多普勒天气雷达在不同降水类型中Z-R关系及检验

韩洁 李恩莉 冯富强

摘要：利用宝鸡多普勒天气雷达的基本反射率因子以及宝鸡区域站和自动站的逐分钟或10 min雨量资料.将2015年汛期降水分为积状云降水、层状云降水、层积混合状降水，并分别计算三种降水类型的Z-R关系中的A、b值。再对一次降水过程中的自动站雨量进行检验，检验结果显示96.1%的估测与实况值的差距在5 mm以内。且根据降水强度的不同，发现新的Z—R关系在雨强较大时，降水估测值误差大。

关键词：多普勒雷达;Z-R关系;宝鸡

中图分类号：P412

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）8-0209-02

1 引言

多普勒雷达提供的丰富产品为制作精细和准确的短时及临近预报预警提供了最有力的支撑。本文对雷达的Z-R关系进行重新计算，旨在为越来越重要的短临预报预警中提供更为有效地定量估测降水。近年来，随着区域气象站的建成，使得加密监测成为可能，尺度较小的短时强降水也能被准确的监测。为了提高雷达定量估测降水的能力，确定一个适合宝鸡当地的反射率因子Z和降雨率R之间的关系，对短时强降水的短时预报预警有着重要的意义。

2 资料选取和方法

利用天气雷达的基本反射率因子及宝鸡各自动站、区域站雨量的统计数据，对201 5年5～8月的13次降水过程，根据降水类型划分为积状云降水、层积混合状降水和层状云降水，再将距离区域站或自动站最近的雷达回波强度挑选出来。已有的研究表明[1]雷达资料与该分钟观测到的前6 min降水量相对应，依照此原则，由于区域站无逐分钟雨量，因此选择区域站或自动站雷达回波强度前10 min的降雨量，求出小时雨强。

在雷达回波选取过程中，雷达回波强度值小于10dBz的资料，对降水贡献几乎没有或者很小，所以不进行处理，而对于大于60 dBz的资料。则按照60dBz进行处理，因为少数大雨滴对Z的贡献远大于对R的贡献。另外，因为雷达波束高度随距离增加而增加，雷达有效照射体积随距离的增加而增加可能出现波束未充塞，因此对反射率因子Z取值时还要选择不同距离上选取的仰角，考虑多种因素确定不同距离的最佳仰角如下表1。由于区域站数据部分缺失，去除区域站数据为O的数据，最终挑选出707个样本进行计算。寶鸡区域站的分布图如图1所示。

3 理论应用分析

利用雷达实测的强度值和相对应雨强值进行比较分析得到Z-R关系[2]。实际应用中雷达图上直接观测到的产品是等效反射率因子，而非反射率因子。因此本课题分析等效反射率因子与雨强的关系。一般定义等效反射率因子（dBz）为：Ze=10lgZ，Ze与雨强R的关系可变化为Ze= lgA+blgR，定义R*=lgR。利用最小二乘法可得这直线的截距和斜率，对截距取反对数即可得到A值[3]。

对2015年汛期的降水天气过程进行分析，利用0.5°仰角、1.5°仰角、2.4°仰角的雷达基本反射率因子和地面自动站或区域站降水量资料，经过筛选后，选择707个样本，得到三种降水类型下的Z-R关系来替换原有的Z=300RL4。

4 Z-R关系的建立

对选取的707个样本统计出等效反射率因子和雨强，二者分布如图2。

从图2中可以看出，R随Z的增大而增大，但两者并不是简单的线性关系。但R*和Ze呈线性关系，Ze、R*两者关系密切，相关系数为88.35%。一般的同归方程为：y= bo+bx，这里，有针对性的假设两个变量Zc与R*的同归方程为：Ze=A*+bR*;很显然A*和b不同时直线的斜率和截距就不同，根据黄嘉佑的《气象统计分析与预报方法》，回归系数可直接表示为：

x及y分别为其平均值。用A*替换上式中的bo，Ze替换y，R*替换x即可算出相应的A和b值。根据上述方法对2015年的707个样本进行分类分析，从距离和强度上分别分析计算出A和b值及强度与雨强的相关系数（表2）。

5 Z-R关系的检验

利用雷达基本反射率资料和自动站的逐分钟降水量，对2016年6月23日00：00～08：00时的3个自动站的254个样本的Z-R关系进行检验。对这次过程的估测值和实况值求相对误差（图3）。

在对过程的检验中发现，18.1%的估测值较实况值偏多0.05 mm左右，81.9%的估测值较实况值偏少0.44～5.97 mm。96.1%的估测与实况值的差距在5mm以内。且根据降水强度的不同，发现新的Z-R关系在雨强较大时，降水估测值误差大。

结合各类文献，可能造成误差的原因：①每次降水过程的雨滴谱不同。②一般情况下，探测距离越远，雷达测量精度越低，误差越大。③宝鸡地区南北部为山区，地形复杂，影响Z-R关系的确性。

6 结语

（1）将2015年汛期13个降水天气过程分类为积状云降水、层状云降水、层积混合状降水，并计算出不同降水类型下的Z- R关系式中的A，b值。

（2）对2016年一次降水过程进行检验，检验结果显示96.1%的估测与实况值的差距在5毫米以内。本地化的Z-R关系具有雨强越大，降水估测值误差越大的特征。

参考文献：

[1]梁建茵，胡胜，雷达回波强度拼图的定量估测降水及其效果检验[J]，热带气象学报，27（1）;1～10.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M]，北京：气象出版社，2006：217～231.

[3]张培昌，杜秉玉，戴铁丕，雷达气象学[M].北京;气象出版社，2000.