雷达-雨量计联合估测降水方法改进研究

High accuracy quantitative precipitation estimation(QPE) at high spatial and temporal resolutions is of high practical value in meteorology, hydrology, catastrophology, ecology and other fields. Through the unremitting efforts of many scientists, the accuracy of radar-gauge QPE has been improved continuously, but there are still some problems to be solved urgently：1. How to model the Z-R relationship which changes with time and space more accurately; 2. How to divide precipitation echoes and non - precipitation meteorological echoes more scientifically. For the first problem, this study proposes to use the spatio-temporal local regression to model the Z-R (Radar reflectivity (Z) to rainfall rate (R)）relationship which changes with time and space. For the second problem, this study proposes to use rainfall station network combined with Thiessen polygons to divide precipitation echoes and non-precipitation meteorological echoes. The validity of the above methods will be tested by using the typical cases' observation data of the CINRAD/SA in Haikou and the nearly 500 rain gauges in Hainan Island, which has a large amount of precipitation and complicated precipitation types. The aim of this study is to further improve the accuracy of radar–gauge quantitative precipitation estimation by more accurately modeling the changing Z-R relationship with time and space and more scientifically dividing precipitation echoes and non-precipitation meteorological echoes.

高精度高时空分辨率的定量降水估测产品在气象学、水文学、灾害学、生态学等领域都具有很高的应用价值。经过国内外众多科学家长期不懈的努力，雷达-雨量计联合估测降水的精度得以不断提高，但仍存在一些亟待解决的问题：1、如何更加准确地建模随时空变化的Z-R关系(Radar reflectivity (Z) to rainfall rate (R)）；2、如何更加科学地划分降水回波和非降水气象回波。为此，本课题提出利用时空局部回归建模随时空变化的Z-R关系及利用雨量站网结合泰森多边形划分降水回波与非降水气象回波的解决方案。本课题将以降水总量多、降水类型复杂的海南岛为研究区域，采用海口新一代天气雷达和海南岛近500个自动雨量站对典型案例的观测资料检验上述方法的有效性。本项目旨在通过更加准确地建模随时空变化的Z-R关系和更加科学地划分降水回波与非降水气象回波，进一步提高雷达-雨量计联合估测降水的精度。

雷达-雨量计联合估测降水是获取高精度、高时空分辨率定量降水估测产品的重要途径。然而，受雨滴谱自身变化、雷达观测数据的不确定性等因素影响，Z-R关系中的A和b为时间和空间的复杂函数已是不争的事实。为进一步提高雷达-雨量计联合估测降水的精度，本项目提出利用时空局部回归建模随时空变化的Z-R关系及利用雨量站网结合空间统计学方法划分降水和非降水区域的解决方案。项目采用2016年发生在海南岛上的3个典型案例，以绝对误差率和偏为评估指标，在两种站密度情形下，对时空局部线性回归和时空局部加权线性回归的关键参数进行了校准，并采用克里金法分析了它们在优化参数条件下是否还需要校正。采用时空局部加权线性回归的优化参数得到了时空局部非线性回归及其对应回归克里金的评估指标。计算了动态Z-R关系法及其对应回归克里金的评估指标。结果表明：时空局部加权线性回归-克里金可能为雷达-雨量计联合估测降水的较佳方法。对2018年5-10月降水案例的研究进一步验证了上述结论。但各时间尺度的定量降水估测精度仍比较低。对2016年3个典型降水案例和2018年5-10月的降水案例，采用Leave-one-out交叉验证评估了泰森多边形法、基于指示克里金的概率阈值法、反射率阈值法在10分钟时间尺度、两种站密度下的降水和非降水区域划分效果。结果表明：在现有站密度条件下，基于指示克里金的概率阈值法是一种相对较好的方法。当站密度较低时，反射率阈值法是一种相对较好的方法。但各种方法对降水和非降水区域划分的准确率仍比较低。总体看，降水落区的确定和量级的估计仍应是未来的重要研究方向。