這是一篇發(fā)表在《應(yīng)用氣象學(xué)報》上的研究雷達(dá)定量測量降雪方案的氣象工作論文。雪災(zāi)對我國東北地區(qū)和新疆青藏地區(qū)一直是重要的氣象災(zāi)害，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)氐慕煌ǔ鲂泻蜕钌a(chǎn)，所以準(zhǔn)確預(yù)報降雪對當(dāng)?shù)鼐哂兄匾饔谩＠走_(dá)定量測量是一種新型降雪預(yù)報手段，利用雷達(dá)實測降雪層反射率因子來計算降雪時間和數(shù)量，具有低誤差高精準(zhǔn)度的模擬效果。

　　《應(yīng)用氣象學(xué)報》Journal of Applied Meteorological Science(雙月刊)曾用刊名：氣象科學(xué)研究院院刊，1986年創(chuàng)刊，是大氣科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用研究相結(jié)合的綜合性學(xué)術(shù)期刊，主要反映新理論和新技術(shù)在大氣科學(xué)中的應(yīng)用，以及氣象理論與實踐相結(jié)合，應(yīng)用于有關(guān)領(lǐng)域的科研成果。特別關(guān)注應(yīng)用應(yīng)用氣象學(xué)科的最新成就和發(fā)展，包括新思想、新理論、新方法和新產(chǎn)品;應(yīng)用氣象學(xué)實例剖析及生產(chǎn)管理經(jīng)驗;交叉學(xué)科的綜合總體水平和業(yè)績，以及反映世界應(yīng)用氣象學(xué)科的發(fā)展。本刊倡導(dǎo)技術(shù)綜合，技術(shù)滲透，突出創(chuàng)新，講實實效，注重成果，及時跟蹤前沿技術(shù)研究信息.

　　摘　要：利用蘭西站2013年冬季逐小時降雪量資料與雷達(dá)回波及其導(dǎo)出產(chǎn)品對比，分別采用“直接統(tǒng)計法”和“概率配對法”得到蘭西站雷達(dá)定量測量降雪的Z-I關(guān)系，對比分析得到：概率配對法較直接統(tǒng)計法可信度更高。采用概率配對法，利用CR資料并認(rèn)為雷達(dá)正確時，得到的Z-I關(guān)系最有利。

　　關(guān)鍵詞：雷達(dá);降雪;Z-I關(guān)系;概率配對法

　　雪災(zāi)是我國東北、青藏高原、新疆等地的重要氣象災(zāi)害，隨著經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，精細(xì)、定量、分區(qū)域的短時臨近降雪預(yù)報已經(jīng)成為目前預(yù)報業(yè)務(wù)中迫切需要解決的問題。目前多普勒天氣雷達(dá)在暴雨和強對流天氣中的應(yīng)用都已經(jīng)達(dá)到業(yè)務(wù)化水平，但是對降雪的研究與應(yīng)用目前還是空白。新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品中還沒有雷達(dá)降雪估測算法，為此，開展降雪的地面和雷達(dá)綜合觀測，建立回波強度和降雪的關(guān)系等研究工作，對提高大雪、暴雪天氣監(jiān)測和預(yù)警能力，定量降雪估測及暴雪預(yù)警，加快大雪、暴雪天氣精細(xì)化預(yù)報技術(shù)及預(yù)警平臺建設(shè)等方面具有重要的意義。

　　2　資料處理

　　2.1　混合掃描法

　　黑龍江省多普勒天氣雷達(dá)的觀測半徑是150 km，蘭西位于哈爾濱雷達(dá)觀測范圍內(nèi)，方位角為350°，距離約67 km。將150 km劃分為0-50 km， 50-100 km， 100-150 km三個距離段，并分別選取2.4°，1.5 °和0.5 °仰角的數(shù)據(jù)，因此，蘭西站選取1.5 °仰角數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)采集方法可以克服地物雜波帶來的誤差，也可使得不同觀測站獲取的反射率因子大致在同一高度上。

　　2.2　組合反射率因子(CR)

　　組合反射率因子是雷達(dá)的導(dǎo)出產(chǎn)品。表示的是在一個體積掃描中，將定常仰角方位掃描中發(fā)現(xiàn)的最大反射率因子投影到笛卡爾格點上的產(chǎn)品，相鄰網(wǎng)格點可包含不同高度投影的反射率因子值[1]。由于降雪回波較弱，因此不同高度投影的反射率因子值相差不大。

　　2.3　雪量資料

　　選取2013年冬季蘭西小時降雪量，降雪時間從2013年11月-2014年2月。降水量級為0.0 mm，0.1 mm，0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm和0.5 mm。其中，0.0 mm出現(xiàn)最多，而0.5 mm只出現(xiàn)一次，因此會產(chǎn)生較大的誤差。冬季降雪量較小，多為0.0 mm 的T量降水。

　　3　統(tǒng)計方法

　　3.1　直接統(tǒng)計法

　　用雷達(dá)實測的Z值和相應(yīng)地面雨量計測量的I值相比較而直接統(tǒng)計得到的Z-I關(guān)系。由于降水量為小時降水量，而每張雷達(dá)體掃資料時間為5-6 min，因此1 h中約有10-11個反射率因子值，因此要將小時雨量與反射率因子對應(yīng)需要對雷達(dá)資料進(jìn)行進(jìn)一步處理。

　　反射率因子處理有兩種方式，第一種為統(tǒng)計降水時間內(nèi)逐小時反射率因子之和，再求其平均值，得到每一個降水量I對應(yīng)的Z(即合計);第二種為統(tǒng)計降水時間內(nèi)平均反射率因子，計算每個體掃中平均Z與對應(yīng)的小時雨強I之間的關(guān)系(即平均)。

