L11-12_多普勒雷达测雨

多普勒雷达降雨探测国 内外研究应用情况
多普勒雷达定量估算降雨的误差来源
多普勒雷达不是直接测量降雨，而是通过 遥感的方法间接测量降雨，存在误差是不可 避免的。多普勒雷达定量估算降雨的误差来 源是多方面，主要有三种类型， 测量误差 算法误差 雨量计-雷达采样偏差
测量误差
测量误差又称系统误差，是指雷达测量的回波与实际降 雨不符所产生的误差。要使用多普勒雷达测雨回波图象进行 降雨估算，必须对其进行查错纠错。 测量误差一般由八种原因引起，包括 硬件性能 硬件标定 地物阻挡 杂物回波 异常传播 亮带 衰减 波束充塞
雨量计-雷达采样偏差
水平位移 当地面或距地面一定高度的地方存在水 平方向的风时，则测量的降雨在下落过程中， 就会受到水平方向的风的作用而发生实际落 点与测量时的位置不一致的情况，从而使雨 量计和雷达测量的降雨量产生一定的误差。 这种情况多发生在暴雨期间，此时多伴有大 风。
可对中小尺度雷暴天气系统进行监视 可估算高分辨率的流域降雨量 可进行中小尺度的数值降雨预报 可进行恶劣气象条件下的降雨探测
可对中小尺度雷暴天气系统进行监视
0 5. 6 洪 水 降 雨 过 程 监 视
可估算高分辨率的流域降雨量
雨量站：点雨量
广州市的流溪河流域约2100平方 公里范围内有21个雨量站，相当于在1 百平方公里范围内只有一个雨量站。
反映雷达降雨反射率因子与降雨率关系的方程
Z aRb
• Z是雷达降雨反射率因子 (度量单位为mm6／m3) • R是降雨率(度量单位为mm/h) 系数a和b除与雷达本身有关外，还与当地的地形，气候 及降雨成因有很大的关系。国产多普勒雷达取a=300， b=1.4。 在雷达的实际应用中，一般测量的是雷达回波强度dbz

算法误差
多普勒雷达降雨定量估算均采用Z-R关系，即根 据实测的雷达降雨回波率，利用Z-R关系反推降雨 率。对于多普勒雷达，采用的Z-R关系是基于统一 的参数a和b，而a和b的值是基于统一的滴谱分布而 提出来的，实际上情况并非如此，对于不同的降雨 类型及地形条件，a和b的值会有所不同，若采用不 变的a和b值，就会引起误差，误差来源主要是基于 下述2个方面的原因。 滴谱分布假定误差 反射率在垂直方向的分布误差
多普勒雷达定量探测的原理与方法
原理： 利用微波的反射现象 来对目标进行探测。 方法： • 接收到的回波信号的 强度，反映了雨强的 大小 • 电磁波在雷达与雨滴 之间传播所需要的时 间 ，反映了雨滴的位 置 • 通过回波强度与接受 回波 时 间， 进行降雨 的定点、定量探测。
多普勒雷达定量探测的原理与方法
多普勒雷达国内建设情况
中国气象局所属华云技术开发公司与美国洛克希德 －马丁公司共同投资组建了北京敏视达雷达有限公 司，在美国WSR-88D的技术基础上，结合相关技术 发展的最新成果，引进、吸收、消化，生产中国新 一代多普勒天气雷达，使用统一的品牌CINRAD 截止2004年，纳入国家计划进行建设的新一代天气 雷达共计93部，主要分布在东部沿海和七大江河流 域，以及西部重点地区。其中既有CINRAD雷达， 也有国产雷达。
可估算高分辨率的降雨量
而多普勒雷达可估测1平方公里范围的降雨， 相当于１平方公里就有1个雨量站
可估算高分辨率的降雨量
充分反映降雨在流域上的空间分布
进行中小尺度的数值降雨预报
可根据多普勒雷达测报的降雨反射率，进行 中小尺度的数值降雨预报 预见期为0-6小时， 1小时的降雨有一定的精 度，但预报时效越长，精度越低。
水信息学导论
多普勒雷达流域降雨定 量估算与预报
主要内容
多普勒雷达定量探测的原理与方法 多普勒雷达国外建设情况 多普勒雷达在防汛预警中的作用 多普勒雷达定量探测降雨国内外研究应用情况 多普勒雷达数据质量控制 多普勒雷达流域降雨定量估算方法 广州市多普勒雷达及流溪河流域研究成果介绍 多普勒雷达定量探测降雨的精度分析 多普勒雷达方程参数校正 广州市多普勒雷达流域降雨定量预报系统
测量误差
地物阻挡（Occultation） 当雷达波正前方有地物时，雷达波就会被阻挡而使地 物后部的降雨无法被探测到，这种情况称为地物阻挡。若 雷达安装的地点高程较高时，就可有效避免这种偏差的发 生。 异物回波(Clutter) 异物回波主要指由非雨滴物质引起的回波。由于大气 组成的复杂性，在降雨期间，大气中除雨滴外，还会有其 它物质，降雨回波率中也包含其它物质产生的回波，这时 异物回波中的一种。另外，异物回波还包括由体扫范围内 的建筑物及其它地物形成的回波，这类回波即使在没有下 雨的情况下也可以测量到。异物回波，或称杂物回波，一 般可通过统计方法进行剔除。
测量误差
硬件标定误差（Hardware calibration）
多普勒雷达测量的是雷达接收的降雨反射波的 功率，不是直接探测降雨，而是间接测量降雨，因 此需要对设备进行标定，这种标定不可避免的会产 生一定的误差。由于多普勒雷达在每一次体积扫描 中进行自动标定，因而降低了这种误差。目前，这 种误差在国外已可控制在2dbz的范围内。
算法误差
滴谱分布假定误差（Assumptions made about the drop size distribution） 滴谱分布对不同类型的降雨是不同的，而实际的滴谱 分布与当地的地形、气候、降雨成因及与雷达的距离有很 大的关系。目前使用的Z-R关系是基于统一的滴谱分布提出 来的，这样的Z-R关系具有较强的不确定性，采用统一的滴 谱分布率定Z-R关系参数进行降雨估算就会引起算法误差 反射率在垂直方向的分布误差（Variations in the vertical profile of reflectivity/bright band） 反射率在垂直方向的分布对不同类型的降雨是不同的， 实际的反射率在垂直方向的分布与当地的地形、气候、降 雨成因有很大的关系。假定反射率在垂直方向统一的分布 率定的Z-R关系参数就会有误差，也会引起相应的算法误差。

