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雷达定量降水估计技术及效果评估

热带气象学报 2012年第1期28卷 77-88页

作者：高晓荣梁建茵李春晖中国气象科学研究院北京100081 中国气象局广州热带海洋气象研究所/中国气象局热带季风重点实验室广东广州510080 广州中心气象台广东广州510080

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Inte... 详细信息

为提高雷达定量估测降水的精度,利用广东省6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率配对法(PFT,Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估测,并采用最优插值法(OI,Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估计进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数(iω==1/RMSE(K)2/n∑i-1/RMSE(i)2)进行加权平均,并分别分析比较上述方法得到的降水估计与单纯OI雨量计及与雷达拼图回波强度得到的降水估计的优劣。以上各环节误差分析表明,对于单部雷达,雨量计降水强度与其上空9点平均的雷达回波强度关系最为密切;6部相同型号的雷达估测降水精度各异。交叉检验表明,OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可取得较好的校准效果;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一做一次OI订正的效果好。多部雷达降水估计拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;多部雷达降水估计的拼接值精度要明显高于OI雨量计,而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计而言,前者也优于后者。因此,多部雷达降水估计的拼接方法,对雷达资料的应用有较好的参考价值,在业务上也有一定的应用前景。

关键词：天气雷达概率配对定量降水估计交叉检验

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复杂地形下C波段雷达定量降水估计算法

FY-3A/MWHS数据在定量降水估计中的应用研究

气象学报 2021年第4期79卷 689-702页

作者：李巧戚友存朱自伟杨毅闵锦忠师春香张哲李东欢王楠胡启元兰州大学大气科学学院兰州730000 兰州大学大气科学学院兰州730000 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环实验室北京100101 中国科学院大学北京100864 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环实验室北京100101 中国科学院大学北京100864 南京信息工程大学大气科学学院南京210044 国家气象信息中心气象数据研究室北京100081 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环实验室北京100101 陕西省气象局西安710014

C波段雷达定量降水估计(QPE)精度受到很多因素的影响,主要包括:(1)雷达标定,(2)非气象回波的干扰,(3)降水物垂直空间变化,(4)地形或地物的严重遮挡,(5)Z-R关系的代表性,(6)雷达拼图的质量,(7)雷达观测回波衰减等.文中雷达定量降水估计... 详细信息

C波段雷达定量降水估计(QPE)精度受到很多因素的影响,主要包括:(1)雷达标定,(2)非气象回波的干扰,(3)降水物垂直空间变化,(4)地形或地物的严重遮挡,(5)Z-R关系的代表性,(6)雷达拼图的质量,(7)雷达观测回波衰减等.文中雷达定量降水估计算法基于陕西省C波段天气雷达展开,从雷达探测数据质量控制、地形遮挡、Z-R关系和雷达拼图等方面提高C波段天气雷达定量降水估计的精度,产生降水类型产品和1?h定量降水估计产品,产品空间分辨率为0.01°×0.01°,时间分辨率为6?min.通过对7次降水过程进行评估,结果表明:基于混合仰角反射率因子处理模块和降水类型分类模块进行雷达定量降水估计,得到的结果与地面雨量站观测降水接近,1?h累计降水量的统计评分指标均方根误差稳定在3?mm以下,相对误差稳定在50％左右,相对偏差保持在?30％以内,雷达定量降水估计产品的离散度和绝对偏差都较低,表明该算法得到的雷达定量降水估计稳定可靠.

关键词：天气雷达定量降水估计质量控制降水类型分类

来源：评论

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高原气象 2012年第5期31卷 1439-1445页

作者：崔林丽杨引明游然方翔上海市卫星遥感与测量应用中心上海201199 上海中心气象台上海200030 国家卫星气象中心北京100081

基于0903,0906和0908号台风期间的FY-3A极轨卫星微波湿度计(FY-3A/MWHS)数据,借助于多元线性逐步回归方法,探讨了利用FY-3A极轨卫星定量估计降水的方法,同时结合自动气象站实测资料、TRMM和FY-2C卫星降水估计结果对FY-3A/MWHS降水估计... 详细信息

