馮婉悅 施麗娟 王智敏 黃 曉 楊蓮梅 張 林

1 新疆維吾爾自治區(qū)氣象技術(shù)裝備保障中心，烏魯木齊 830002 2 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081 3 新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，烏魯木齊 830002 4 中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，烏魯木齊 830002

提 要： 利用臺風(fēng)溫比亞(1808)登陸階段受外圍云系降水影響的上海、浙江、江蘇、安徽四個省(直轄市)42個雨滴譜儀站點數(shù)據(jù)，對比分析雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算獲得的雷達反射率因子、降水強度分別與雷達實測、雨量計實測的差異；進行Z-R關(guān)系擬合，以探究臺風(fēng)降水回波與降水強度的關(guān)系；分別利用兩種Z-R關(guān)系進行降水估測效果對比，以探究雨滴譜儀資料在臺風(fēng)雷達降水估測中的應(yīng)用效果。結(jié)果表明： 雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算得到的雷達反射率因子與雷達觀測一致性較好，兩者相關(guān)系數(shù)為0.96，前者略小于后者。雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算得到的降水強度與雨量計觀測的降水強度相比，變化趨勢一致，相關(guān)系數(shù)為0.94，但在量值上，部分區(qū)域儀器存在較大的差異，其可能原因：一是該區(qū)域內(nèi)儀器本身系統(tǒng)誤差，二是受臺風(fēng)大風(fēng)影響，雨滴下落速度快，容易發(fā)生破碎、重疊等，使到達地面的雨滴直徑、數(shù)目產(chǎn)生一定的誤差。臺風(fēng)溫比亞外圍云系降水回波與強度的擬合公式：Z=188.85R1.42，利用此關(guān)系的估測效果優(yōu)于默認關(guān)系Z=300R1.4，估測降水量提高近17%左右。

引 言

臺風(fēng)暴雨作為影響我國東南部沿海地區(qū)的主要災(zāi)害天氣之一，通常給受影響地區(qū)造成較大的經(jīng)濟損失。特別是臺風(fēng)溫比亞(1808)橫跨上海、浙江、安徽、河南、山東等省(直轄市)，影響范圍廣，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟損失。近年來，隨著我國多種探測設(shè)備多源資料融合應(yīng)用的研究發(fā)展，使得降水估測準(zhǔn)確性不斷提高。Bent(1943)提出雷達估測降水的概念，而雷達定量估測降水最常用的方法是雷達反射率因子-雨強(Z-R)關(guān)系法，即Z=ARb，我國新一代天氣雷達沿用WSR-88D默認降水估測關(guān)系Z=300R1.4，但Z-R關(guān)系隨地域、時間和降水性質(zhì)等發(fā)生變化，如果能夠針對某一地區(qū)、季節(jié)或降水類型建立更好的Z-R關(guān)系，那么就可以減小雷達估測降水的不確定性(李慧等，2018；梅海霞等，2017；吳亞昊等，2016)。尤其是臺風(fēng)降水與其他降水存在很大不同，為此需要對臺風(fēng)系統(tǒng)降水的Z-R關(guān)系分階段、分類型進行細致研究。