　　3.2　概率配對法

　　把雷達(dá)反射率因子Z和相應(yīng)的地面雨強作為描述降水事件的兩個隨機(jī)變量，任一點任一時刻出現(xiàn)雨強I的概率為P(I)dI，出現(xiàn)反射率因子Z的概率為 P(Z)dZ，然后以概率相等原則配出一系列Zi、Ii數(shù)據(jù)對，依據(jù)概率相等原則，即認(rèn)為雷達(dá)出現(xiàn)小于等于Z值的概率與降水強度小于等于I的概率相同，由此統(tǒng)計得到Z-I關(guān)系[2]。

　　由于降雪量中出現(xiàn)0.0 mm的量級較多，而實際測站上空并沒有回波存在，產(chǎn)生這種情況的原因很多。因此，在概率統(tǒng)計過程中采取兩種計算方法，第一種認(rèn)為出現(xiàn)0.0 mm降水為真實降水，雷達(dá)觀測有誤;第二種認(rèn)為雷達(dá)正確，此時出現(xiàn)的0.0 mm降水為吹雪或低層水汽凝結(jié)產(chǎn)生，此時原有的降水資料有誤。

　　4　計算結(jié)果

　　通過對雷達(dá)資料的選取(1.5°仰角和CR)，采用直接統(tǒng)計法和概率配對法計算生成Z-I關(guān)系，并得到其方差。

　　4.1　直接統(tǒng)計法

　　從直接統(tǒng)計法得到的Z-I關(guān)系(表1)中可見，采用合計法得到的A值約是平均法的10倍，這與Z值的統(tǒng)計方法有關(guān)。對全部降水量(0-0.5 mm)Z-I關(guān)系的方差R2，CR比1.5°仰角方差大，但整體均小于0.6，可信性不高。當(dāng)排除0.5 mm時，方差整體明顯增加，可見僅出現(xiàn)一次的數(shù)據(jù)對于數(shù)據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)生誤差較大，此時1.5°仰角數(shù)據(jù)可信度更高。另外，由于0.0 mm降水?dāng)?shù)據(jù)量接近70%，而0.0 mm在Z-I關(guān)系式中沒有意義，當(dāng)排除0.0 mm后，1.5°仰角方差進(jìn)一步增加至0.9以上，其中，采用合計法的方差達(dá)到0.986，而CR方差略有減弱。

　　4.2　概率配對法

　　概率配對法得到的Z-I關(guān)系(表2)中，方差值均在0.9以上，可見概率配對法有效性更強。在降水正確和雷達(dá)正確兩種資料處理方式中，雷達(dá)正確時得到的方差更高，同時，采用CR數(shù)據(jù)比1.5°仰角數(shù)據(jù)更有利。

　　5　誤差分析

　　由于雷達(dá)資料的選取帶有很強的主觀性，同時降雪量量級小，既使0.1 mm的誤差也會產(chǎn)生很大的數(shù)據(jù)差異，因此Z-I關(guān)系的誤差主要為數(shù)據(jù)選取誤差。

　　反射率因子選取誤差：(1)隨機(jī)性。由于選取的Z值為某一地點上空的反射率因子，既使降雪回波較弱，反射率因子變化不大，但是在選取中仍具有較強的隨機(jī)性;(2)風(fēng)場作用。當(dāng)測站上空沒有反射率因子，而在測站附近存在一定面積的反射率時，考慮到風(fēng)場的水平輸送作用認(rèn)為測站上空存在Z，任意選取周邊的Z值。

　　CR數(shù)據(jù)誤差：(1)考慮到組合反射率的計算方法，當(dāng)有地物、大氣雜波或干擾回波存在時，即使沒有降水回波，在CR上也會出現(xiàn)Z值，這對資料統(tǒng)計有較大影響;(2)由于CR產(chǎn)品中生成的反射率因子數(shù)據(jù)具有規(guī)律性，因此Z值采集結(jié)果也具有一定的規(guī)律性，這也是采用CR數(shù)據(jù)在概率配對法中更有利，而在直接統(tǒng)計法中不利的原因。

　　降雪量誤差：(1)由于冬季降雪量量級較小，而量級精度為0.1 mm，因此容易產(chǎn)生較大的誤差;(2)0.0 mm降水在冬季很常見，除正常降水外，不排除吹雪、水汽凝結(jié)等產(chǎn)生的降雪，因此，對于0.0 mm的降水量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有一定影響;(3)0.0 mm在Z-I關(guān)系中無意義，但在實際應(yīng)用中需要重點考慮。

　　概率配對法誤差：強調(diào)的氣候概率，而本次計算只選取了2013年的資料，資料年限短，影響計算結(jié)果的精確度，但模擬效果仍很好。

　　6　結(jié)論

　　(1)直接統(tǒng)計法中1.5°仰角較CR可信度更高。對全部降水量Z-I關(guān)系的方差，CR較1.5°仰角方差大，但整體可信性不高。排除疑問數(shù)據(jù)后，方差明顯增加，此時1.5°仰角數(shù)據(jù)可信度更高。

　　(2)概率配對法中認(rèn)為“雷達(dá)正確”比“降水正確”更有利，同時，采用CR數(shù)據(jù)較1.5°仰角數(shù)據(jù)更有利。

　　(3)概率配對法較直接統(tǒng)計法可信度更高。采用概率配對法，利用CR資料并認(rèn)為雷達(dá)正確時，得到的Z-I關(guān)系最有利。