利用雷达垂直廓线对广州地区降水估测订正的初步分析
张羽1，张维2，胡胜3，罗聪1
【摘 要】摘要:利用雷达反射率因子垂直廓线技术，对2010年4月29日广州地区一次较大范围内混合型降水过程进行了平均垂直廓线特征分析，并在此基础上对雷达定量降水估测进行了订正。结果表明，选定区域内雷达回波稳定少动，不同时段的垂直廓线的高低空变化均不大;在反射率因子垂直廓线中有一个极大值区为零度层亮带;在零度层亮带以上，反射率因子随高度增加迅速减小。进一步结合降水站点评估表明，直接利用雷达最低仰角估测的降水量偏低，而利用反射率因子垂直廓线技术订正后的降水估测的准确度提高，绝对误差率由订正前的28.9%下降到13.7%。 【期刊名称】广东气象 【年(卷),期】2012(034)003 【总页数】3
【关键词】关键词:多普勒天气雷达;垂直廓线;降水订正
新一代天气雷达可以估测大范围的瞬时降水强度和区域降水量分布。这对洪水监测、发布洪水预警有重要的指导作用。但是由于地球曲面、天线仰角、波束展宽以及大气折射的关系，在不同的距离处，雷达测量的只能是不同高度的回波。而在进行定量测量降水时，我们主要考虑的是近地面的降水。所以雷达的测量结果与地面的实际降雨情况有差别。为了减小因高度差异引起的测量差别，一个可行的办法是首先获取回波在垂直方向上的分布情况，即垂直廓线VPR(Vertical Profile of Reflectivity)，然后把不同高度上的雷达回波按照垂直廓线订正成近地面同一高度层的情况。这种同一高度上的测量结果便于和地面
的降雨情况进行对比、订正。在国外，以Joss等为代表的学者们，强调雷达回波垂直廓线对雷达测雨的重要性，充分认识到雷达波束采样随距离的抬升和展宽，以及大气中降水强度在垂直方向自然分布的不均匀性，正是雷达测雨产生误差的重要因素之一。国内吴翠红等［1］对雷达垂直廓线的生成方法进行了研究，包括参数法、平均法和识别法，其中重点研究了Joss创立的平均垂直廓线(MVPR，Mean Vertical Profile of Reflectivity)的生成方法。史锐等［2］分析了两次大范围混合型强降水过程实时雷达反射率因子垂直廓线特征，并利用最小二乘法拟合VPR数值及联合雨量计观测进行了研究。赵瑞金等［3］对各种不同的天气过程的雷达垂直廓线特征进行了分析。目前，华南地区缺少雷达垂直廓线的应用研究，而珠三角一带每年都是暴雨洪涝的重灾区，雷达监测降水的准确估测显得尤为重要［4－6］。广州雷达周围地势平坦无阻挡，具有良好的雷达能见度，满足雷达垂直廓线订正降水的基本条件。本文将利用Joss创立的平均垂直廓线MVPR的生成算法，对影响广州地区的一次混合性降水过程的MVPR特征进行分析，并利用MVPR算法对降水估测进行订正。
1 平均垂直廓线(MVPR)的生成方法
1.1 MVPR的相关定义
1)垂直廓线(VPR)定义为D域上某点u(r，θ)雷达回波强度R随高度h的分布，以R，h)表示。r为距离，θ为仰角。
2)平均垂直廓线(MVPR)是指在给定的D域内雷达回波强度平均值随高度的分布，也可认为是众多VPR在D域内的平均，用RD(h)表示，即: 1.2 MVPR的生成算法
将仰角为θ的PPI划分高度层如图1所示，层间厚度为Δh。方位夹角为1°，
对应Δh厚度的径向增量称为bΔh，沿着雷达径向每1 km的增量单元称为b。bΔh与b不一定相等，而与θ、h有关。低仰角中一个bΔh可包含多个b，如0.5°仰角在0.25 km高度内一个bΔh可包含20多个b，并分布于较长的距离范围;而高仰角中一个bΔh包含较少的b，最少时只有1个b，主要分布于近距离。
以b为本算法的计算单位，将平均运算从距离－方位－仰角一次完成，如式(2)。 式(2)中，Z为反射率强度(单位:dBz)，α为方位角，可取360°或某一扇形夹角(图1)，θ为仰角，r(h)和r(h+ Δh)为距离，N为仰角数，Zs为指定反射率强度阈值。式中分母为Z＞Zs时b的总个数［1］。 1.3 MVPR不同生成参数的影响