目前Z-R關(guān)系分析研究主要借助于地面雨量計或雨滴譜儀資料。雖然雨滴譜儀資料在雷達定量估測降水中的應(yīng)用已有學(xué)者做了大量研究工作，但主要圍繞一般降水過程中的對流云、層狀云、混合云不同降水類型進行研究。馮雷和陳寶君(2009)利用GBPP-100型地面雨滴譜儀資料，分析了三類降水云Z-R關(guān)系，指出Z=ARb形式能夠很好地描述三種降水類型的Z-R關(guān)系。陳磊(2011)、黃興友等(2019)、金祺等(2015)利用雨滴譜儀資料，分別分析了淮南、南京梅雨鋒暴雨，南京層狀云和積雨云，安徽滁州颮線過程的雨滴譜特征和Z-R關(guān)系。而針對臺風(fēng)降水估測，何寬科等(2007)、冀春曉等(2008)，主要利用雨量計資料進行研究，雨滴譜儀資料應(yīng)用相對很少。另一方面，多數(shù)研究工作中所用的雨滴譜儀資料基本上集中于某一區(qū)域(省份)的幾個站點，而利用多省雨滴譜儀數(shù)據(jù)針對臺風(fēng)不同發(fā)展階段的降水估測相關(guān)研究基本沒有。朱紅芳等(2019)、李俠麗等(2019)分別僅利用滁州、壽縣1部雨滴譜儀數(shù)據(jù)，討論臺風(fēng)海葵和麥德姆、蘇迪羅的Z-R關(guān)系。晉立軍等(2012)利用汾陽、介休2部雨滴譜儀，張揚等(2016)使用13部雨滴譜儀，分別分析了山西、蘇州地區(qū)普通降水過程的Z-R關(guān)系。這些研究用到的雨滴譜儀少，而臺風(fēng)降水過程復(fù)雜，影響范圍大，若只用幾個站點雨滴譜儀資料，短時間內(nèi)數(shù)據(jù)不足，無法進行臺風(fēng)降水Z-R關(guān)系實時擬合。

由于臺風(fēng)天氣系統(tǒng)復(fù)雜，而利用雨滴譜儀資料對登陸我國的臺風(fēng)降水過程分階段進行細致研究相對較少，同時確定Z-R關(guān)系需要大量的雨滴譜資料。為此，本文利用多省的42部雨滴儀數(shù)據(jù)，以臺風(fēng)溫比亞為例，參考鄭怡等(2019)的分析，將臺風(fēng)降水分為三個階段，重點研究受臺風(fēng)外圍螺旋云系影響降水過程。本文研究意義在于，其一，結(jié)合臺風(fēng)路徑，利用上海、江蘇、浙江、安徽多省(直轄市)多部雷達、雨量計、雨滴譜儀收集到的臺風(fēng)溫比亞資料，分析討論雨滴譜特征及雨滴譜儀數(shù)據(jù)與雷達、雨量計數(shù)據(jù)的一致性，探討雨滴譜儀數(shù)據(jù)可用性。其二，通過Z-R關(guān)系擬合和降水效果評估，探究臺風(fēng)降水回波和降水強度的關(guān)系。以期為建立適合臺風(fēng)降水系統(tǒng)的Z-R關(guān)系奠定基礎(chǔ)，為雨滴譜儀資料在多源融合降水估測中發(fā)揮其數(shù)據(jù)效益有所指導(dǎo)。

1 資料與方法

1.1 資 料

1.1.1 臺風(fēng)概況和資料來源

臺風(fēng)溫比亞生成于西太平洋，2018年8月17日04時左右在我國上海浦東新區(qū)南部登陸，登陸后持續(xù)向偏北方向移動，于21日變性為溫帶氣旋移入黃海。臺風(fēng)路徑如圖1(綠色實線所示)。整個溫比亞臺風(fēng)降水過程分為三個階段：受臺風(fēng)外圍螺旋云系影響的降水；受倒槽影響的降水；受變性后溫帶氣旋冷鋒的降水。本文重點研究8月17日04—14時(北京時，下同)受外圍螺旋云系影響的降水，該段時間為臺風(fēng)螺旋雨帶開始影響我國東部沿海地區(qū)至外圍螺旋云系結(jié)束影響的過程。

本文所用數(shù)據(jù)包括雷達基數(shù)據(jù)、雨滴譜儀數(shù)據(jù)、雨量計數(shù)據(jù)。臺風(fēng)路徑和站點分布如圖1所示。

