余佳 唐聰 王愛(ài)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(cè)降水和強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的發(fā)展演變，雷達(dá)監(jiān)測(cè)是氣象部門(mén)進(jìn)行短時(shí)預(yù)警的重要探測(cè)手段之一。黔江雷達(dá)的應(yīng)用對(duì)人工影響天氣指揮、強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警、短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、重大社會(huì)活動(dòng)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(cè)降水方法是

Z

-

I

關(guān)系法，即利用雷達(dá)探測(cè)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(qiáng)度（

I

，單位mm·h），再計(jì)算得到累計(jì)降雨量。國(guó)內(nèi)外有關(guān)大量雷達(dá)定量估測(cè)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(cè)降水方法的研究實(shí)際上是調(diào)整

Z

-

I

關(guān)系方法的研究。例如，層狀云、對(duì)流云等不同類型的降水

Z

-

I

關(guān)系均不相同，冷鋒過(guò)境和氣旋等天氣系統(tǒng)的

Z

-

I

關(guān)系存在較大差異，臺(tái)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(guò)程中，

Z

-

I

關(guān)系也有變化。許多研究對(duì)

Z

-

I

關(guān)系都進(jìn)行了分析調(diào)整并進(jìn)行降水產(chǎn)品優(yōu)化方法試驗(yàn)，使降水產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。我國(guó)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(guó)夏季深對(duì)流云降水統(tǒng)計(jì)得到的

Z

-

I

關(guān)系式

Z=

300

I

。

黔江區(qū)位于我國(guó)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(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程，主要降雨時(shí)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(gè)別地方雨強(qiáng)＞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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)造成較強(qiáng)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(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，西南急流帶來(lái)了充沛的水汽條件，是造成黔江該時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的背景條件。這次強(qiáng)降水過(guò)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(shì)也與大多數(shù)降水過(guò)程相似。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)的需求越來(lái)越高，怎樣努力提高雷達(dá)定量降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從而提高天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度是一項(xiàng)重要的研究課題。利用6月28日黔江區(qū)主要降雨時(shí)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(qiáng)度，并進(jìn)行對(duì)比分析，以便于在短時(shí)強(qiáng)降水天氣過(guò)程中更好地利用雨滴譜儀資料在雷達(dá)降水估測(cè)中的應(yīng)用，較為準(zhǔn)確地定量估測(cè)降雨強(qiáng)度和區(qū)域降雨量，對(duì)做好精細(xì)化預(yù)報(bào)、有針對(duì)性地開(kāi)展氣象服務(wù)具有重要意義。

1 儀器設(shè)備與觀測(cè)點(diǎn)

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(cè)量半徑200 km，文中所用資料庫(kù)長(zhǎng)250 m。圖2是黔江雷達(dá)60 km探測(cè)范圍及本文觀測(cè)點(diǎn)和對(duì)比站的位置。

圖2 黔江雷達(dá)60 km探測(cè)范圍及本文觀測(cè)點(diǎn)和對(duì)比站的位置（▲代表觀測(cè)點(diǎn)，■代表對(duì)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(tái)Parsivel雨滴譜儀設(shè)備，安裝在黔江國(guó)家基本氣象觀測(cè)站內(nèi)，主要用于對(duì)雨滴譜的觀測(cè)和降水類型、降水量、降雨強(qiáng)度的觀測(cè)。其工作原理基礎(chǔ)是當(dāng)激光束里沒(méi)有降水粒子降落穿過(guò)時(shí)，最大電壓為接收器的輸出電壓，降水粒子穿過(guò)水平光束時(shí)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(guò)電壓的大小來(lái)確定降水粒子的直徑大小。相比傳統(tǒng)的雨滴譜觀測(cè)技術(shù)，濮江平等認(rèn)為雨滴譜儀可對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)并完成降水粒子的自動(dòng)分類，具有測(cè)量精度高、工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 SL3-1型翻斗式雨量計(jì)

