正常突出的部分。但訂正后的VPR并不是在其顯著彎曲的地方開(kāi)始重合,而是略為偏離?？赡茉蛉缦?1)反射率因子垂直遞減率滿(mǎn)足給定閾值的連續(xù)仰角比較多,同一方位斜距庫(kù)的最大最小仰角之間的垂直間距大于亮帶厚度,導(dǎo)致過(guò)多仰角的反射率因子值被抑;2)在高仰角(第5個(gè)仰角以上),同一方位斜距庫(kù)相鄰之間的間距往往大于1 km。如果在某個(gè)仰角探測(cè)到亮帶,用其相鄰仰角的反射率因子值對(duì)亮帶反射率因子值進(jìn)行抑制可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度抑制(肖艷姣等,2010)。

圖3　2011年05月08日05:48(1)、2010年06月16日14:00(2)和2011年09月09日19:18(3)北京地區(qū)亮帶個(gè)例a.3 km高度反射率因子;b.亮帶識(shí)別圖;c.圖a中直線(xiàn)AB對(duì)應(yīng)的垂直剖面(黑色直線(xiàn)為0 ℃等溫線(xiàn)高度)Fig.3　Example from Beijing radar(the black line in (c) represents the 0 ℃ height level at the radar site;the times of the events were (1)0548 UTC 08 May 2011,(2)1400 UTC 16 Jun 2010,(3)1918 UTC 09 Sep 2011)　　a.reflectivity factor (dBz) at 3.0 km level;b.the identified bright band region;c.vertical cross sections along the black line AB in (a)

圖5給出了圖1及圖3中4個(gè)例子亮帶訂正之后的反射率因子,可以看出,圖1及圖3中識(shí)別為亮帶的區(qū)域都被很好地抑制,訂正后的反射率因子比較均勻。但結(jié)合圖4可以看出,圖5c中,由于亮帶厚度較大,1 km以下的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是不可靠的,因此對(duì)亮帶底部識(shí)別不準(zhǔn)確,造成訂正不足;而圖5a、b則訂正過(guò)度,其原因可能是在亮帶識(shí)別過(guò)程中,一些普通層狀云區(qū)被誤識(shí)別為亮帶影響區(qū),其與單一的亮帶深度及對(duì)稱(chēng)性參數(shù)D0、D1有關(guān)。未來(lái)的工作中可嘗試動(dòng)態(tài)的改變參數(shù)的閾值,Dt和Db的設(shè)置也可以參考SHY95中影響半徑的設(shè)置方法,隨反射率因子大小改變。

圖4　亮帶訂正之前及之后的VPR圖(縱向?qū)嵕€(xiàn)為訂正前VPR,虛線(xiàn)為訂正后VPR;橫向虛線(xiàn)為探空插值得到的0 ℃等溫線(xiàn)高度,橫向?qū)嵕€(xiàn)為估計(jì)的0 ℃層高度)　　a.2011年05月08日05:48;b.2010年6月16日14:00;c.2011年06月07日18:06;d.2011年09月09日19:18Fig.4　The average VPR of bright band region before(solid line) and after(dashed line) the correction(the horizontal lines represent the 0 ℃ height level compute from radar reflectivity data (solid line) and from radiosonde data (dashed line))　　a.0548 UTC 08 May 2011;b.1400 UTC 16 June 2010;c.1806 UTC 07 June 2011;d.1918 UTC 09 September 2011

3QPE中的應(yīng)用分析

識(shí)別降水類(lèi)型后,可用雙Z-R關(guān)系估算雷達(dá)測(cè)得雨量,即對(duì)流云區(qū)域采用Z=300R1.4,層狀云區(qū)域采用Z=200R1.6兩種Z-R關(guān)系。首先將雨量計(jì)按所處經(jīng)緯度計(jì)算得到對(duì)應(yīng)雷達(dá)覆蓋范圍格點(diǎn)位置,獲得雷達(dá)—雨量計(jì)對(duì)。然后將每6 min獲取雷達(dá)反演降水率進(jìn)行1 h累加得到小時(shí)累加雨量,將雨量計(jì)測(cè)得的1 h雨量作為真值與其進(jìn)行對(duì)比。圖6給出了對(duì)應(yīng)圖4四個(gè)例子的亮帶訂正前后的雷達(dá)—雨量計(jì)散點(diǎn)圖。

