文摘
评估降雨估计的性能使用特定微分相位观测到Bislsan雷达、第一偏振雷达在韩国,三个降雨选择病例发生在2011年,由于不同条件:第一个是Changma正面和台风,第二个是只有Changma方面,第三个只是一个台风。为定量使用特定微分相位(),一个数据质量差相移算法开发(),由两个步骤组成的;首先是消除散射噪声和第二个是展开的。这个顺序的算法是必要的,以免删除的领域,这是真正的气象目标。中删除了所有噪声和折叠成功展开研究。关系s波段雷达84754年计算的样本观察滴水大小分布(DSD)使用不同形状的假设。Bringi滴形状的关系显示最好的统计数据:0.28归一化误差,和6.7毫米的均方根误差比10毫米降雨重。因为滴形状的假设影响降雨估计的准确性也会因为不同降雨类型,这些特征应该考虑更准确地估算降雨使用偏振变量。
1。介绍
气象雷达是一种非常有用的遥感估算降雨量的工具,因为其高空间和时间分辨率相对于其他乐器。测量降水的雷达通常基于反射率因子之间的关系和雨率,被称为- - - - - -(以下的关系)。实验测量了dsd被广泛用于计算雷达反射率和雨率(1]。它可以表明,没有独特的全球关系因为dsd可以因风暴而异风暴,风暴本身(2]。许多研究人员指出,雷达降水估计是受到许多不确定性,如硬件校准,部分梁填充,雨衰减,明亮的乐队,和nonweather回声(3,4]。几项研究在韩国已经计算了关系使用不同降雨雨滴测量器数据类型和calirated降雨量与降雨量规操作多普勒天气雷达(5- - - - - -7]。
大量研究调查的实现偏振雷达的作战使用。粒子识别算法开发改进数据质量控制和降雨量估计区分nonmeteorological构件(如异常传播、鸟类、昆虫、第二次呼应,和melting-layer检测(8- - - - - -10]。提高定量降水估计(QPE)精度的一个主要优势偏振雷达(11- - - - - -15]。Cifelli et al。16)最近比较两种降水算法的性能在高原环境中:CSU-HIDRO的降雨(科罗拉多州立University-Hydrometeor识别)和一个基于JPOLE(联合极化实验)。基于这些理论和其他实验研究,许多国家正在取代或修改他们的雷达提供偏振雷达操作使用。特定的微分相位为降雨估计是一个非常有用的参数,因为它是不容易被雷达校准,光束衰减或梁堵塞。它也与降雨强度密切相关,即使在干燥的存在,翻滚冰雹(17,18]。
三个主要机构使用雷达监视和预测恶劣天气和洪水在韩国运营:国防部(MND)、土地、基础设施和交通(MOLIT)和韩国气象局(KMA)。MOLIT偏振雷达安装在韩国首次在2009年和2012年。这些雷达的作战使用的成功实施需要研究降雨估计,水汽现象分类,DSD检索。然而,很少有研究在这些偏振相关的问题上,除了使用长期雨滴测量器派生关系数据,评估每个关系后一个非常简单的质量控制申请微分相移(19]。降雨量估算使用的准确性被发现比这更糟的吗)。
探讨如何提高降雨估计的准确性使用特定微分相位测量的第一偏振雷达安装在韩国。部分2描述了在这项研究中,使用的数据的计算特定微分相位和雨率之间的关系,数据质量控制微分相移,和统计验证。部分3给结果降雨使用特定微分相位估计和描述质量控制微分相移的影响包括展开算法。最后,部分4总结了结果,并提供了一些结论。
2。数据和方法
2.1。雨计和雷达数据集
降雨数据从雨量规的KMA被用来评估雷达降雨的准确性。雨量规位于距离5公里至100公里的雷达是包括在分析中。图1显示了本研究中使用的所有工具的位置。圆圈代表雷达覆盖,实心矩形的中心是Bislsan雷达,加上迹象显示在雷达覆盖分布式降雨量规,和开放矩形的位置是彼得·辛格(降水发生传感器系统)雨滴测量器,雷达位于约82公里。彼得·辛格雨滴测量器将在下一节中详细描述。
雷达数据收集由Bislsan s波段偏振雷达、安装和操作的MOLIT从2009年在韩国。发射峰值功率是750千瓦,波束宽度是0.95°,频率大约是2.8 GHz。水平和垂直反射率(,)、径向速度()、频谱宽度()、微分反射率()、微分相移(特定微分相位),()和交叉相关系数()估计门大小为0.125公里。扫描策略由6高度角2.5分钟更新间隔。的值和0.5°仰角提取从卷数据每2.5分钟。
由质量控制算法展开阶段和噪声去除阶段。它应用于改善降水估计。的最大观测值在2011年是180°Bislsan雷达。如果实际超过这个值在暴雨的情况下,可折叠(别名),应该展开定量使用。展开的过程如下。(1)检查折叠通过比较当前门的价值之间的区别的中位数前24门。(2)计是指定为折叠门如果满足条件如图的区别2。(3)如果是折叠的,加上180°折叠的价值。