由式(2)可知，影响MVPR的主要因素有D域的选择(包括D域的起始距离Ds、外围距离D0、顶高Dh)、反射率因子的阈值Zs、垂直分层厚度Δh等。 1)D域的选取。D域内必须分布有能够代表整个雷达探测范围主要降水系统性质的回波，这是保证降水订正效果的关键。同时半径还应限于50 km以内，因为在这个范围内垂直和水平分辨率较高，0.5°仰角的抬升不超过0.5 km，所产生的廓线延及地面，符合订正地面降水的需要。
2)Δh参数的选取。一般Δh厚度选择250～300 m为宜。选取500 m以上，对廓线的形状细节表现不充分，导致降水的订正精度不高。选取100 m，计算量增多，但对订正地面降水影响不大。
2 雷达反射率因子平均垂直廓线特征
2010年4月29日14:00～19:00，广州地区出现了一次大范围混合型降水过程，如图1所示。雷达站周围分布有能够代表整个雷达探测范围降水系统性质
的回波，满足利用MVPR算法订正降水的条件。选取D域为1～50 km的环形区域，垂直高度为10 km，等高层间隔Δh为250 m，雷达反射率因子Z的阈值为大于0 dBz。分别计算15:00～18:00间的逐小时平均垂直廓线，结果如图2所示。
从图2可以看出，D域内回波稳定少动，不同时段的垂直廓线高空和低空变化均不大。根据2010年4月29日20:00探空资料计算的零度层高度是5.5 km［7］，从反射率因子垂直廓线也可以看出，有一个回波极大值区，可以判断是零度层亮带，零度层以上的反射率因子，随高度增加迅速减小。而亮带以下随着高度的降低回波强度开始增强，接近地面时强度最大。
张培昌等［8－9］指出，在梅雨锋降水回波中，无论是层状云降水还是混合性降水，包括对流性系统内，出现零度层亮带是它的普遍特征。分析此次过程的平均垂直廓线可以看出，广州地区春季大范围混合性降水也具备上述特征。由于亮带的存在，使得雷达在降水估测，特别是在较大范围的降水估计中受到严重影响。当雷达探测距离较远时，由于最低仰角的雷达波束所能探测到的区域位于亮带层中，雷达不能探测到位于亮带层之下的降水区，造成雷达探测降水高估。
3 利用MVPR对回波强度进行订正
我国新一代天气雷达主要沿用美国WSR－88D的扫描方式，最低仰角0.5°，再加上地球曲率的影响，距离雷达站越远探测高度越高。因此，雷达实际探测到的是一定高度上的回波资料。在进行定量降水估测时，我们主要考虑的是地面降水。这就需要根据实时的雷达垂直廓线，将0.5°仰角的回波强度订正到近地面的高度。
利用MVPR算法，对2010年4月29日16:00～22:00的雷达降水估测进行订正。选取D域范围为距雷达1～50 km的环形区域，垂直高度为10 km，等高层间隔Δh为250 m，雷达反射率因子Z的阈值为大于0 dBz(一般0 dBz以上的雷达回波才会带来有效降水)。Z－R关系中的A=200，b=1.6。用每个雷达体扫中实时计算的MVPR对雷达半径50～150 km的估算降水强度作实时订正。统计该时段内雷达站周边50～150 km范围内的14个雨量计的降水，与直接用雷达最低仰角估测降水和MVPR订正后的估测降水做对比分析，结果如表1所示。
从表1的数据可以看出，直接用雷达最低仰角估测的降雨量明显被低估，而订正后的降水量更接近雨量计的实测降水。以绝对误差率AD，作为雷达降水估算和订正效果的判据。
其中，Ri是雷达估算雨量，Gi是实测雨量，N是Ri和Gi同时不为零时的样本总数。由式(3)计算出雷达最低仰角估算降水的绝对误差率AD为28.9%，MVPR订正后的降水绝对误差率AD下降到13.7%。
经过MVPR订正后的估测雨量与雨量计实测降水依然有一定的误差，订正后太平、地豆等7个站的估测雨量大于实测雨量。可能的原因是，雨量计测量的是一个点的降雨量累积，MVPR反映的是一定区域内的平均回波状况，再经过Z－I关系转换为降水，都会带来一定的误差，在降水不均匀、变化大时，误差变化更大。
4 结论
MVPR的生成算法利用实测数据生成代表性廓线，简单易行，实用性高。廓线代表性的好坏取决于D域的选取，D域内必须分布有能够代表整个雷达探测范
利用雷达垂直廓线对广州地区降水估测订正的初步分析