基于0903,0906和0908号台风期间的FY-3A极轨卫星微波湿度计(FY-3A/MWHS)数据,借助于多元线性逐步回归方法,探讨了利用FY-3A极轨卫星定量估计降水的方法,同时结合自动气象站实测资料、TRMM和FY-2C卫星降水估计结果对FY-3A/MWHS降水估计精度进行了验证。结果表明,FY-3A/MWHS估计降水与地面实测降水具有较好的相关性,对不同等级雨量均有一定的估测能力,尤其对中等量级的降水无论是在降水落区还是在降水量级上均具有较高的准确率。与FY-2C静止卫星相比,无论是在对不同量级降水估计的"击中率",还是在估计精度方面,FY-3A/MWHS数据更具优势。利用FY-3A/MWHS对不同高度、不同角度的湿度响应特性开展定量降水估计,是降水估计方法的一种新的探索和必要的补充。

关键词： FY-3A卫星微波湿度计台风定量降水估计

一种可用于登陆台风定量降水估计(QPE)方法的初步建立

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气象科学 2006年第1期26卷 17-23页

作者：岳彩军陈佩燕雷小途杨玉华中国气象局上海台风研究所上海200030

借鉴Adler-Negri[1]、Goldenberg等[2]及李俊等[3]的工作,通过对三者工作的有机结合及完善,针对登陆台风GMS-5 IR1TBB特征及逐时观测雨量强度及水平分布特点,初步建立一种可用于登陆台风的定量降水估计(QPE)方法,并结合0104号登陆台风... 详细信息

借鉴Adler-Negri[1]、Goldenberg等[2]及李俊等[3]的工作,通过对三者工作的有机结合及完善,针对登陆台风GMS-5 IR1TBB特征及逐时观测雨量强度及水平分布特点,初步建立一种可用于登陆台风的定量降水估计(QPE)方法,并结合0104号登陆台风“尤特”个例,从各站点逐时雨量、过程雨量以及区域面雨量角度,分析检验了初步建立的云估计降水方法的定量估计能力。结果表明:(1)所建QPE方法可以反映出登陆台风逐时降水的水平分布不均匀性,可以分离出对流降水和层云降水,但对大于15.0 mm/h的降水强度估计能力有限。(2)51.7%的站点过程雨量相对误差小于20%,过程雨量相对误差小于40%的站点数占总站点数的75.9%,表明所建QPE方法对过程雨量的估计能力还是相当强的,这也间接反映了其对逐时雨量较强的估计能力。(3)所建QPE方法对逐时面雨量也具有一定的估计能力,可以为抗旱、防洪决策服务提供一定的参考。

关键词：登陆台风定量降水估计初步建立

耦合天气雷达定量降水估计与定量降水预报的中小流域洪水预报研究

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华北水利水电大学学报（自然科学版） 2022年第3期43卷 11-18页

作者：糜佳伟田济扬楚志刚刘荣华薛海华北水利水电大学河南郑州450046 中国水利水电科学研究院北京100044 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心北京100044 南京信息工程大学江苏南京210044 南京山禹云雷物联网科技有限公司江苏南京210044

为探究天气雷达定量降水估计和定量降水预报在中小流域洪水预报中的适用性,以梅溪流域为研究区,选取2012“苏拉”、2014“海贝思”、2016“尼伯特”3场台风引发的降雨洪水过程为研究对象,采用强降水识别技术改进天气雷达定量降水估计的... 详细信息

为探究天气雷达定量降水估计和定量降水预报在中小流域洪水预报中的适用性,以梅溪流域为研究区,选取2012“苏拉”、2014“海贝思”、2016“尼伯特”3场台风引发的降雨洪水过程为研究对象,采用强降水识别技术改进天气雷达定量降水估计的精度,利用光流法进行基于天气雷达的临近预报,构建了梅溪流域分布式水文模型,并耦合天气雷达定量降水估计和定量降水预报开展了洪水预报。结果表明:强降水识别能有效提升天气雷达定量降水估计的精度;对于降雨时空分布较为均匀的降雨,耦合天气雷达定量降水估计的洪水预报结果较雨量站测雨结果更具优势,耦合1 h预见期天气雷达定量降水预报结果能够满足中小流域洪水预报的需要;对于短历时强降雨和特大暴雨,受天气雷达定量降水估计和定量降水预报精度的影响,洪水预报效果较差。