可以看出,經(jīng)過(guò)亮帶訂正后的反射率因子用于估算雨量的雷達(dá)—雨量計(jì)對(duì)較訂正前更接近標(biāo)準(zhǔn)值。從圖6c可以看出部分點(diǎn)訂正效果很小甚至沒(méi)有訂正,可能是因?yàn)榻邓?lèi)型的誤識(shí)別,或是沒(méi)有考慮近地面1 km的數(shù)據(jù)造成的亮帶底部的不準(zhǔn)確。

識(shí)別效果檢驗(yàn)是通過(guò)雷達(dá)和雨量計(jì)觀(guān)測(cè)獲得的降水量之間的對(duì)比實(shí)現(xiàn)的,本研究使用均方根誤差ERMS(RMSE,Root Mean Square Error)、平均絕對(duì)誤差ERMA(RMAE,Relative Mean Absolute Error)、平均相對(duì)誤差BRM(RMB,Relative Mean Bias)來(lái)評(píng)價(jià)效果,計(jì)算公式如下:

(4)

圖6　亮帶訂正之前及之后小時(shí)累加降水量散點(diǎn)圖(藍(lán)色加號(hào)代表訂正之前的降水,紅色方塊代表訂正之后的降水)　　a.2011年05月08日05:48;b.2010年6月16日14:00;c.2011年06月07日18:06;d.2011年09月09日19:18Fig.6　Comparison of scatterplots of 1-h radar precipitation estimates before(blue plus) and after(red rectangle) the VPR correction and gauge observations　　a.0548 UTC 08 May 2011;b.1400 UTC 16 June 2010;c.1806 UTC 07 June 2011;d.1918 UTC 09 September 2011

將這一方法應(yīng)用于北京南郊雷達(dá)2010—2011年10次降水過(guò)程中的1949個(gè)雷達(dá)—雨量計(jì)對(duì),RMSE、RMAE、RMB在亮帶訂正后均較之前有所降低,結(jié)果如表1所示。可見(jiàn),平均RMSE由3.658 mm減小到2.12 mm,減小了1.538 mm,平均表1 北京地區(qū)10 個(gè)包含亮帶的降水過(guò)程的RMSE、RMAE由0.894減小到0.477,減小了0.417,平均RMB由0.72減小到0.252,減小了0.468。

表1北京地區(qū)10個(gè)包含亮帶的降水過(guò)程的RMSE、RMAE、RMB

Table 1Summary the RMSE,RMAE and RMB of ten events affected by bright band in Beijing

日期對(duì)數(shù)RMSE/mmRMAERMB訂正前訂正后訂正前訂正后訂正前訂正后2010-06-131366.171.891.120.321.060.072010-06-162812.981.500.790.390.610.102010-07-191502.111.461.240.831.110.632010-09-211242.220.751.480.571.340.422011-04-291041.050.700.890.580.870.572011-05-082241.240.970.450.380.13-0.162011-06-072037.234.381.060.590.880.302011-06-231213.852.110.630.330.44-0.112011-07-061317.976.640.450.370.14-0.152011-09-094751.760.800.830.410.620.01

4結(jié)論與不足

本文提出了一種基于新一代天氣雷達(dá)的0 ℃層亮帶識(shí)別與訂正方法,并將其應(yīng)用于定量測(cè)量降水中。首先對(duì)降水類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。這樣做的目的有二,一是層狀云與對(duì)流云的VPR差異很大,區(qū)分降水類(lèi)型在增加VPR計(jì)算準(zhǔn)確度的同時(shí)能減少計(jì)算量;二是區(qū)分降水類(lèi)型后可通過(guò)雙Z-R關(guān)系估算降水。本文在SHY95基礎(chǔ)上增加了反射率因子的垂直特征以更準(zhǔn)確地區(qū)分降水類(lèi)型,基本消除了SHY95只選用了反射率因子的水平特征來(lái)區(qū)分降水類(lèi)型時(shí),亮帶的反射率因子高值區(qū)被誤識(shí)別為對(duì)流云區(qū)。其次,在層狀云區(qū)識(shí)別出一個(gè)可能的亮帶影響區(qū),在這其中查找亮帶,采用一種新的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系法與厚度閾值相結(jié)合,其能更精確地識(shí)別亮帶的頂?shù)赘叨取Ｗ詈?利用已得的亮帶頂?shù)赘叨?通過(guò)最小二乘法擬合亮帶上、下層的斜率,平滑VPR的顯著突出部分。

