CINRDA/CA天气雷达OHP检验分析

OHP Test and Analysis of CINRDA/CA Weather Radar

摘要: 本文研究贵州六盘水市多普勒天气雷达1 h降雨量(OHP)在短临灾害性暴雨预报中的应用，从雷达站周边雨量站选取2018年~2020年降水个例共计3157对数据对比分析。以其空报率、漏报率分析其可用性，以平均误差、相对误差和均方根误差进行误差分析。结果表明：1) 六盘水雷达OHP漏报为52%、空报率34%、准确预报临界指数57%，漏报率、空报率随降水强度增加而降低，准确预报临界指数也随之增加。2) OHP误差较大，均方根误差在1.36~18.47之间，误差值随降雨量增加而加大，3) 在≤2.5 mm时，OHP会多估测，>2.5 mm时，OHP为低估测，并随实测降雨量增加估测误差越大。4) 雨量站距离对OHP误差有一定的影响，距离越远误差相对偏大。需加强对六盘水雷达OHP应用研究和修订，提升本地天气雷达产品能更好在短时灾害性天气中的应用。

Abstract: This paper studies the application of Doppler weather radar 1 h rainfall (OHP) in the forecast of short-term and impending disastrous rainstorm in Liupanshui City, Guizhou Province. A total of 3157 pairs of precipitation cases from 2018 to 2020 are selected from the rainfall stations around the radar station. Its availability was analyzed by its false alarm rate and false alarm rate, and its error was analyzed by average error, relative error and root mean square error. The results show that: 1) the missing report rate of OHP of Liupanshui radar is 52%, the false alarm rate is 34%, and the critical index of accurate forecast is 57%. The missing report rate and empty report rate decrease with the increase of precipitation intensity, and the critical index of accurate forecast also increases. 2) The error of OHP is larger, the root mean square error is 1.36~18.47, and the error increases with the increase of rainfall. 3) When ≤2.5 mm, OHP will estimate more, and when >2.5 mm, OHP is underestimated, and the estimation error increases with the increase of measured rainfall. 4) The distance of the rainfall station has a certain influence on the OHP error, and the farther the distance is, the larger the error is. It is necessary to strengthen the application research and revision of Liupanshui radar OHP to improve the application of local weather radar products in short-term severe weather.

1. 引言

多普勒天气雷达一小时累积降水(以下统称为OHP)、三小时累积降水(THP)是天气雷达监测预报降水的重要功能之一，其估测降水计算原理是根据Z = AI^b中的估测降雨量与雷达反射率成正相关关系时间累积出来的。很多气象学者对天气雷达资料估测降水产品反演进行诸多研究 [1] [2] [3] [4]。Habib et al. [5] 研究得出多普勒雷达(OHP)累积降水数据随机误差和系统误差。Yoon et al. [6] 研究提出天气雷达的估测降水产品虽然降雨量级有一定的误差但其能够提供更为准确的降水空间和降水区域。李晶 [7] 等通过对天气雷达(OHP)降水产品的质量评估得出：OHP与实测的落区基本一致，但降水强度上有偏差，不同站点距离不同的雨强偏差不同。李成伟 [8] 等通过(OHP)与实测雨量对比分析：在地面雨量[0.7, 10 mm]时，(OHP)雨量大于实测雨量，≥10 mm时，(OHP)雨量小鱼于实测雨量。

六盘水新一代多普勒天气雷达建于2016年7月，2018年6月开始业务考核运行，其降水估测产品一直沿用了WSR-88D中设定的Z = AI^b关系式。其次全国各地有不少学者针对本地天气雷达估测降水进行适应本地的Z-R关系研究并找到合适的A、b参数，六盘水地区却在这方面一片空白，雷达估测降水仅仅是一个摆设，没有得到很好的应用。本文将对六盘水多普勒天气雷达OHP降水产品与本地自动站实测雨量进行不同天气系统、不同回波属性与降水强度的对比分析。找出误差源头以便更好利用天气雷达产品在灾害性天气中的作用。

2. 资料与方法

2.1. 资料来源

实测降雨量选取六盘水市雷达站不超过120 km的国家基准站和区域自动站，降水个例选取2018年~2020年中不同天气系统的降水个例。雷达产品采用贵州省六盘水市新一代多普勒天气雷达以VCP21体扫模式，体扫时间间隔为6 min雷达基数据。资料涵盖六盘水市不同地点、不同季节性、不同天气系统的降水天气个例，降雨量、雷达基数据均来自贵州省气象局信息中心。