关键词：强降水识别定量降水估计光流法中国山洪水文模型中小流域

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基于时空数据序列回归的定量降水估计算法研究

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基于时空数据序列回归的定量降水估计算法研究

作者：董宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

时空数据的挖掘和分析是一个重要的研究问题,在众多领域有很广泛的应用场景。例如,气象领域中含有大量多源异构的时空数据,而目前该领域内大部分问题的解决仍是通过传统方法和统计学习方法,本质上缺少对这些数据的建模能力,这造成气象... 详细信息

时空数据的挖掘和分析是一个重要的研究问题,在众多领域有很广泛的应用场景。例如,气象领域中含有大量多源异构的时空数据,而目前该领域内大部分问题的解决仍是通过传统方法和统计学习方法,本质上缺少对这些数据的建模能力,这造成气象服务的智慧化程度难以适应大规模数据的积累。因此设计合适的算法来学习气象领域时空数据之间的关系,并解决实际问题,是非常重要而又充满挑战的。本文针对气象领域的定量降水估计问题,基于时空数据建立了多种序列回归算法,开展了定量降水估计算法的研究。本文根据雷达回波和自动雨量计这两类时空数据,研究并建立了基于序列回归的定量降水估计算法。目前国内外主要通过传统方法和机器学习方法进行定量降水估计,其存在很多缺陷,尤其对暴雨和特大暴雨部分的估计十分不理想,因此本文提出了一种多任务循环卷积网络定量降水估计算法。设计了逐级缩放循环卷积神经网络单元,提取多尺度的原图信息,充分且有效地考虑时空数据的上下文特性;基于样本构建策略进行单元级联,建模了雷达回波数据的区域序列特征与中心点累计降雨量的复杂关系;引入分类任务辅助回归训练,提升强降雨部分的估计准确率;在回归和分类任务中还研究和比较了不同的损失函数。对广东省强降雨过程进行了大量的实验,结果表明该方法优于基准线方法,尤其在强降雨的估计上效果显著。进一步分析发现,多任务循环卷积网络定量降水估计算法在强降雨估计效果提升的同时,会出现部分中低等级降雨量估计误差偏高的问题,进而使全局指标降低;而Z-R关系方法在中低等级估计的误差较小。为了结合Z-R关系方法和循环卷积网络的优势,本文提出了基于Wide&Deep框架的定量降水估计算法。设计了联合训练函数,同时学习两部分的参数及权重。对广东省强降雨过程进行了大量的实验,结果表明该算法不仅在强降雨的估计上保持了良好的效果,也在全局的估计上得到了进一步提升,证明了Wide&Deep联合学习的有效性,为定量降水估计提供了另一种思路。

关键词：序列回归定量降水估计雷达回波数据自动雨量计数据

多种遥感平台（雷达、卫星）资料和雨量计资料综合定量降水估计技术

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多种遥感平台（雷达、卫星）资料和雨量计资料综合定量降水估计技...

作者：高晓荣中国气象科学研究院

学位级别：硕士

为提高雷达定量估测降水的精度,本文利用广东省境内的6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率密度法(PFT/ Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估计,并用最优插值法(OI/Opt... 详细信息

为提高雷达定量估测降水的精度,本文利用广东省境内的6部新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)回波资料和雨量计降水量观测资料,采用概率密度法(PFT/ Probability-fitting technique)建立Z-I关系进行单部雷达降水估计,并用最优插值法(OI/Optimum Interpolation)对降水估计进行订正;为扩大降水估测的范围,对多部雷达的降水估测进行拼接,采取重叠区域以各部雷达的均方根误差平方的倒数作为权重系数进行加权平均,得到分辨率为0.010×0.010的降水分析产品,并分别分析比较多部雷达降水估计的拼接与单纯OI(Optimum Interpolation)雨量计及与雷达拼图回波的降水估计的优劣;对于CMORPH资料和雨量计资料采取基于OI的有效合成,得到分辨率为0.1250×0.1250的降水分析产品;最后将两种不同分辨率进行区域定量协调。以上各个环节误差分析表明:对于单部雷达,雨量计上空9点平均的雷达回波强度与降水强度关系最为密切;逐6min雷达降水估测值再累加为1h,比雷达回波强度平均与逐时雨量计降水配对的精度要高;6部相同型号的雷达估测降水精度各异;对于多部雷达的降水估测,单部雷达先分别进行OI订正后拼接,然后对重叠区再次OI订正的结果比直接对未订正的单部雷达降水估计拼接后统一一次OI订正的效果好。交叉检验表明:OI雷达法对单部和多部雷达估测降水均可以取得比较好的校准效果;多部雷达降水估测拼接时,前期对于单部雷达降水估计的订正尤为重要;用多部雷达降水估计的拼接得到的降水估计值精度要明显高于OI雨量计的精度;而相比由雷达拼图回波强度得到的降水估计值的精度而言,前者也优于后者。前期雨量计订正CMORPH能有效减小系统偏差;CMORPH融合了雨量计资料,比单纯OI雨量计的效果要好。两种不同分辨率有着明显的区域差异特征;获取的一套降水产品既能体现雷达资料的优势、又能体现CMORPH融合雨量计的优势,在降水估测精度和扩大降水估测范围上都有了较好改观,能够反映不同尺度平台的降水信息。

