英国C波段偏振雷达估计降水：与雨量计的比较和误差分析外文翻译资料

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Bringi V N, Rico-Ramirez M A, Thurai M. Rainfall Estimation with an Operational Polarimetric C-Band Radar in the United Kingdom: Comparison with a Gauge Network and Error Analysis[J]. Journal of Hydrometeorology, 2011, 12(5):935-954.

英国C波段偏振雷达估计降水：与雨量计的比较和误差分析

V. N. BRINGI¹，M. A. RICO-RAMIREZ²，M. THURAI¹

(1.科罗拉多州立大学电子与计算机工程系，科罗拉多州柯林斯堡；

2.布里斯托大学土木工程学系，英国布里斯托尔)

摘要：根据C波段双偏振雷达对英国东南部一场对流风暴的监测数据进行降水估计，并与雨量计网络测量的降水量进行对比。考虑四种降水估计算法：未做衰减订正的Z-R关系；经衰减订正后的Z-R关系；基于(1)Z-R，(2)R(Z，Zdr)，(3)R(Kdp)三种关系的复合估计；以及单独的R(Kdp)关系。所有用于评估雷达降水估计值的降水量都源于英国齐尔伯顿Joss雨量计的数据。将每小时在雷达像素点上的累积量集中在雨量计所在的位置，与雨量计每小时约2500个直径gt;0.2mm的有效样本累计进行比较。总的来说，这其中效果最好的是复合估计，其所有降水粒子(直径gt;0.2，1，3或6mm)基于鲁邦统计方法例如平均绝对误差、Nash-Sutcliffe系数、均值偏差，并且在直径gt;3和gt;6mm的高阈值(强降水)内基于经改进后的方法。通过估计4年水文雷达实验数据中的典型错误进行误差方差分离。雷达与雨量计方差比例的差异可以解释为雨量计20%~55%的典型误差(对于复合降水估计量)。弱降水的雷达误差减少约70%，强降水的雷达误差减少约20%，在平均每小时降水量大于等于5mm/h，同时平均偏差在10%(低估)左右时，复合降水估计效果也可以从误差方差分析中预见。

1　引言

在过去的几年中，国家气象机构对于双偏振C波段雷达的操作使用获得了快速发展势头，尤其是在欧洲。这个动力很大程度上基于，例如，从原始的非气象回波中确定降水回波、稳定的降水衰减校正，和降水估计准确性的改善。大量的工作已经完成了，而对于实现这些改进的方法仍在进行中，相关文章非常多，这里不再赘述(例如：2001年之前，可查看Bringi和Chandrasekar 2001；Ryzhkov et al . 2005 b；Gourley et al. 2006, 2007)。

双偏振雷达在操作频段(S、C和X)的一个核心应用是基于雷达的降雨水文模型输入(如：Krajewski和Smith 2002，与其中所引用的文章；Smith et al. 2007)。众所周知，双偏振雷达降水产品的准确度随降雨强度增加而提高，因为Zdr和差分传播相位Phi;dp的特点，很明显使由于滴粒径分布(DSD)变化而确定的降水估计算法的自我调节采集各种风暴类型和极端事件(Bringi和Chandrasekar 2001)。在C和X波段，随着降雨强度增加，衰减因素越来越复杂,但是双偏振可提供稳定的衰减校正程序。此类程序的操作系统目前正在测试(例如：Vulpiani et al . 2008；Diss et al. 2009；Moreau et al. 2009)。

许多取决于用途或基于测量和参数误差方面的考虑的C波段降水估计算法已经在文献中提出。大多强调这一事实：即在对流性降水过程中，Zh和Zdr的测量值在估计雨率之前需要进行衰减订正(如：Testud et al . 2000；Gorgucci et al . 1996；Bringi et al . 2009；Gu et al . 2011)。虽然现在还没有共识的估算方案，已提出降水估计算法大致属于三类，即那些：(i)在“调谐”或是经测量校准后的Z-R关系中使用经衰减订正后的Z；(ii)使用Zh，Zdr，或是和Kdp的复合(合成)方式；(iii)使用C波段衍生的特定的衰减以及沿电磁波估计的归一化拦截参数N₀*(或Nw)(Le Bouar et al. 2001； Ryzhkov et al. 2005a；Silvestro et al. 2009)。在几乎所有情况下，估计量具有参数性质，并且经常使用幂律关系，即模拟散射系数或指数来自使用雨滴谱仪测量粒径分布时的数值(Bringi Chandrasekar 2001年,第8章)。这些参数算法也依赖于平均体积的统计数据或质量加权平均径(D0或Dm)或归一化拦截参数N₀*(或Nw)。一般的，散射模拟假设(i)平均轴比和D的关系(Keenan et al. 2001；Brandes et al. 2003； Thurai et al. 2007)；(ii)高斯倾斜角度分布 (平均值=0；sigma;=5°-10°)(Huang et al. 2008)。S波段的最优估计方案被Hogan(2007)提出，即通过最小化代价函数迫使提前估算的Zdr和Phi;dp与测量值在均方意义上相同，从而不断调整推理的Z-R关系的系数来估计R的值。这个方案目前正在用一个运作中的C波段雷达进行评估(Figueras i Ventura et al. 2010)。