测量ropagation/bending of radar beam) 超折射也称为异常传播（AP），指雷达波在大气中的 不正常传播引起的测量误差，异常传播的一个重要来源是 波的折射引起的。当雷达波碰到一些物质时，会引起雷达 波的折射，从而产生特别强的雷达回波，这种超强回波一 般被称为超折射。出现超折射的单元也被称为异常点或噪 声点。 亮带（bright band） 当下落的雪花发生融化时，会在其周围形成一层液体 水，引起超强的反射率，这种现象被称为亮带。亮带一般 发生在溶点附近，因此当气温较低时容易发生。

测量误差
硬件性能误差(Hardware stability) 由于多普勒雷达是一种新型的电子装备，受到 制造水平及运行维护能力的限制，在实际运行过程 中，容易出现设备运行不稳及接受不到准确的信号 的情况，主要表现是发射机或接受机运行不稳定， 导致间断的发生数据漏测，如一个体扫中的若干单 元或若干个体扫数据丢失，其相应的单元的回波值 为255，本文称这种情况为数据缺测，缺测的数据 一般可采取插补延长的方法实现对数据的修补。 随着硬件性能的提高，国外雷达发生数据缺测 的机率已较低，但国产雷达发生数据缺测的机率仍 较高。
9个仰角的扫描数据
插入广州市多普勒雷达数据反演软件 界面
多普勒雷达国外建设情况
多普勒雷达（Weather Surveillance Radar— 88Doppler， 简称为WSR-88D）是由美国大气及海 洋管理暑（ＮＯＡＡ）所属的国家气象局（ＮＷＳ） 研究开发的新一代数字气象雷达，于1988年研究成 功并开始在全国部暑。 美国是应用多普勒雷达最早的国家，目前在美国 全国已部署220多台多普勒雷达，覆盖了其本土的 全部陆地表面，为洪水预警提供了新的手段。提供 的降雨估算值已作为美国洪水预报预警的重要数据， 并进入日常使用中。
广东省多普勒雷达站建设情况
广东已分别在广州、阳江、梅州、韶关和湛 江、深圳、河源建成并投入使用了7部新一代 天气雷达，其中，广东已成为我国新一代多 普勒雷达覆盖率最高的省份。 广州多普勒雷达为全国第二台同类雷达，位 于广州市番禺南村镇大镇岗山上 广州新一代多普勒雷达覆盖了广州市全境以 及珠江三角州的大部分地区，北江流域的部 分。
多普勒雷达国内建设情况
我国上个世纪80年代末开始进行多普勒天气 雷达的研制和在气象业务上的试用 90年代中期中国气象局正式将多普勒天气雷 达作为新一代天气雷达列入气象业务探测系 统的发展规划，并于1997年制订了《我国新 一代天气雷达监测网站点布局方案》 计划在全国建设126部多普勒天气雷达(2004 年又调整为158部)，建成我国新一代天气雷 达探测网
雨量计-雷达采样偏差
雨量蒸发与增长 雷达测量的是位于高空一定位置的雨量的反 射率，测量的降雨在下落过程中，可能会发生蒸 发从而使实际降落地面的雨量变小，测量的降雨 在下落过程中，也可能会发生与所接触的水气相 结合从而使实际降落地面的雨量增加的情况，这 样就会使雨量计和雷达测量的降雨量产生一定的 误差。雨量蒸发多发生在干旱地区，而雨量增长 则多发生在湿润地区。
广州 市多 普勒 雷达 站外 观图
广州多普勒雷达覆盖范围示意图
多普勒雷达成本
投资
• 4-5千万元（含土建），其中，雷达系统本身投 资约3千万元
运行
• 10-12人
运作模式
• 由国家及地方政府投资 • 气象部门管理 • 多部门应用：气象、防汛、海洋、农业
多普勒雷达在防汛预警中的作用
dbz 10lg Z
多普勒雷达流域降雨定量估算方法
多普勒雷达降雨定量估算方法
• 将实测的dbz换算成降雨反射率因子Z
Z 10
dbz 10
• 应用Z-R关系反推R
Re
ln( Z / a ) b
国产多普勒雷达方程参数
国产多普勒雷达Z-R关系参数是根据美国在实 验室进行长期试验得出的结果，其值统一取 为a=300，b=1.4，由于该值有较为可靠的科 学依据，并且经美国长期验证有较高的可靠 性，因此国产多普勒雷达一直取该值，包括 广州市多普勒雷达也取此值。