(1)雷達基數(shù)據(jù)。從雷達型號的一致性及數(shù)據(jù)質(zhì)量方面考慮出發(fā)，結(jié)合臺風(fēng)路徑，選擇合肥、蚌埠、安慶、阜陽、銅陵、南京、常州、淮安、泰州、南通、杭州、湖州、寧波、青浦等共14部天氣雷達(CINRAD/SA)基數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過地物雜波抑制、電磁干擾消除、噪聲消除的質(zhì)量控制處理。

(2)雨滴譜儀數(shù)據(jù)。選取以雷達站為中心，距離每部雷達約為30～60 km的3個雨滴譜儀站點[除青浦雷達-松江雨滴譜儀(22 km)、合肥雷達-肥東雨滴譜儀(22 km)外]，共計42個雨滴譜儀站點數(shù)據(jù)。目前，大多數(shù)雨滴譜儀數(shù)據(jù)相關(guān)應(yīng)用研究只用到了100型雨滴譜儀資料。文中所用雨滴譜儀資料包括100型和200型。100型和200型均采用Pasival激光雨滴譜儀測量原理捕獲降水粒子直徑和速度分布，根據(jù)計算公式，得到雷達反射率因子Z、降水強度R等參數(shù)。100型雨滴譜儀為32(粒子直徑通道0.062～24.5 mm)×32(粒子速度通道0.05～20.8 m·s-1)通道，采樣面積為54 mm2，200型為22(粒子直徑通道0.062～7.75 mm)×20(粒子速度通道0.1～10.0 m·s-1)通道，采樣面積為48 mm2，兩種型號數(shù)據(jù)采樣時間均為1 min。

(3)雨量計數(shù)據(jù)。本文選取兩組雨量計數(shù)據(jù)：一組用于數(shù)據(jù)一致性對比驗證，該組雨量計選取與雨滴譜儀同一站點(同一經(jīng)緯度)的雨量計，以避免因為距離太遠，造成較大的誤差，如圖1中所示；另一組雨量計數(shù)據(jù)用于擬合的Z-R關(guān)系效果評估，其站點分布在后文中介紹。兩組雨量數(shù)據(jù)均為1 h間隔。

1.1.2 雨滴譜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

在使用雨滴譜儀數(shù)據(jù)前，為減少雨滴譜儀帶來的數(shù)據(jù)誤差，首先對雨滴譜儀數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。自然界中很少有直徑大于8 mm的粒子， Willis(1984)研究1977年的颶風(fēng)Anita時發(fā)現(xiàn)，即使在雨強非常大的情況下，最大粒子直徑也不超過4 mm，且大粒子數(shù)很少。同時，在雨滴下落過程中，發(fā)生的碰撞、重疊等都會使粒子分布在直徑-速度關(guān)系范圍以外(Kim et al，2013)。此外，前兩通道降水粒子的直徑值過??；粒子總數(shù)目過小；降水量過小等都需要將其剔除，以提高數(shù)據(jù)可用性(Tokay and Bashor，2010)。為此，本文選用的質(zhì)量控制方法包括：剔除訂正后雨滴直徑大于8 mm的觀測數(shù)據(jù)；參考Jaffrain and Berne(2011)的方法，剔除直徑-速度經(jīng)驗關(guān)系范圍以外的粒子，閾值設(shè)為60%；剔除前兩個尺度檔(直徑<0.3 mm)的觀測數(shù)據(jù)；剔除計算雨強過小(<0.01 mm·h-1)的數(shù)據(jù)；選取原始粒子數(shù)目大于10的樣本(Ji et al，2019)。在后文中，對質(zhì)量控制過程和結(jié)果進行詳細分析。