2.2. 数据处理

将雷达OHP与雨量站降雨量在时间和空间上建立一一对应关系。

首先，将选取雨量站位置以六盘水天气雷达站为中心布局各雨量站极坐标形式。

计算公式：

$\cos Z_i=\sin \phi \sin {\phi }_i+\cos \phi \cos {\omega }_i\cos \left(\omega -{\omega }_i\right)$ (1)

$\sin {\theta }_i=\left[\cos \phi \sin \left(\omega -{\omega }_i\right)\right]/{\left[1-{\cos }^2{Z}_i\right]}^{\frac{1}{2}}$ (2)

$R_i=Z_i{R}_0$ (3)

公式中，ω、φ、雷达站的经度、纬度；ω_i、φ_i分别为第i个雨量站的经度、纬度，R₀为地球半径(km)，Z_i为第i个雨量站到六盘水雷达站的弧线所对应的弧度，θ_i、R_i分别为第i个雨量站相对于六盘水雷达站的方位角及与雷达站点之间的水平距离。

其次，空间上，取雨量站上雷达OHP产品与雨量站实测降雨量建立数据对，以下简(OHP-雨量数据对)。时间上，认为OHP与该分钟观测到的前6分钟降雨量估测相对应，即OHP一小时累积降水是此刻前10次(10次 × 6 min)体扫过程中的降雨量累积，从而得到一一对应的每小时雷达(OHP雨量数据对)。

2.3. 误差指标

选取空报率、漏报率、准确预报临界指数、平均误差(M_E)、相对误差(R_E)、平均绝对误差(M_AE)和均方根误差(R_MSE)为评估估测降水质量的指标对六盘OHP进行检验分析，其中重要指标的计算方法如下：

MAR为漏报率(R_m)，是指实际有降水而雷达估测无降水事件占实际有降水事件的比率。

$R_m=\frac{n_{01}}{n_{11}+n_{01}}$ (4)

式中，n₀₁为雷达估测无降水发生，而雨量站实测有降水发生的事件数。

平均绝对误差(M_AE)是所有单个观测值与算术平均值的偏差的绝对值的平均。平均绝对误差可以避免误差相互抵消的问题，因而可以准确反映实际预测误差的大小。

$M_{AE}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=n}{\overset{n}{\sum }}\left|x_i-m\left(x\right)\right|}$ (5)

均方根误差(R_MSE)是预测值与真实值偏差的平方与观测次数n比值的平方根，是用来衡量观测值同真值之间的真实偏差。

$R_{MSE}={\left[\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=n}{\overset{n}{\sum }}{\left(x_i-y_i\right)}^2}\right]}^{\frac{1}{2}}$ (6)

式中x_i、y_i、m(x)代表第i雨量站的雷达估测值、实测降雨量、平均值。

3. 天气雷达OHP检验分析

3.1. OHP可用性检验

通过逐步筛选，共计选取出3157 OHP-雨量站雨量数据对，根据天气雷达站OHP累积降雨量的降雨量强度色标划分五个等级I级(0.1~2.5 mm) II级(2.6~6.4 mm) III级(6.5~12.7 mm) IV级(12.8~19.9) V (≥19.1 mm)。我们将从OHP“色标”等级上展开对OHP漏报率、空报率、准确预报临界指数分析(图1)。

六盘水雷达站OHP产品的平均漏报率为52%，其中在雨量越小漏报率越高，最高达到得86%，随着实测雨量加大漏报率逐步降低到32%。在雨量 ≤ 2.5 mm段漏报率高达80%，实测雨量 ≥ 19.1 mm漏报率低于21%。OHP产品的平均空报率为34%，空报率在52%~17%，空报率低于漏报率。准确预报临界指数为40%，随降雨量加大，准确率增加，最高到达81%。综上所述：六盘水天气雷达OHP漏报率、空报率随降水强度增加而降低，准确预报临界指数也随之增加。说明六盘水天气雷达OHP在大降雨量时可用的。

Figure 1. Bar chart of OHP quality evaluation index under each intensity of hourly cumulative precipitation at rain gauge stations

图1. 雨量站小时累积降水各强度下的OHP质量评价指数柱状图

3.2. OHP不同降雨量级对比检验

通过去除掉空报、漏报的OHP-降雨量数据对，共计1741对可用OHP-雨量站雨量数据对，同样根据上节强度“色标”划分五个等级，每一级取中间值为OHP真值。通过对各降雨量级下OHP估测与雨量站降雨量进行对比误差分析(表1)。