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

1.4 觀測(cè)點(diǎn)與對(duì)比站

本文所選的觀測(cè)點(diǎn)就是黔江國(guó)家基本氣象觀測(cè)站，代表黔江城區(qū)（下面簡(jiǎn)稱黔江站），觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)布有DZZ5新型自動(dòng)站和Parsivel雨滴譜儀，其中雨量計(jì)為SL3-1型翻斗式雨量計(jì)。選取了黔江區(qū)域內(nèi)的杉嶺、中塘、石會(huì)自動(dòng)氣象站作為對(duì)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(guò)境時(shí)，主要降雨云團(tuán)也集中在這些區(qū)域，對(duì)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(jì)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(shí)間，將雨滴譜數(shù)據(jù)和雨量計(jì)數(shù)據(jù)向后每6 min進(jìn)行一次平均，再得到對(duì)應(yīng)雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間（間隔6 min）的雨滴譜數(shù)據(jù)和雨量計(jì)數(shù)據(jù)。圖3是雨滴譜儀和雨量計(jì)6 min平均雨強(qiáng)對(duì)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(guò)程屬于短時(shí)強(qiáng)降水，云團(tuán)高度較低，且觀測(cè)點(diǎn)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(jì)算黔江站對(duì)應(yīng)的單點(diǎn)、3點(diǎn)、5點(diǎn)、9點(diǎn)雷達(dá)數(shù)據(jù)，并于雨滴譜反射率因子進(jìn)行對(duì)比，利用公式（1）計(jì)算兩者的相關(guān)系數(shù)。計(jì)算得知，利用9點(diǎn)平均（0.871）相關(guān)性最好，因此讀取雷達(dá)資料選用9點(diǎn)平均。

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

3 評(píng)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(jì)關(guān)系，圖4是黔江站此次天氣過(guò)程主要降雨時(shí)段（08：00—10：00）的

Z

與

Z

的散點(diǎn)圖。從圖中可看出，兩者相關(guān)性好，

R

=0.759，表明可以通過(guò)

Z

計(jì)算出

Z

′

方法可行。在今后的研究中，將通過(guò)更多的個(gè)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(diǎn)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(guò)程主要強(qiáng)降雨時(shí)段（08:00—10:00）雨滴譜儀的反射率因子

Z

和雨強(qiáng)

I

，利用最小二乘法計(jì)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(diǎn)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(zhǎng)10、0.1進(jìn)行變化，計(jì)算此次過(guò)程主要降雨時(shí)段（08：00—10：00）雷達(dá)反射率因子與雨量計(jì)雨量的

Z

-

I

關(guān)系。通過(guò)計(jì)算，系數(shù)

A

=50，系數(shù)

b

=1.1時(shí)，擬合效果最好。

3.3 修正估算雨量方法

對(duì)雷達(dá)反射率

Z

進(jìn)行修正，需要對(duì)雨滴譜反射率

Z

與雷達(dá)反射率

Z

進(jìn)行比較，在確定相關(guān)性后再對(duì)雷達(dá)反射率

Z

進(jìn)行修正，文中3.1節(jié)內(nèi)容已對(duì)雨滴譜反射率

Z

與雷達(dá)反射率

Z

進(jìn)行了對(duì)比分析。然后，通過(guò)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(duì)雷達(dá)反射率

Z

進(jìn)行修正，再估算雨量。具體方法：計(jì)算出地面的雨滴譜反射率

Z

′

，再利用

Z

′

通過(guò)

Z

-

I

關(guān)系計(jì)算出雨滴譜的估測(cè)雨強(qiáng)。同時(shí)，利用

Z

通過(guò)

Z

-

I

和默認(rèn)的

Z

I

關(guān)系分別計(jì)算雷達(dá)估測(cè)雨強(qiáng)和默認(rèn)關(guān)系的估測(cè)雨強(qiáng)。通過(guò)估算的雨強(qiáng)，計(jì)算出累計(jì)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(jì)實(shí)際雨量對(duì)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(duì)比分析