1.2 方 法

1.2.1 雨滴譜特征參量

利用雨滴譜儀各通道粒子數(shù)目及降水參數(shù)計算公式，可計算得到數(shù)濃度、液態(tài)含水量、降水強度、降水回波強度等降水特征量(熊飛麟和周毓荃，2016)。以32×32通道的雨滴譜儀為例，本文中所用到的雨滴數(shù)密度N(Di)(m-3·mm-1)、雷達反射率因子Z(mm6·m-3)(假設(shè)瑞利散射和球形粒子；Battan，1973)、降水強度R(mm·h-1)計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：nij代表尺度第i檔、速度第j檔的實測降水粒子數(shù)；Vj為第j檔降水粒子的下落末速度，單位為m·s-1；ΔDi為第i個粒徑通道寬度，單位為mm；ΔT為取樣時間，單位為s；A為采樣面積，單位為mm2。對于200型儀器，在計算時,將i最大值設(shè)為22，j最大值設(shè)為20即可。從式(1)～式(3)中可以看出，雨滴數(shù)密度N(Di)、雷達反射率因子Z與降水強度R三者之間具有很大的相關(guān)性。

圖1 雷達、雨滴譜儀站、雨量站分布示意 及臺風(fēng)溫比亞路徑 (三角表示雷達;圓點為雨滴譜儀和雨量計, 經(jīng)緯度相同;實線為臺風(fēng)路徑)Fig.1 Distribution of radar, raindrop spectrometer and rainfall station， and path of Typhoon Rumbia (triangle: radar; dot: raindrop spectrometer and automatic station, same latitude and longitude; solid line: typhoon path)

1.2.2Z-R關(guān)系擬合

雷達反射率因子Z與降水強度R之間關(guān)系可通過式(4)表示(馮雷和陳寶君，2009)，由此關(guān)系可根據(jù)反射率因子計算降水強度。

Z=Rb

(4)

在氣象業(yè)務(wù)中通常用dB表示回波強度，兩者之間的關(guān)系為dBZ=10lgZ。由式(4)，取對數(shù)后得到lgZ=blgR+lgA，利用最小二乘法，即可求得系數(shù)A，指數(shù)b。

1.2.3 降水估測效果評估

為確定擬合出的Z-R關(guān)系有效性，在雷達觀測范圍內(nèi)，與雷達默認使用的Z=300R1.4進行降水估測對比分析。選擇一組雨量計數(shù)據(jù)進行降水關(guān)系效果評估，以評估組雨量計Qg為標(biāo)準(zhǔn)，選取平均相對誤差(Are)和估測結(jié)果逐小時進行對比，Are越小表明誤差越小(勾亞彬等，2014)。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制結(jié)果分析

以江蘇南京站，瞬時雷達反射率因子最大時刻(12:53，44.7 dBz)，浙江德清站雨滴譜儀，瞬時雷達反射率因子最大時刻(12:49，50.3 dBz)為例，來對研究中所用雨滴譜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量方法做分析說明。

100型滴譜儀(圖2a)前兩尺度檔無降水粒子，且降水粒子較為均勻分布于直徑-速度關(guān)系兩側(cè)，200型滴譜儀(圖2b)前兩尺度檔粒子數(shù)量多且速度范圍比較廣。調(diào)查發(fā)現(xiàn)100型雨滴譜儀在設(shè)備端已經(jīng)過初步質(zhì)量控制，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量略優(yōu)于200型雨滴譜儀。并且通過分析發(fā)現(xiàn)，剔除前兩尺度檔觀測數(shù)據(jù)對質(zhì)量控制結(jié)果影響不大。

參考Jaffrain and Berne(2011)的方法，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后(圖2c)，降水粒子都分布在直徑-速度經(jīng)驗關(guān)系±60%以內(nèi)。但通過研究發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)降水中，直徑較小降水粒子下落速度很快，降水粒子多數(shù)分布在直徑-速度經(jīng)驗關(guān)系偏上部分。

為保證所用雨滴譜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的可靠性，將經(jīng)質(zhì)量控制后的雨滴譜儀數(shù)據(jù)與同一地點的雨量計結(jié)果進行對比。圖3為雨滴譜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量控制前后計算得到的雨強逐小時累加R與雨量計實測對比。從結(jié)果來看，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后，擬合直線更接近于y=x，即經(jīng)過文中質(zhì)量控制方法后，兩者偏差有所減小，表明文中所用的質(zhì)量控制方法和進行質(zhì)量控制后的雨滴譜數(shù)據(jù)是可靠的。但常規(guī)雨滴譜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法對于臺風(fēng)降水的普遍適用性還需結(jié)合更多臺風(fēng)個例進行深入研究。