噪声去除后执行展开如下:(1)标准偏差的计算使用9盖茨以目标为中心大门,(2)移除门作为噪声的标准差门口是超过15度,(3)盖茨移除剩余噪声通过检查缺失的数量在25邻居盖茨,(4)使用的平均价值9邻居盖茨取代了门口的价值。
计算边坡的9和25盖茨品质管理。如果一个比40 dBZ反射率较高(较低),它是轻(重)过滤。这些用于计算降雨量。数据2和3显示的细节展开算法和噪声去除过程。
2.2。计算R ()和验证
关系将雷达变量转换成雨率是必需的,因为雷达不直接观察降雨。为了计算这些关系,雨滴测量器的数据,它可以测量dsd,是必要的。彼得是一个低功率连续波,x波段,双基地系统;这里的发射机和接收机分别安置和安装在一个框架45公分20.]。
从2001年3月至2004年9月获得一分钟dsd处理去除不可靠的数据,见你等。19]。质量控制后,有84574 DSD样本用于计算的关系。大部分的数据都分布在广泛最大降雨率约为199毫米(图4)。
在这项研究中使用t矩阵计算散射技术导出了沃特曼(21),后来由Mishchenko进一步开发等。22]。下落的雨滴在空气中的形状是由三种类型的平衡力的工作表面上下降:静水压力,表面张力,气动压力。获取特定微分相位用dsd,三个雨滴形状的假设,如雷日科夫et al。23]。胡子,壮族的数值模型24),同意与风洞测量,表明雨滴轴的平衡值比率有关equivolume毫米直径,通过 (以下装备)。雨滴在湍流的实际形状将不同的平衡形状由于振动下降。球平均振动下降似乎比下降与平衡形状,如图所示,Andsager et al。25在实验室研究。他们表明,雨滴在1.1和4.4毫米之间的形状更好解释为下面的公式:
Bringi et al。26][以后BRI)建议使用(2)滴尺寸小于4.4毫米,(1)更大的尺寸。另一个shape-diameter关系最近提出的Brandes et al。14][以下胸罩]结合不同作者的观察:
t矩阵计算的另一个参数是温度,这是假定为20°C在这项研究。它也需要考虑倾斜角度,因为它可以减少占6%的系数关系(27),可能会给小负偏差估计(28]。雨滴的倾斜角度是高斯分布的均值0°和标准差10°,和这些价值观一直在先前的研究中经常使用的(27,29日]。
验证每一个关系,归一化误差(NE),部分均方根误差(RMSE)和相关系数(CC)使用:
在这里的数量是和对和和是1小时的平均降雨率雷达和计,分别。上述措施计算每小时降雨量的雷达和计点。负在计算设置为0。点降水从雷达获得的平均降雨量是一个小区域集中在每个雨计。
3所示。结果
3.1。降雨的案例研究和质量控制微分相移
3.1.1。降雨分布
在这项研究中,三个降水系统在2011年进行了分析:一个与Changma前后台风从0000 LST 6月25日6月26日,1400 LST的仅次于Changma面前从0000年7月9日LST 2000 LST 7月10日,第三只与台风从2100年8月7日至0300年8月8日LST LST(表1)。
图5显示总降雨量的时间序列观察到地面雨水量规在每种情况下,通过求和的降雨观测到的半径内的所有雨量规雷达。降雨在案例1中,有两个高峰:第一个由于Changma前和第二个台风。有三个山峰与Changma前面以防2。第三例是降水系统由台风引起的,但持续时间相对较短。
(一)
(b)
(c)
3.1.2。质量控制微分相移
微分相移的定义是不同的垂直和水平阶段降水粒子和用于计算。如果处理不成功,计算和降雨量估计的影响。的最大观测值在2011年是180度的Bislsan雷达。如果实际超过这个值在强降雨,可以折叠,应该展开定量使用。也有相当大的噪音这应该被删除。图6结果显示噪声去除和展开的微分相移观测1330 LST 6月26日和0246年8月8日LST 2011年,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
相当大的噪声雷达中心观察到西方,这显然已被移除的噪声去除算法(数字6(一)和6 (b))。折叠的发生在距离雷达覆盖的中心以南60公里;该算法成功地复苏(数据6 (c)和6 (d))。有必要应用噪声去除算法展开,以便它不移除后展开,这是一个区域的回声。微分相移的折叠发生从0215年8月8日LST以防3和所有事件被成功展开(这里没有显示)。
3.2。关系和验证
雨率之间的关系,,决定使用一个标准的加权最小二乘法多项式。和雨率计算使用观察dsd从84574年样本。
方程(7),(8)和(9)假设获得的装备、砖和胸罩下降形状,分别。它们的相关系数分别为0.87、0.86和0.84,分别。的二元同步通信指的是以下计算从DSD数据观察到在韩国釜山:
这些关系的精度比较的基于dsd观察在俄克拉荷马城(以下俄)[30.),(表2)。只有量规的次降雨大于0.1毫米被选,还有2891年,3051年,分别为例1 - 3和423对。