平均误差仅仅在I级是估测正值，随着地面实测降水增加，平均误差逐步为负值(II~V级)，说明OHP产品在≤2.5 mm时出现高估，高估误差达到126%，在降雨量 ≥ 2.6 mm时出现低估，随着降雨量增加，OHP估测误差也逐步加大。平均相对误差在I级高达126%，原因其真值降雨量级小，但随实测降雨量加大而减少，IV级最低为57%，因为Ⅳ级统计的是≥19.1 mm实测雨量，所有相对误差稍低。均方根误差能够真实反应估测值与实测值的测量误差，随着雨量级加大，均方根误差也随之增加，误差值在1.56~20.47，特别是在≥19.1 mm，误差值高达20.47。从实测雨量级统计分析OHP估测误差，降雨量误差值随实测降雨量增加而加大。六盘水市多普勒天气雷达OHP产品在预报区域有一定指导意义，但是降雨量大小还有待提高。

3.3. OHP不同地点对比检验

统计六盘水天气雷达周边10个不同距离雨量站与OHP产品误差分析，每个不同站上选取不同雨量级OHP-雨量站降雨量数据，统计分析雨量站OHP产品与实测降雨量的绝对误差、相对误差。

Table 1. (OHP) error statistics at different intensities

表1. OHP在不同强度下误差统计表

从单雨量站来对OHP的统计检验误差分析(表2)。统计表明：雨量站OHP-雨量站降雨量相对误差为(−32%~−75%)都为负值，再次说明雷达OHP估测降水明显小于实测降水，OHP在单站统计分析中也出现明显的低估现象，绝对误差值在3.71~9.87 mm，，单从降雨量级误差来说偏差较大。通过距离观测，离雷达站最远的盘州市新民镇(119.2 km)绝对误差(9.87)和相对误差(−75%)都是最大的，而距离离雷达站近一点的保华和水城站的绝对误差和相对误差都较低，说明六盘水雷达OHP产品随监测距离增大、估测误差也随之增加，该方位位于六盘水雷达的正南方向，由于地物遮挡及仰角随L增加而其波束充塞系数明显减小所致 [9]。

Table 2. Distance (km), Absolute Error (mm), Relative Error (%) of Liupanshui Weather Radar (OHP) Products at Rainfall Measuring Stations

表2. 六盘水天气雷达OHP产品在各雨量站的距离(km)、绝对误差(mm)、相对误差(%)

4. 多普勒天气雷达OHP误差原因总结

六盘水多普勒天气雷达一小时累积降水(OHP)降雨量误差主要有以下几方面原因：

1) 多普勒天气雷达估测降雨量体扫的是的雨量站上空一定范围内的降水颗粒，天空降水颗粒到地面还有一定空间和距离，导致与地面雨量站实测降雨空间不一致。

2) 多普勒天气雷达会受到地面、山体其他电磁波等无降水回波干扰，形成错误的空报，还有实测降雨量在小于1 mm时，由于电磁波束能量小雷达接收基本没有电磁信号导致很多被漏报。

3) 六盘水多普勒天气雷达OHP产品计算公式是固定的，没有和实测降水进行修正，所有形成较大的降水实际误差。

4) 多普勒天气雷达OHP产品在实际应用中存在将该小时内的降水累积用到相邻的两、三个小时中，而地面雨量站实测的确实我们统计该时次的雨量，所有导致出现很高的空报、漏报率。

5. 结论与讨论

本文通过选取2018年~2020年雨量站对六盘水多普勒天气雷达OHP产品检验分析，共计筛选出3157对实测降水-OHP产品数据对进行对比分析，剔除掉空报漏报后选取1741对数据样本进行统计对比分析，分析得出：

1) 六盘水多普勒天气雷达OHP产品漏报为52%、空报率34%，漏报率、空报率随实测降水强度增加而降低，准确预报临界指数也随之增加。

2) 天气雷达OHP产品均方根误差较大，误差值在误差值在1.56~20.47之间，随实测降雨量增加而加大，当降雨量级大时OHP能够准确估测降水落区，其降水估测值误差过大。

3) OHP产品仅仅在≤2.5 mm时估测值为负值，此降水区域为多估测，大于2.5 mm降水时为负值，OHP低估，并随实测降雨量增加OHP估测误差越大，但误差比值缩小。

4) 雨量站距离对OHP产品误差有一定的影响，距离越远误差偏大。

六盘水多普勒天气雷达OHP产品应用目前还有很大的局限性，需要气象工作者结合本地降水特性进行订正，更好发挥天气雷达OHP产品在短时暴雨灾害防御中的作用。

基金项目

黔气科登[2020]07-07号。