利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台风降水估测精度-气象.PDFVIP

利用雷达反射率因子垂直廓线改进复杂地形下的台  风降水估测精度 1,2 1 1 黄旋旋 朱科锋 赵坤 1 南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室，南京210093 2 浙江省宁波市气象局，宁波 315012 提要：本文发展了一种利用雷达垂直反射率因子廓线改进复杂地形下台风降雨的雷达定量估测方法。该方 法通过全局与区域最优拟合的垂直反射率因子廓线（VPR ）获取近地面的最优反射率，并获取最优的动态 Z-R 关系。该方法充分考虑了复杂地形下的垂直降雨结构特征以及地形增雨增幅影响，因此有效弥补了雷 达在复杂地形下VPR 监测不完整问题。利用浙江地区三个典型登陆台风对方法进行检验，结果表明，反演 的VPR 能够较好的反映洋面、平原与山区的低层反射率因子结构差异，符合实际降水系统低层结构特征。 相比传统的定量降水估计方法，改进算法较好的解决了复杂地形区域的强降水低估问题，其估测的小时降 水与地面检验的雨量站观测相关系数达到0.85-0.94，降水累积估测误差减少约50%。 关键词：复杂地形台风降水，雷达垂直反射率因子廓线，雷达定量降雨估测 引言 台风暴雨是影响我国东部沿海地区（地形复杂，多丘陵、山地）的灾害性天气之一。台 风造成的特大暴雨，易引发山洪和泥石流等次生灾害 （樊建勇等，2012 ；张亚萍等，2013 ； 陆桂荣等，2015 ），对人民生命财产造成巨大的损害。雷达是目前监测台风最有效地手段， 如何利用雷达资料提高台风降水估测的精度，对减少台风造成的灾害具有重要意义。 研究表明（Marshall et al, 1947 ），雷达反射率因子Z 和降雨效率R 之间存在有效性关系： Z ARb 。降水估计精度主要取决于两方面因素：近地面反射率和最优估计参数 A ，b 。前 者实际应用时一般采用最低仰角反射率，但当低层反射率廓线存在随高度递增或递减时，如 在台风等降水过程中，反射率随高度增大递减，则容易造成降水低估，因而相关研究通过反 演低层垂直反射率因子廓线（VPR ）来获取近地面最优反射率(胡胜等，2014 ；Qi et al,2014;  公益性行业专项(GYHY201506006) 、国家自然科学青年基金）、宁波市科技计划项目 （2015C50054 ）、宁波市气象科技计划项目（NBQX2014011B ）、浙江省科技厅公益项目 （2016C33012 ） 2016 年5 月16 日收稿， 第一作者：黄旋旋，主要研究方向为雷达气象。E-mail: gogo-feiche@163.com 通讯作者：朱科锋，主要研究方向资料同化、数值预报。E-mail: kefeng@ Wen et al,2011,2013; Wang et al,2014) 。后者主要通过降水类型分类，如分为暖雨，对流，层 云等，然后获取每一类的最优Z-R 关系(Xu et al, 2008) 。虽然台风降水更接近暖雨降水，但 实际过程尤为复杂，尤其在复杂地形区域，单一的 Z-R 关系来进行降雨估测容易导致极值 的偏差 。 雷达具有较高的时空分辨率、覆盖范围大，而自动雨量计具有单点观测雨量较精准的特 点，因此针对上述单一的Z-R 关系降雨估测的缺陷问题，研究在Z-R 关系提升降雨估测的 基础上，采用雷达-雨量计的融合方法来进一步提升定量降雨估测精度。该类方法主要有两 类：卡尔曼滤波方法和变分方法 （Ninomiya et al, 1978 ）。赵坤等（2001 ）对卡尔曼滤波方法 客观进行了应用评估，结果显示该方法具有较高估测精度。变分方法也取得了较好的估测效 果（东高红等，2012 ），而改进的变分理论，则进一步提升了降雨估测精度（马慧等，2008 ）。 除了上述两类方法，克里金法和最优插值法也被一些研究工作者应用于雷达估测降水（黄小 玉等，2009 ；李建通等，2015 ；勾亚彬等, 2014）。 上述雷达-雨量计的融合方法主要是数学算法优化更新过程，但对降雨的微物理结构特 性（如不同的降雨类型和地区的 Z-R 关系差异，强风环境下雷达和雨量计时空匹