基于雨量计粒径分布的降水估计算法源于“点”测量，但在雷达分辨率很大时有代表性错误。在做了基于当地降水气候(如：热带和中低纬度地区)的一些“调谐”的研究和半操作环境中，相比于仪表，其提高降雨测量的潜力已经被证明(如：Ryzhkov et al . 2005；Bringi et al . 2009；Matrosov 2010)。做这样的比较时，通常假定仪表值是地表“真实值”，因为这个假定含有的问题(即：仪表测量如何能代表区域或比雷达测量的平均降雨量更准确)是一个重要的考虑因素，所以其估计值的误差并不全部来源于雷达(Kitchen 和Blackall 1992)。在这一领域，相比双偏振雷达研究，水文科研界一直致力于研究在该坚实的基础上的相关“误差方差分离”(Ciach 和 Krajewski 1999； Habib 和 Krajewski 2002)。其中一个原因是，在过去，只有少数站点拥有高质量的双偏振雷达并且在雷达探测范围覆盖雨量计测量网络，同时有长时间有效记录可做彻底分离误差方差。据我们所知，唯一伴有D-scale(~2公里)和C-scale(~20公里)的雨量计网络和长时间的观测记录(至少十年)的C波段偏振雷达(CPOL)是由当时气象局研究中心管理的澳大利亚北部的达尔文站点(Keenan et al. 1998； May et al. 1999)，主要是作为热带降雨测量任务(TRMM)的地面验证站点。许多研究已经使用CPOL和达尔文站点的雨量计网络数据，来测试不同降水估计和衰减校正的算法，将在第四节详述。

在本次研究中，用于估计夏季(大部分)对流云降水并且与雨量计网络相比较的，是位于英国，肯特，图哈姆的一个运行中的C波段双偏振雷达。四种不同的降水估计算法被评估：(i)基于固定的Zh-R关系；(ii)基于经衰减订正的固定的Zh-R关系；(iii)基于固定的Zh-R关系，用Zh，Zdr和Kdp进行复合估计；(iv)只基于Kdp的估计量。派生算法使用位于英格兰南部的Chilbolton(并且由卢瑟福阿普尔顿实验室操作)的Joss雨滴谱仪(RD-80；Joss 和 Waldvogel 1967)，连同最新的减少轴比和倾斜角度分布的有效实验信息(Thurai 和Bringi 2005；Thurai et al. 2007；Huang et al. 2008；Beard et al. 2010)。雨滴谱仪所用的数据来自夏天的三个月份(2007年6-8月)，粒径分布也被认为具有雷达探测范围内(英国肯特)降水粒子的代表性。各种降水估计算法的参数误差已经计算。雨量计的代表性错误也已使用来自水文雷达实验室(HYREX；Moore et al. 2000)四年的雨量计数据进行计算。此外，空间相关函数是由雨量计的测量数据估算而来。Habib和 Krajewski(2002)之后，分离误差方差分析解释了为何雷达与雨量计的差异的方差的比例可以归因于雨量计由点到面的方差。Habib 和 Krajewski(2002)所定义的“雷达误差”，连同参数的估计值和测量误差都被计算，用来得出上述错误可以解释多少雷达误差。之后是将我们的结果与一些过去的研究背景结合的讨论，以及进一步总结和结论。

2　资料选取

2.1　C波段雷达

本文使用的的雷达数据来自位于英国肯特郡图哈姆市的一个运作的双偏振C波段雷达(参见图1 a,b)。该雷达由英国气象局操作，是其天气雷达网络的一部分。雷达为由英国环保机构支持的水文产品提供改良的雨量估计(Harrison et al. 2009)。表1列出了主要的系统特征。注意，双偏振性能基于同步发射、同等功率的水平(H)和垂直(V)的偏振波，以及通过两个匹配的接收器同步接收散射回波信号中的H和V。

表1　 一些图哈姆气象局雷达的关键技术参数

Aerial system

额定的系统参数为脉冲宽度2ms，脉冲重复频率(PRF)300Hz，门间距250米，每个径向共有1020个门。大量

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