图7散点图显示计降雨对雷达降雨从马歇尔获得帕尔默(MP),俄,二元同步通信。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
蓝色三角形的平衡下降形状,红圈Brandes下降的形状,和黑色的十字架Bringi下降形状。在案例1雷达降水的统计确定不= 0.54,RMSE = 4.3毫米,CC = 0.82。无论下降形状,获得的降雨量的统计数据俄和二元同步通信是相似的。更好的CC和NE得到的值而不是,但的RMSE是一个小比这更好的吗。案例1例2显示了类似的模式,但的RMSE与装备的形状很好二元同步通信。在例3中,显示在所有的RMSE统计和好的结果二元同步通信是低于俄。质量控制微分相移算法导致更好的结果比之前的研究(19]。
容易波动DSD,嘈杂的弱降水。在所有情况下都用在这项研究中,有很大一部分弱降水,的性能要么是没有比性能的好坏吗。因此,只有样品规降雨强度大于在所有情况下进行了选择和分析。样品的数量较重降雨是1072年。
RMSE值增加时,只有大雨样本选择。除了CC,的结果相比大大提高了吗。的结果二元同步通信是更好的比俄,BRI形状表现最好的,给东北= 0.27,RMSE = 6.7(表3)。
3.3。讨论
降雨重比,二元同步通信的未来是最准确的但是它的归一化误差仍然是27%。可能有很多错误的来源,但不同精度的不同利用热带降雨关系第一次检查关系用于下一代雷达(NEXRAD)在美国:
图8显示了比较仪和雷达降雨NEXRAD估计关系。在案例1中降雨是由Changma前线和台风,= 0.39,RMSE = 3.1,和CC = 0.8,其性能比要好得多。其他两种情况只有Changma前面或台风,雷达降雨与计不是在好协议。这是特别情况3,RMSE =即使这是台风降雨。每次降雨情况下精度的差异比。人们相信DSD变化不太敏感与不同降水类型比反射率。
(一)
(b)
(c)
其次,平均和计算每种情况的降雨时间(图9)。小雨滴小于1分贝是占主导地位的在所有情况下,但在反射率有显著差异。的- - - - - -散射分布也不同于一般的增加而,这将影响的准确性。因此,它可能是必要的计算只对降水由台风引起的。
(一)
(b)
(c)
4所示。摘要和结论
几年后,偏振雷达将是主要的工具来监控和预测恶劣天气,洪水在韩国。评估降雨估计的性能使用特定微分相位Bislsan雷达观测,第一偏振雷达安装在韩国,三个降雨情况下被选为2011。这些都是与不同的条件:Changma前线和台风,只有Changma前线,只有一个台风。
为定量使用数据质量差相移算法开发。该算法由两个步骤组成:展开的和散射噪声的去除。这个顺序很重要,以确保折叠的地方是真正的气象目标的一部分,不删除噪音。所有的噪声去除和折叠被展开。该算法使用至关重要对于许多应用程序,如降雨估计,水汽现象分类和数值模拟。
的计算关系s波段偏振雷达使用84754的样本观察DSD数据以三种不同形状的假设:平衡形状,Brandes下降形状,Bringi下降形状。评估这些关系的性能,我们将议员的结果进行比较关系和获得在美国俄克拉何马州。
例1(造成的降雨Changma面前和台风)NE的价值观,RMSE, CC雷达降水由是0.54毫米、4.3毫米、0.82毫米,分别。降雨获得使用俄和二元同步通信有类似的统计数据,无论形状。CC值和不确定更好的比吗,但的RMSE略好。案例2显示一个类似的模式案例1,但RMSE与装备的形状是最好的二元同步通信。在例3中,显示在所有的RMSE统计和好的结果二元同步通信显示出更好的性能比俄。
比较每个关系的性能较重的降雨,雨量计和样品强度大于10毫米在所有情况下进行了选择和分析。除了CC,的结果与相比大大提高了。的二元同步通信给更好的结果比俄。的的结果二元同步通信,使用BRI滴形状的关系显示最好的统计数据,与NE = 0.27和RMSE = 6.7毫米。
最后,质量控制微分相移对获得可靠至关重要,这是一个重要的偏振变量对许多目的。的关系应该计算使用DSD,反映出该地区的特点。进一步,由于降雨量估算的准确性是影响滴形状的假设,这种假设应该考虑降雨在发展中一个最优估计算法使用其他偏振变量。虽然需要进一步的研究,这项研究的结果将导致各个领域如水汽现象分类和提高操作精度的降雨量估算偏振雷达在韩国。
利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
作者承认提供雷达数据和AWS数据对于这个工作的土地、交通和韩国气象局。作者也承认提供的代码模拟散射科罗拉多州立大学v . n . Bringi教授。这项研究受到了韩国国家研究基金会(NRF)提供的一笔赠款韩国教育部科技(最高明的)2014年(没有。K200603874)。这项工作也由韩国气象局研究和发展项目在格兰特满足2012 - 2071和JST /波峰。