3 數(shù)據(jù)一致性分析

利用雷達-雨量計-雨滴譜儀聯(lián)合估測降水具有一定的實用價值。在利用雨滴譜儀數(shù)據(jù)進行降水估測時，為確保擬合Z-R關(guān)系的可靠性，首先需要確定雨滴譜儀數(shù)據(jù)的有效性。為此，需要驗證雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算出的反射率因子Zd與雷達反射率因子Zr，降水強度Rd與雨量計雨量Rg的一致性。

3.1 回波強度對比分析

雨滴譜儀數(shù)據(jù)代表的是單點資料，而雷達為面資料，在空間一致性對應(yīng)時，選擇雷達站對應(yīng)的雨滴譜儀垂直上方附近的雷達數(shù)據(jù)庫Z5，即5點平均法(晉立軍等，2012)，然后，將每部雷達所對應(yīng)的3部雨滴譜儀的Z5再次進行平均作為Zr。在時間一致性上，為保證雨滴譜儀數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)能夠匹配，利用所選雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算出的雷達反射率因子，每6 min進行一次數(shù)據(jù)平均，得到間隔6 min的Zd，與雷達直接測量的Zr進行對比分析，同時濾除無效數(shù)據(jù)，如有雷達回波無雨滴譜數(shù)據(jù)，無雷達回波無雨滴譜數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)匹配時，進行濾除。

圖2 粒子分布譜及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程分析 (a)江蘇南京100型質(zhì)量控制前，(b)浙江德清站 200型質(zhì)量控制前，(c)江蘇南京100型質(zhì)量控制后Fig.2 Distribution of particle spectrum and analysis of data quality control process (a) Type 100, before data quality control for Nanjing Station, Jiangsu Province, (b) Type 200, before data quality control for Deqing Station, Zhejiang Province, (c) Type 100, after data quality control for Nanjing Station, Jiangsu Province

圖3 雨量計實測小時雨量與雨滴譜儀數(shù)據(jù) 質(zhì)量控制前后計算得到雨量的對比Fig.3 Comparison of hourly rainfall measured by gauge and calculated from disdrometer data before and after quality control

在Zd和Zr一致性分析中，以合肥雷達、杭州雷達、南京雷達、青浦雷達和其分別對應(yīng)的3部雨滴譜儀為例，雷達與雨滴譜儀對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 雷達與雨滴譜儀對應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence location of radar and disdrometer

由于所選的雨滴譜儀站點距離雷達為30～60 km，為此選取0.5°仰角數(shù)據(jù)。根據(jù)上述雷達和雨滴譜儀數(shù)據(jù)匹配處理方法，得到Zd和Zr對比(圖4)，由圖可見，從整體趨勢來看，Zd與Zr具有較好的一致性，結(jié)果相差不大，且Zd略小于Zr，此結(jié)果與晉立軍等(2012)、沙修竹等(2019)研究結(jié)果一致。整個降水過程所有樣本的Zd與Zr相關(guān)系數(shù)為0.96，且偏差隨雷達反射率因子強度變化(圖5)，隨著雷達反射率因子(降水)增大，兩者偏差減小，此結(jié)果與張揚等(2016)研究結(jié)果一致，在降雨較小時(≤20 dBz)，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為4.4 dBz；降雨較大時(>20 dBz)，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2.5 dBz。

圖4 青浦(a)，杭州(b)，南京(c)和合肥(d)雷達實測Z值(Zr)與雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算Z值(Zd)的對比Fig.4 Comparison between Z measured by radar (Zr) and Z calculated by disdrometer (Zd) at stations of Qingpu (a), Hangzhou (b), Nanjing (c) and Hefei (d)

