【摘要】：城市降雨形成機(jī)制復(fù)雜,時(shí)空變異性大。這種高度時(shí)空變異的降雨常會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害,對(duì)城市安全、發(fā)展造成重大影響。因此認(rèn)清城市降雨小尺度時(shí)空變異性特征,提升城市降雨的觀測預(yù)報(bào)能力對(duì)于城市防洪具有重要意義。本論文基于地面雨量站網(wǎng)、雨滴譜儀、天氣雷達(dá)等多源降雨觀測信息,揭示了北京市降雨小尺度時(shí)空變異特征,開發(fā)了雷達(dá)定量降雨估測算法,構(gòu)建了北京市降雨臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng),并詳細(xì)評(píng)價(jià)了雷達(dá)降雨估測與降雨預(yù)報(bào)結(jié)果的不確定性以及誤差的主要來源。論文首先對(duì)北京市降雨小尺度時(shí)空變異性特征進(jìn)行研究�；�2008~2012年北京市118個(gè)雨量站小時(shí)雨量觀測,分析了北京降雨日內(nèi)變化過程。結(jié)果表明,對(duì)于中心城區(qū)及其下風(fēng)向區(qū)域,降雨主要集中在傍晚和夜間,而對(duì)于西北部山區(qū),降雨主要發(fā)生在下午。基于2008~2010年亦莊S波段雷達(dá)觀測,開發(fā)暴雨雨團(tuán)識(shí)別分割方法,統(tǒng)計(jì)北京夏季暴雨雨團(tuán)的形狀特征。結(jié)果顯示,暴雨雨團(tuán)在場次間與場次內(nèi)均具有明顯的變異性�，F(xiàn)有雨量站網(wǎng)不足以有效捕捉暴雨雨團(tuán)空間形態(tài)特征。論文進(jìn)一步建立了X波段雷達(dá)高分辨率觀測系統(tǒng),并開發(fā)了相應(yīng)的城市雷達(dá)定量降雨估測算法,算法包含反射率校準(zhǔn)、衰減訂正、抑制非降雨回波、選取組合反射率、降雨類型劃分、Z-R關(guān)系轉(zhuǎn)換、滑動(dòng)平均及重采樣七個(gè)關(guān)鍵步驟。精度評(píng)估顯示,在場次、小時(shí)尺度上,雷達(dá)定量降雨估測與地面站點(diǎn)觀測相比一致性較好,但在小時(shí)尺度上雷達(dá)估測會(huì)在一定程度上低估降雨。對(duì)不同步驟的敏感性分析結(jié)果顯示,波束遮擋和Z-R關(guān)系變異是影響城市雷達(dá)降雨估測準(zhǔn)確性的最主要誤差來源。通過使用外推預(yù)報(bào)模式校正雷達(dá)估測中的時(shí)間采樣誤差,在傳統(tǒng)雷達(dá)定量估測算法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高雷達(dá)降雨估測的準(zhǔn)確性。論文還搭建了降雨臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng),系統(tǒng)包括數(shù)值預(yù)報(bào)模式、遙感觀測外推模式,和基于這兩種模式的融合模式。數(shù)值預(yù)報(bào)中,通過使用三維變分及云分析方法同化多普勒雷達(dá)觀測的徑向風(fēng)速和反射率,進(jìn)而改進(jìn)數(shù)值模型的初始場。融合模式使用加權(quán)平均方法融合兩種模式的結(jié)果。效果評(píng)價(jià)顯示,遙感觀測外推模式一小時(shí)內(nèi)的預(yù)報(bào)效果尚好;同化后的數(shù)值天氣預(yù)測模式預(yù)報(bào)效果在一小時(shí)內(nèi)明顯優(yōu)于未同化預(yù)報(bào)。上述模式均能在一定程度上預(yù)報(bào)大范圍天氣系統(tǒng)造成的降雨,但對(duì)于局地小尺度降雨的預(yù)報(bào)尚需改進(jìn);基于簡單加權(quán)平均的融合并不總能提供更好的結(jié)果,尚需開展權(quán)重系數(shù)取值以及多種預(yù)報(bào)模式融合方面的研究。
【圖文】：

2013 年前后年完成了所有雷達(dá)的雙偏振升級(jí)[63, 64]。中國雷達(dá)探測網(wǎng)由 C 波段與 S 波段共同構(gòu)成（如圖 1-1），，目前全部為單偏振如前所述，天氣雷達(dá)可以觀測到的降雨粒子后向散射的回波功率。為去中雷達(dá)本身參數(shù)的影響，使不同雷達(dá)的觀測結(jié)果可以直接比較，人們引因子（Z）這一概念，其單位為 mm6/m-3。反射率因子的大小只與降雨有關(guān)。進(jìn)一步，需要設(shè)計(jì)雷達(dá)定量降雨估測算法，將反射率因子轉(zhuǎn)化為中需要的降雨強(qiáng)度信息。天氣雷達(dá)定量降雨估測是一個(gè)非常復(fù)雜的過復(fù)雜的精密電子和機(jī)械系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、電磁波傳播時(shí)與大作用、質(zhì)量控制、降雨過程機(jī)理、優(yōu)化評(píng)估等等一系列問題[26]。在水文學(xué)者們主要研究信號(hào)處理之后的部分，即如何將雷達(dá)觀測到的反射率因雨強(qiáng)度。這一轉(zhuǎn)化過程涉及一系列雷達(dá)觀測偏差與降雨變異性問題，因?qū)π缘卦O(shè)計(jì)雷達(dá)定量降雨估測算法。現(xiàn)有的定量降雨估測算法一般包、衰減訂正、抑制非降雨回波、波束遮擋分析、降雨類型劃分、垂直廓-R 關(guān)系轉(zhuǎn)換七個(gè)步驟[65-69]。

圖 1-2 垂直水汽含量預(yù)報(bào)能力隨預(yù)見期變化圖（對(duì)稱極值依賴評(píng)分，SEDS[170]盡管臨近預(yù)報(bào)工作已取得了巨大的進(jìn)步，但想獲得一個(gè)優(yōu)化的、均衡的定的合成模式仍然還有許多工作要做。理論方面，我們需要穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)初始證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性不會(huì)隨預(yù)見期增長而快速降低；需要提高對(duì)流尺度模式自性；需要校正不同尺度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換造成的重采樣誤差[171]。上述問題需要我們完善數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)。實(shí)際操作方面，雖然變分技術(shù)與合成卡爾曼濾波技術(shù)在值天氣預(yù)測模式對(duì)流尺度模擬能力方面有著明顯的作用，但兩種技術(shù)的計(jì)都亟待提高。綜上所述，臨近預(yù)報(bào)技術(shù)在過去的 20 年中有了很大的進(jìn)步。將基于遙感外推模式與數(shù)值天氣預(yù)測模式結(jié)合的方法是其未來的發(fā)展方向。同化雷達(dá)始化的雨團(tuán)尺度數(shù)值天氣預(yù)測模式應(yīng)在未來的結(jié)合中占據(jù)更主要的地位。分辨率數(shù)據(jù)同化技術(shù)、快速更新循環(huán)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力得到不斷提臨近預(yù)報(bào)方面涌現(xiàn)出許多新的突破點(diǎn)值得進(jìn)一步深入研究。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P412.25;P457.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2629907