双偏振天气雷达定量降水估计关键技术研究

论文摘要

降水时空分布是地理学科的重要研究内容,不同的地理区域具有不同气候和气象特征的降水时空分布。在气候变化背景下,用遥感手段获取降水信息越来越成为地理信息系统数据的主要来源。随着遥感技术尤其是双偏振雷达技术的提高,基于双偏振雷达定量降水估计（Quantitative Precipitation Estimation,QPE）技术成为气象GIS的研究热点之一。国内学者为了获取更准确的QPE产品,利用双偏振天气雷达数据开展了大量的研究。然而,双偏振雷达的定量降水估计技术仍存在不足,例如针对双偏振雷达观测数据的质量控制。本论文以广州双偏振天气雷达（后文统一称为双偏振雷达）对2017年广州5.7暴雨降水过程的观测为例,研究双偏振雷达定量降水估计的关键技术,为我国气象部门的天气雷达升级改为双偏振雷达之后的定量降水估计提供技术支持和参考。首先,基于模糊逻辑算法开发的MetEcho算法,对雷达回波中存在的非气象回波进行识别并剔除。其次,根据不同的雷达观测变量对不同相态水凝物的敏感性差异,研究水凝物相态的识别算法。本研究结合探空数据,将水凝物划分为11类:1)大水滴（Large Drops,LD）;2)小雨（Drizzle,DR）;3)中雨（Rain,RA）;4)大雨（Heavy Rain,HR）;5)雨和冰雹混合（Rain-Hail mixture,RH）;6)冰雹（Hail,HA）;7)霰（Graupel,GR）;8)湿冰（Wet Ice,WI）;9)干冰（Dry Ice,DI）;10)晶体（Crystals,CR）;11)不规则晶体（Dendrites,DN）。然后通过经验阈值的检查对分类结果的可靠性进行验证。然后,为了提高雷达定量降水估计的精度,根据广东省阳江市2014年和2015年的45月雨滴谱观测数据分析广东省的雨滴谱特征并计算雷达变量,通过最小二乘法拟合获得雷达观测变量和降水率的关系式。最后对广州5.7暴雨的雷达观测数据进行定量降水估计,并用地面雨量站观测数据评估定量降水估计的精度。采用相关系数（CC）、相对偏差（RB）、均方根误差（RMSE）以及分类评分指标,从时间和空间的尺度上定性、定量的评估降水估计的精度。结果表明:1)空间分布上,雷达定量降水估计（RQPE）和雨量站观测（GGKRIG）具有很高的空间相关性（CC=0.93）,雷达很好地捕捉到整个降水过程的空间分布格局;2)时间分布上,雷达轻微高估了研究区内的降水,RB=0.37%。雷达高估了降水中心的累积降水量,RB值高达27.62%;3)RQPE的POD、CSI值随着降水率的增大而递减,FAR随之递增,CSI在降水率>1mm/h时表现最佳,降水率为36mm/h时RQPE表现较差。总体上,雷达对此次强降水降水量的估计表现较佳,基本能捉住此次暖区强降水过程的时空分布,在强降水中心的降水估计方面仍需改进。本文的主要结论如下:1)天气雷达数据的质量与后续的应用密切相关,例如水文气象、山洪预警以及雷达定量降水估计等。本文采用的MetEcho算法可以识别大部分的气象回波,达到质量控制的目的。2)双偏振雷达的偏振变量对不同相态的水凝物具有不同的特性和敏感性,本研究通过模糊逻辑算法,O℃层的识别以及经验阈值的比较,建立水凝物的分类算法（HCA）,将水凝物划分为11类,主要通过输入4种雷达偏振量实现水凝物的分类。3)基于华南雨滴谱数据拟合的降水关系式计算得到雷达的定量降水估计产品（RQPE）,结果表明RQPE和地面雨量站数据相比具有较高的相关系数（CC=0.93）,较低的均方根误差（RMSE=6.61mm）,表明雷达能较好地监测到极端降水过程的时空变化趋势。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 选题依据和意义
•   1.2 天气雷达发展史
•   1.3 主要偏振参量的物理意义
•   1.4 雷达定量降水估计研究进展
•   1.5 论文的研究目的,内容和技术路线
• 2 研究区域与资料
•   2.1 研究区域
•   2.2 资料
•     2.2.1 双偏振天气雷达数据
•     2.2.2 雨量站数据
•     2.2.3 雨滴谱观测数据
•     2.2.4 数字高程数据
•     2.2.5 探空数据
• 3 降水关系式的计算
•   3.1 雨滴谱仪
•   3.2 雨滴谱参数计算
•   3.3 雷达变量和降水率关系式建立
• 4 雷达非气象回波识别
•   4.1 雷达噪声种类与特征
•   4.2 雷达噪声抑制方法
•     4.2.1 雷达偏振变量处理
•     4.2.2 隶属度计算
•   4.3 融化层识别
•   4.4 空洞填补
• 5 双偏振雷达定量降水估计方法
•   5.1 雷达数据处理
•     5.1.1 雷达地形遮挡分析
• DP的去折叠处理'>    5.1.2 （?）_DP的去折叠处理
• DP估计'>    5.1.3 K_DP估计
•     5.1.4 过滤噪点
•   5.2 基于模糊逻辑的降水粒子分类
•   5.3 定量降水估计分析方法
• 6 广东省双偏振雷达定量降水估计和验证
•   6.1 雷达和雨量站观测数据匹配
•   6.2 定量降水估计
•   6.3 结果分析
•     6.3.1 地形遮挡分析
• DP去折叠'>    6.3.2 （?）_DP去折叠
•     6.3.3 去除非气象回波
•     6.3.4 气象类型分类结果
•     6.3.5 雷达噪点过滤
•     6.3.6 雷达估计精度分析
•   6.4 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 总结
•   7.2 创新点
•   7.3 存在问题及未来的研究方向
• 参考文献
• 已发表论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄朝盈

导师: 陈生,胡宝清

关键词: 双偏振雷达,模糊逻辑分类,雨滴谱,定量降水估计

来源: 南宁师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学

单位: 南宁师范大学

分类号: P412.25;P426.6

总页数: 70

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