圖5 偏差隨雷達反射率因子強度變化Fig.5 Variation of deviation with radar reflectivity

3.2 降水量對比分析

將整個外圍云系降水過程(10 h)的所有樣本計算出的瞬時Rd逐小時累加，得到小時雨量，與其同一站點雨量計的小時雨量進行對比分析。

在Rd和Rg一致性分析中，整個降水過程所有樣本的累加Rd與雨量計Rg的相關(guān)性，如圖6所示，整個降水過程，兩者整體變化趨勢具有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.94，但兩者估測誤差較大，兩者的偏差隨著雨量增大而增大，降雨較小時(小時降水量≤8 mm)，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2.04 mm，降雨較大時(小時降水量>8 mm)，標(biāo)準(zhǔn)差約為2.85 mm。將各省份兩種類型雨滴譜儀數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)不同省份雨滴譜儀估測偏差不同，安徽省15部雨滴譜儀估測的平均相對誤差為10%～55%，浙江省9部雨滴譜儀的平均相對誤差為10%～50%，江蘇省15部雨滴譜儀的平均相對誤差為3%～40%，上海市3部雨滴譜儀的平均相對誤差為6%～10%。同一省份不同類型儀器數(shù)據(jù)質(zhì)量也不同(杜傳耀等，2019)。整體來講，100型雨滴譜儀估測結(jié)果要優(yōu)于200型，從圖2中也可以看出，100型雨滴譜儀測量時已將前兩通道粒子進行了初步質(zhì)量控制，200型觀測數(shù)據(jù)未經(jīng)過任何質(zhì)量控制，但此結(jié)論需要更長時間序列，更多資料進一步驗證。

圖6 雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算得到小時雨量 與雨量計實測對比Fig.6 Comparison of hourly rainfall calculated by disdrometer and measured by rain gauge

究其原因，一是不同批次儀器本身系統(tǒng)誤差不同，二是受臺風(fēng)的影響，雨滴下落速度快，容易發(fā)生破碎、重疊等，使到達地面的雨滴直徑、數(shù)目產(chǎn)生一定的誤差，而從式(3)可知，降水強度與降水粒子直徑和數(shù)目有關(guān)，從而導(dǎo)致計算出的降水存在一定的誤差(呂童，2018；沙修竹等，2019)。同時，由于兩種儀器精度同為mm，當(dāng)降水量級越小，誤差對觀測結(jié)果產(chǎn)生的影響比重增大，例如兩者觀測降水量分別為0.1、0.2 mm時，相對誤差值達到50%。

4 降水估測分析

4.1 Z-R關(guān)系擬合特征

雷達定量估測降水是通過Z-R關(guān)系來反演降水(劉紅燕等，2008)。但Z-R關(guān)系隨地點、降水類型或季節(jié)而不同，為提高臺風(fēng)系統(tǒng)的雷達定量估測降水精度，需要對登陸我國的臺風(fēng)系統(tǒng)降水Z-R關(guān)系有更好的認識。本文考慮到冰雹閾值等影響，將53 dBz作為轉(zhuǎn)換降水反射率因子上限值，又考慮最小降水強度，設(shè)置降水反射率因子下限值為10 dBz。利用雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算出的Zd、Rd，樣本數(shù)為6 318個，利用最小二乘法，得到一組Z-R關(guān)系，如圖7所示，系數(shù)A為188.85，指數(shù)b為1.42。該結(jié)果與Chang et al(2009)研究13個臺風(fēng)系統(tǒng)得出的產(chǎn)生于太平洋臺風(fēng)Z-R關(guān)系：Z=206.83R1.45，以及呂童(2018)研究臺風(fēng)天鴿、帕克Z-R結(jié)果具有一致性。