关键词：天气雷达概率配对定量降水估计融合交叉检验

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基于迁移学习的缺资料地区定量降水估计

基于迁移学习的缺资料地区定量降水估计

作者：刘昭妤电子科技大学

学位级别：硕士

降水作为维持地球生态系统的重要组成部分,在供水、农业生产、生态系统、气候等方面都发挥着重要的作用。通过研究历史降水事件学习区域范围内的降水模式,对于区域内的洪灾防治、农业决策具有十分重要的意义。降水的实际观测值一般由水... 详细信息

降水作为维持地球生态系统的重要组成部分,在供水、农业生产、生态系统、气候等方面都发挥着重要的作用。通过研究历史降水事件学习区域范围内的降水模式,对于区域内的洪灾防治、农业决策具有十分重要的意义。降水的实际观测值一般由水文气象站提供,由于技术、人力等因素,一些地区无法建立水文站点,获取降水数据十分困难。然而,随着全球气候变暖,极端降水事件频发,缺资料地区面临的山洪风险日益加剧,迫切需要获取有效的降水数据,来为气象监测、水资源管理提供依据。如何在缺资料地区提升降水估计精度,也成为了具有挑战性的问题。将卫星降水数据和实测降水数据进行融合已被证明是提高定量降水量估计准确性的有效方法。然而,目前缺资料地区的数据融合一般只考虑单一要素,难以获取精准的时空特征。迁移学习近年来被应用于气象、水文等领域。针对于缺资料地区的降水估计问题,迁移学习可以提取源域与目标域降水事件的通用特征,扩充了缺资料地区的数据集,获取降水时空特征,提升估计精度。本文提出了一个基于迁移学习的框架(微调网络和域对抗神经网络)来改进数据稀缺地区的降水估计。为了证明迁移学习模型的有效性,本文以青藏高原作为研究对象,融合了2001-2005年间TRMM卫星数据、地面雨量计数据、Grid Sat-B1数据和DEM数据,以中国降水资料充足地区作为源域,青藏高原的82个雨量站为目标域,进行定量降水估计实验。结果表明,青藏高原融合降水的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)用微调网络降低了27.6%和22.5%,用域对抗网络(DANN)降低了29.4%和21.5%。DANN融合降水的相关系数(CC)从0.54增加到0.65。同时,迁移学习结果在空间上分布不同,CC从研究区域的东南部(0.80)到西北部(降水强度下表现良好,而在损失函数中加入Swish可以帮助域对抗网络在极端降水估计上取得更好的结果(RMSE和MAE分别降低了2.5%和4.5%)。鉴于模型的性能受源域选择、研究周期长度等影响,本文使用1999-2019年51个雨量站的数据,对在长时间序列下的模型性能进行了讨论,并生成了青藏高原地区的21年融合数据集。研究结果表明,迁移学习为改善数据匮乏地区的降水估计提供了新的见解和方法,这对区域水资源管理、灾害防治、农业生产等人类生产活动具有重要的意义。

关键词：定量降水估计迁移学习微调网络域对抗网络青藏高原

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双偏振天气雷达定量降水估计关键技术研究

双偏振天气雷达定量降水估计关键技术研究

作者：黄朝盈南宁师范大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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4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6mm/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。

关键词：双偏振雷达模糊逻辑分类雨滴谱定量降水估计