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赵坤教授课题组在双偏振雷达定量降雨估测研究方面取得重要进展
阅读:689次 发布时间:2018-06-21 10:37

赵坤教授课题组在双偏振雷达定量降雨估测研究方面取得重要进展


   我国历来自然灾害频发,而暴雨洪涝灾害占了其中很大的比重。根据国家减灾委办公室公告,2017年全国自然灾害直接损失达3018.7亿,其中暴雨洪涝造成损失达63%。因此,对降雨的定量监测十分重要,它一方面有利于强降水和城市内涝的预警,同时可应用于水文、地质等次生灾害的预报。双偏振天气雷达具有时空分辨率高、覆盖面积广、适用地形广泛、可进行三维观测等优点,被广泛地应用于定量降雨估测。南京大学大气科学学院赵坤教授课题组在双偏振雷达定量降雨估测研究方面取得重要进展。研究成果以“Quantitative Precipitation Estimation with Operational Polarimetric Radar Measurements in Southern China: A Differential Phase-Based Variational Approach”为题,被《Journal of Atmospheric and Oceanic Technology》杂志接收,南京大学为论文第一单位。


   论文提出了一个利用双偏振雷达水平反射率因子ZH和总差分相位FDP观测进行定量降雨估测的变分方法,提高了我国业务天气雷达定量降雨估测精度。文中以南京大学二维视频滴谱仪在华南地区长时间准确的雨滴谱观测为基础,建立了降雨率R与比差分传播相移KDP之间的统计关系。利用该关系作为变分分析的观测算子,发展了变分降雨估测方法。分析中引入了三次B样条径向平滑滤波,保证了降雨的空间连续性和一致性,并通过对比试验选择了最优的平滑因子,在降低FDP误差对降雨估测影响的同时保证了降雨的空间物理变化。论文利用华南广州雷达在2016年5-6月的7个强降水个例的观测,对变分降雨估测方法进行了定量评估。相比于常规业务雷达使用R(KDP)算子的降雨估测(见下图a),变分定量降雨估测(下图b)与雨量计观测的相关系数(CC)增加7%,均方根误差(RMSE)下降47%。为降低FDP随机误差和后向散射相位的影响,变分反演中还引入了常规降雨估测算子R(ZH)为先验估计,并根据雨滴谱观测确定了雨滴谱不确定性和观测误差导致的误差特性,进一步提高了定量降雨估测精度,结果如图c所示。相比于图b而言,CC提升了3.3%,RMSE降低了12.5%。在我国业务布网双偏振雷达全面升级的背景下,该研究结果在未来可广泛应用于双偏振雷达定量降雨估测,对我国降水监测具有重要意义。


图:2016年5-6月华南7个降雨过程中,雨量计观测和雷达1.5度仰角扫描定量估测的小时累积降雨量的比较,其中所用的降雨估测方法为(a)业务R(KDP)算子、(b)不引入先验估计的变分降雨估测方法和(c)引入R(ZH)为先验估计的变分降雨估测方法。降雨量分档均为1 mm,填色代表了概率密度。


   本研究受到国家自然科学基金,国家重点基础研究发展规划(973计划)的资助,论文第一作者是大气科学学院博士黄浩,联合通讯作者为赵坤教授和张贵付教授。


成果链接:

Huang, H., Zhao, K., Zhang, G., Lin, Q., Wen, L., Chen, G., et al. (2018). Quantitative Precipitation Estimation with Operational Polarimetric Radar Measurements in Southern China: A Differential Phase-Based Variational Approach. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.

https://doi.org/10.1175/JTECH-D-17-0142.1