4.1 雨滴譜反演雨量與實(shí)際雨量對(duì)比

通用上述的

Z

-

I

關(guān)系，計(jì)算出黔江站6月28日主要強(qiáng)降雨時(shí)段（08：00—10：00）雨滴譜反演雨量22.0 mm，雨量計(jì)實(shí)際雨量27.7 mm。圖6是雨滴譜反演雨量是與雨量計(jì)實(shí)際雨量的對(duì)比，可以看出雨滴譜反演的雨量情況與雨量計(jì)實(shí)際觀測(cè)的雨量情況變化趨勢(shì)具有很好的一致性，說(shuō)明通過(guò)這種方法估測(cè)降水的具有一定可行性。

4.2 修正結(jié)果對(duì)比

在雷達(dá)觀測(cè)范圍內(nèi)，分別讀取6月28日（08:00—10:00）本文選擇的對(duì)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(jì)算出各站此時(shí)間段的累計(jì)降雨量。再利用文中3.3節(jié)描述的方法，對(duì)

Z

進(jìn)行修正，再通過(guò)前文最小二乘法計(jì)算出的雨滴譜

Z

-

I

關(guān)系

Z=

388

I

估算雨強(qiáng)。表1列出了3個(gè)對(duì)比站雷達(dá)回波不經(jīng)修正通過(guò)3種

Z

-

I

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

Z

-

I

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

Z

-

I

關(guān)系估測(cè)降水的效果次之，默認(rèn)

Z

-

I

關(guān)系估測(cè)的降水效果最差。

表1 對(duì)比站估測(cè)雨量與實(shí)際雨量對(duì)比Table 1 Comparison of estimated rainfall and actual rainfall at comparison station

圖7 是主要降雨時(shí)段，對(duì)比站雷達(dá)回波不經(jīng)修正估測(cè)的降水、經(jīng)修正后估測(cè)的降水與實(shí)際雨量隨時(shí)間變化的對(duì)比。從圖中可看出，雷達(dá)回波經(jīng)過(guò)修正后估測(cè)雨量的變化趨勢(shì)、降雨強(qiáng)度等與實(shí)際觀測(cè)的具有較好的一致性，但估測(cè)的降水比實(shí)況偏小。

圖7 2019年6月28日08：00—10:00對(duì)比站3種Z-I關(guān)系估測(cè)雨量與實(shí)際雨量對(duì)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(dòng)氣象站（未安裝雨滴譜儀），按照上述方法對(duì)此次降水過(guò)程相同時(shí)段進(jìn)行雨量估測(cè)。表2是上述3個(gè)氣象站的地理信息、實(shí)際雨量與估測(cè)雨量的對(duì)比。

5 結(jié)論與討論

1）雷達(dá)回波經(jīng)修正后通過(guò)最小二乘法計(jì)算出的雨滴譜

Z

-

I

關(guān)系估測(cè)的雨量最接近實(shí)際值，且變化趨勢(shì)、降雨強(qiáng)度等與實(shí)況最為相似。

2）C波段天氣雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)降水區(qū)時(shí)，發(fā)射率因子衰減較強(qiáng)，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(cè)的降水比實(shí)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(cè)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(cè)點(diǎn)與對(duì)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(guò)程的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、持續(xù)時(shí)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(cè)的降水與實(shí)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(duì)一次層狀云降雨為主的短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)段的

Z

-

I

關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于其他類型的降雨未進(jìn)行驗(yàn)證，存在不滿足上述

Z

-

I

關(guān)系式的可能。5）通過(guò)此次個(gè)例分析，利用上述方法通過(guò)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(duì)

Z

-

I

關(guān)系中的

A

、

b

值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，才能得出合理的結(jié)論，以此提高通過(guò)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。