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1、雷达定量测量强降水的自适应方法研究一、研究意义近年来我国城市化进程加快，城市洪涝灾害问题日益凸显，遇到量级较大的降水时，由于城市蓄水排水能力差，易造成城区内的暴雨和洪涝灾害，给经济发展和人民生命财产造成重大损失，因此，研究城市致灾暴雨洪水的预报预警，对防灾减灾有理论意义和应用价值。二、国内外雷达估算降水方法[2]关于利用雷达开展降水估算的研究国内外已经开展了很多年，主要分为三类：概率配对法、Z-I关系法和基于Z-I关系的数学校正法。三类方法都是根据雷达观测的反射率因子Z估算降水强度I。（1）概率配
2、对法由Zawadzki等、Atlas等提出，该方法假设任一点任一时刻出现雨强为I的可能性与出现雷达反射率因子为Z的可能性相等，根据两者概率相等的原则可配出一系列的Zi和Ii对，针对每个配对统计确定Z与I的对应关系。例如根据雷达不同距离段不同仰角PPI资料与雨强I建立概率配对序列，然后对所有Z和I的配对利用线性回归统计方法建立它们之间的对应关系。也可不刻意寻找雷达反射率因子Z与雨强I之间的函数关系，而是将不同的Z和I进行简单数值对应，他们将回波反射率5～55dBZ以间距5dBZ划分为8个等级，根据统
3、计确立了上述8个回波等级分别对应0、2、5、10、17、25、36和48mm8个降水值。这种做法的好处在于计算简单，可迅速估算出降水量，其缺点也是显而易见的，将一些反射率区间与有限的几个雨量值对应显然存在不合理性。（2）Z-I关系法根据Z=AIb指数关系进行雷达估测降水计算。Z-I关系法可分几类：固定Z-I关系法、动态Z-I关系法、分型Z-I关系法。①、固定Z-I关系法通过对历史资料进行统计，确定一个固定的Z=AIb指数关系并据此进行雷达降水估测；②、动态Z-I关系法不使用历史统计的Z-I关系，而
4、是利用实况资料频繁建立动态的Z=AIb关系；③、分型Z-I关系法将降水回波性质分为对流云、层状云、冰雹、暖雨区等情况建立不同的Z=AIb关系并计算定量降水。优缺点比较：固定Z-I关系法计算简单快速，但其关系式不能适应降水系统的变化，且需要大量历史资料来建立统计关系；动态Z-I关系法能够适应天气形势的演变，这种做法比使用单一Z-I关系合理，缺点是没有对回波分类进行降水估测；分型Z-I关系法考虑了不同类型回波对Z-I关系的影响，效果更好些，但业务应用中却很难实现自动划分降水回波类型。（3）基于Z-I关
5、系进行数学校正法是通过卡尔曼滤波、变分校正等不断逼近降水实况使降水估算效果更加理想，但计算相对复杂，消耗的计算机资源较大。该方法依赖于Z-I关系的初始场降水估测，误差小的Z-I关系反演的降水初估场能节省这类算法的计算时间并提高计算精度，因此研究误差小的Z-I关系法十分必要。一、总体目标（1）针对无锡等代表性城市的暴雨预报，建立和试验城市区域多普勒雷达回波临近预报的外推算法；（2）研究适于城市暴雨的雷达定量测量降水量的动态自适应的Z-I关系。根据雷达反射率因子与雷达扫描覆盖区的地面雨量资料，建立适于
6、城市区域暴雨的动态自适应的Z-I（雷达反射率与雨量计）关系，计算城市及周边区域逐时段的面雨量分布，为洪涝预警提供依据。二、误差来源雷达定量测量降水的主要误差来自几方面：（1）降水对雷达电磁波的衰减,（2）雷达有效照射体积和地面雨量计附近雨滴谱分布的空间差异,（3）雷达波束的平均作用,（4）地物杂波干扰。三、文献阅读[1]白先达,王艳兰,孙莹.雷达定量测量降水.气象科技,2011年2月,39(1):61-65.该中指出：用最优化方法统计Z-I关系中的A、b系数，定量测量降水能力得到明显的提高。做法：
7、根据固定一地雷达定量测量降水的研究,尝试不分天气系统,将雷达回波的强度进行分级,直接与地面雨量测量资料进行统计,得到不同雷达回波强度级别所对应的地面雨强。步骤：1）资料处理：雷达回波资料处理、雨量资料处理（涉及质量控制）；2）选用混合探测扫描面；3）用最优化方法调整当地各级回波强度的Z-I关系；4）美国WSR-88D定量测量降水的关系Z=300R1.4不分降水类型,不分季节,统计出来的降水偏差很大,一般情况是小雨估测偏大,大雨估测偏小；通过对不同雷达回波强度级别使用不同的Z-I关系后,回波强度各级
8、别的降水估测误差明显减小,特别对小雨的过高估测得到了明显的纠正。[2]汪瑛，冯业荣，蔡锦辉，等.雷达定量降水动态分级Z-I关系估算方法[J].热带气象学报，2011，27(4):601-608.该文指出：动态分级Z-I关系法是一种对雷达QPE和回波反射率预报场反演降水场都较好的方法，并且改进了对短时强降水、尤其是大于55mm/h的短时极强降水低估的问题；在业务计算中仅需15秒，能满足6分钟更新一次计算结果的需要，而且不依赖气候统计，便于移植。方法：为了便于对比和寻找最优方案，本文设