這一方法應(yīng)用于北京南郊雷達(dá)2010—2011年4次典型的包含亮帶的降水過(guò)程中,得到了較好的效果,幾乎所有的亮帶區(qū)域都能很好地被識(shí)別出來(lái),亮帶厚度判斷比較準(zhǔn)確,體現(xiàn)在VPR中的突起部分都被抑制掉了,雷達(dá)與雨量計(jì)相比高估的降水部分也得到了一定的抑制。統(tǒng)計(jì)北京南郊雷達(dá)2010—2011年10次降水過(guò)程,1949個(gè)雷達(dá)—雨量計(jì)對(duì)中,平均RMSE由3.658 mm減小到2.12 mm,減小了1.538 mm,平均RMAE由0.894減小到0.477,減小了0.417,平均RMB由0.72減小到0.252,減小了0.468。

在降水類(lèi)型的識(shí)別中仍存在誤識(shí)別,在今后的工作中,應(yīng)進(jìn)行參數(shù)和閾值的調(diào)整,以降低誤識(shí)別;天氣雷達(dá)近距探測(cè)的靜錐區(qū)及遠(yuǎn)距的波束寬度增加造成的亮帶不正確識(shí)別與抑制是不可忽視的,結(jié)合其他探測(cè)設(shè)備,減少這種由于雷達(dá)探測(cè)手段不足造成的不正確抑制是亟待解決的問(wèn)題;本研究?jī)H利用了北京南郊一部雷達(dá)進(jìn)行驗(yàn)證,考慮到不同地區(qū),不同雷達(dá)的亮帶識(shí)別算法中參數(shù)閾值需做調(diào)整,則后續(xù)還需開(kāi)展更多個(gè)例及其他地區(qū)雷達(dá)資料的定量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

Automated correction of the bright band of weather radar

reflectivity data in radar quantitative precipitation estimation

SUN He-min1,ZHANG Pei-yuan1,JIANG Zhi2,LI Hai-yan3

(1.Chinese Academy of Meteorology Sciences,Beijing 100081,China;2.Beijing Meteorological Bureau,Beijing 100081,China;

3.Wulanchabu Meteorological Bureau,Wulanchabu 012000,China)

Abstract:In stratiform precipitation,if an appropriate correction is not applied,the bright band(BB) that is induced by melting affection will cause significant overestimation in radar quantitative precipitation estimation(QPE).Therefore,the main objective of the current study is to develop an algorithm that is based on weather radar vertical profile of reflectivity(VPR) data and can automatically correct large errors caused by BB effects.Therefore,it will improve a real-time weather radar derived QPE.Firstly,we divide radar echoes into convective and stratiform before a VPR correction is applied.In this study,in addition to the method of SHY95,we make use of a full three-dimensional volume of reflectivity characters to avoid errors caused by BB in heavy stratiform rain.Then,the stratiform area is further divided into two parts:one is the BB affected area while the other one is not.The VPR are only derived and applied to the bright band affected area(BBA) rather than to the whole radar coverage.The BB boundaries are identified by a new algorithm which utilizes a rotational coordinate system for identifying the upper and lower boundaries of BB.Finally,the slope over and under BB is obtained by a least squares linear fitting to the VPR between the BB boundaries in order to smooth the incorrect VPR curve.The correction method was tested by ten events in different seasons in Beijing from 2010 to 2011.It is found that after the correction of BB,the RMSE,RMAE and RMB of radar-gauge pairs reduce significantly (1.538 mm,0.41 and 0.468 on average,respectively).So we can reach the conclusion that the correction is effective in reducing overestimation errors in radar derived QPE.

Key words:bright band;detect;correct;QPE

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121207001

中圖分類(lèi)號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)04-0492-10P412.25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：孫赫敏，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)氣象學(xué)，shm-4220052@163.com.

基金項(xiàng)目:公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHY201006043)

收稿日期：2012-12-07；改回日期：2013-02-23