4.2 降水估測效果分析

本文選取與圖1中的青浦、杭州、常州等10部雷達站點同一名稱的雨量計數(shù)據(jù)(除淮安雷達-洪澤自動站)，雷達-雨量計兩者距離均為10 km左右(除南京雷達-南京自動站約為34 km)，作為評估組來檢驗和評估統(tǒng)計得到的Z-R關(guān)系在臺風(fēng)外圍云系降水過程中的適用性(汪學(xué)淵等，2016)。同時利用由美國WSR-88D設(shè)定并在我國新一代天氣雷達一直沿用的Z=300R1.4作為參考，進行降水估測效果對比分析，如圖8所示。

圖7 雨滴譜Z-R擬合曲線Fig.7 Z-R fitting curve of disdrometer

圖8 估測雨量與實測雨量Fig.8 Estimated and measured rainfall

由圖8可以看出，利用雨滴譜儀Zd-Rd進行降水估測多數(shù)是高估降水量，利用Z=300R1.4估測降水容易低估降水量，安慶站的相對誤差可達65%。整體來看，雨滴譜儀Zd-Rd估測的平均Are約為5%，利用默認降水估測關(guān)系的Are為22%，利用雨滴譜儀降水估測關(guān)系比利用默認Z-R關(guān)系提高近17%左右。整體來講，利用雨滴譜儀Zd-Rd降水估測效果要優(yōu)于默認Z=300R1.4估測降水。但因為臺風(fēng)系統(tǒng)和Z-R關(guān)系的復(fù)雜性，建立適用于臺風(fēng)降水估測的Z-R關(guān)系還需要更多個例和數(shù)據(jù)來進一步深入研究。

5 結(jié)論與討論

本文以臺風(fēng)溫比亞外圍云系降水過程為例，在分析上海、安徽、浙江、江蘇四個省(直轄市)雨滴譜儀數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)和雨量計數(shù)據(jù)一致性的基礎(chǔ)上，利用雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算得到的雷達反射率因子和降水強度建立Z-R關(guān)系，并與經(jīng)典降水估測關(guān)系Z=300R1.4進行了降水估測效果對比，主要結(jié)論如下：

(1)在此次臺風(fēng)外圍云系降水中，利用雨滴譜儀數(shù)據(jù)計算出的雷達反射率因子與雷達實測具有較好的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)為96%。

(2)降水強度與雨量計估測值誤差相對較大，但其變化趨勢一致，相關(guān)系數(shù)為94%。分析量值產(chǎn)生較大誤差的原因，其可能原因：一是該區(qū)域內(nèi)儀器本身系統(tǒng)誤差；二是受臺風(fēng)的影響，雨滴下落速度快，容易發(fā)生破碎、重疊等，導(dǎo)致降水計算產(chǎn)生誤差。同時，當(dāng)降水量級很小時，儀器本身毫米級精度對誤差結(jié)果造成影響的比重也隨之增大。

(3)在整個外圍云系降水過程中，對選取的評估組10個雨量計站點而言，利用雨滴譜儀數(shù)據(jù)擬合出的Z-R關(guān)系估測降水總量與雨量計實測更為接近，估測降水效果更好，與默認關(guān)系Z=300R1.4相比，提高了近17%。

(4)本文只是針對臺風(fēng)溫比亞個例的降水估測，該研究結(jié)果對提高臺風(fēng)降水中雨滴譜儀資料分析，以及聯(lián)合雷達、雨量計等觀測數(shù)據(jù)進行降水估測具有一定的參考意義。后續(xù)還需要對整個臺風(fēng)溫比亞過程以及更多臺風(fēng)個例分析，得出更加合理的適用于臺風(fēng)降水Z-R關(guān)系。同時，發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)雨滴譜儀與雨量計實測存在一定的比例關(guān)系，可能是儀器本身系統(tǒng)誤差，這可作為深入評估全國雨滴譜儀數(shù)據(jù)甚至降低雷達定量估測誤差并進入業(yè)務(wù)化應(yīng)用的一個很好的方向。