业务双偏振雷达网与自动站联合定量降水估测方法及效果分析研究

论文摘要

随着越来越多的双偏振雷达投入到业务应用中,迫切需要建立一套适合业务运行的双偏振雷达降水估测算法。本文分析了苏州、阳江和那曲三地的雨滴谱（DSD）特征,并基于雨滴谱数据讨论选取最优的降水估测公式拟合方法,拟合得到降水估测公式,并形成了一套考虑冰雹影响的本地化双线偏振雷达降水估测算法,将该算法应用到广东省发生的多次降水过程,评估降水估测结果并分析误差原因。在形成的单部双偏振雷达降水估测算法的基础上,建立联合自动站雨量数据估测降水的算法,同时讨论了自动站密度对于降水估测结果的影响。考虑到双偏振雷达逐步布网的情况,初步讨论建立了业务双偏振雷达组网的算法。主要结论如下:（1）比较苏州、阳江和那曲三个地区的DSD特征,在小粒子端（D<1mm）苏州的数密度最大,而在大粒子端（D>1mm）阳江的数密度最大,根据三地DSD数据模拟得到的偏振雷达参量具有明显的地区差异,意味着降水估测公式也存在地区差异,因此需要结合当地的DSD建立本地化的降水估测公式和算法,其后的试验验证了公式和算法本地化的必要性。在考虑观测数据存在偏差的条件下,基于DSD数据的模拟试验和利用雷达实际观测数据的试验都证明了非线性分段拟合方法（PFM）是最优的降水估测公式拟合方法。（2）本文提出的双偏振雷达降水估测算法,对于一般性（小时雨量小于50mm）的降水估测效果较好,在估测一次超强降水雨量时,严重低估了小时雨量大于50mm的降水,分析原因,该次过程与阳江的滴谱（降水估测公式由此数据拟合得到）特征相比,雨滴平均直径偏小,数密度偏大,雨滴谱的巨大差异导致了降水的低估,用R（AH）代替算法中的R(KDP,ZDR)进行估测,效果得到明显改进。（3）联合自动站雨量数据估测降水,一方面利用自动站雨量数据实时订正降水估测公式,使得公式能够时刻适应DSD的变化,因此缓解了估测误差随小时雨量的明显变化;另一方面,在此基础上利用自动站雨量数据根据最优插值法对估测结果进行空间订正,订正过后算法估测效果和稳定性都得到了明显的改善。相对于单偏振雷达,双偏振雷达在使用本文提出的联合自动站雨量估测降水的方法时,对自动站的依赖性不高,当每20km×20km区域内有一个自动站时即可满足对双偏振雷达估测降水的优化需求。（4）阳江雷达受地形影响严重,在对广州和阳江雷达数据进行必要的质量控制之后,选取受地形影响较小的共同覆盖区域,对比数据,发现两部雷达的数据一致性较好,可以进行组网。双偏振雷达组网能够解决单部雷达在地形遮挡和距离雷达较远地区的部分降水估测问题,得到相比单部雷达更精确的降水估测结果,经过对混合扫描策略的改进以及零度层亮带中偏振雷达参量ZH和ZDR的订正,雷达组网估测降水的效果得到进一步改善。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题依据和意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 双偏振雷达数据质量控制进展
•     1.2.2 雷达降水估测公式进展
•     1.2.3 雷达降水估测算法进展
•     1.2.4 联合雷达和自动站雨量估测降水的进展
•     1.2.5 雷达组网估测降水的进展
•   1.3 问题的提出
•   1.4 研究目的和研究内容
•     1.4.1 研究目的
•     1.4.2 研究内容与论文安排
• 第二章 基本数据及处理方法介绍
•   2.1 双偏振雷达数据及质量控制方法
•   2.2 自动站雨量数据及质量控制方法
•   2.3 雨滴谱数据及质量控制方法
•   2.4 基于雨滴谱数据的偏振雷达参量的模拟和验证
•   2.5 降水估测的评估方法
•   2.6 本章小结
• 第三章 基于雨滴谱的降水估测公式拟合方法的建立与讨论
•   3.1 引言
•   3.2 降水估测公式拟合方法介绍
•     3.2.1 降水估测公式
•     3.2.2 传统拟合方法
•     3.2.3 分段拟合方法
•     3.2.4 模拟试验的评估方法
•   3.3 降水估测公式拟合方法的对比
•     3.3.1 基于模拟数据对拟合方法的理论分析
•     3.3.2 基于实际观测数据对比不同的拟合方法
•   3.4 对降水估测公式本地化的分析
•     3.4.1 三个地区基于雨滴谱的偏振雷达参量的比较
•     3.4.2 基于雨滴谱分析利用非本地化降水估测公式的效果
•     3.4.3 基于实际观测数据分析利用非本地化降水估测公式的效果
•   3.5 本章小结
• 第四章 双偏振雷达降水估测算法的建立及效果分析
•   4.1 引言
•   4.2 数据与方法
•     4.2.1 双偏振雷达降水估测算法
•     4.2.2 降水微物理参数的反演方法
•   4.3 降水估测结果及分析
•     4.3.1 算法对九次降水过程的估测情况
•     4.3.2 算法对一次超强降水的估测情况
•     4.3.3 超强降水雨滴谱的特征及对降水估测的影响
•     4.3.4 对三个强降水站点处影响因素的分析
•   4.4 算法的改进及效果分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 双偏振雷达联合自动站雨量数据估测降水
•   5.1 引言
•   5.2 数据与方法
•     5.2.1 单、双偏振雷达联合自动站雨量估测降水的差异与特点
•     5.2.2 实际降水估测相对于雨滴谱模拟结果的问题
•     5.2.3 双偏振雷达联合自动站雨量数据估测降水算法的建立
•   5.3 联合自动站雨量数据估测降水的结果分析
•     5.3.1 联合自动站雨量数据估测降水的优势
•     5.3.2 自动站的密度对降水估测结果的影响
•   5.4 本章小结
• 第六章 双偏振雷达组网估测降水
•   6.1 引言
•   6.2 双偏振雷达数据及一致性的分析
•     6.2.1 双偏振雷达的遮挡率
•     6.2.2 双偏振雷达数据的一致性分析
•   6.3 双偏振雷达组网降水估测算法
•     6.3.1 零度层亮带的数据订正
•     6.3.2 混合扫描策略的改进
•     6.3.3 双偏振雷达组网估测降水的方法
•   6.4 双偏振雷达组网结果
•     6.4.1 双偏振雷达数据组网结果
•     6.4.2 双偏振雷达组网进行降水估测的结果
•   6.5 本章小结
• 第七章 结论与讨论
•   7.1 本文内容总结
•     7.1.1 基本数据及处理方法介绍
•     7.1.2 基于雨滴谱的降水估测公式拟合方法的建立与讨论
•     7.1.3 双偏振雷达降水估测算法的建立及效果分析
•     7.1.4 双偏振雷达联合自动站雨量数据估测降水
•     7.1.5 双偏振雷达组网估测降水
•   7.2 论文特色和创新点
•   7.3 存在的问题和未来的研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张扬

导师: 刘黎平

关键词: 雨滴谱,雷达定量降水估测,本地化,联合自动站,雷达组网

来源: 中国气象科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国气象科学研究院

分类号: P412.25

总页数: 109

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