袁河流域地面雨量与雷达回波强度对比分析

李栩婕，马中元，肖 云，李欢欢，袁 春

(1.新余市气象局，新余 338000；2.江西省气象科学研究所，南昌 330046)

0 引言

降水是较为重要的气象要素之一，精确地定量估测区域降水量对于相关部门防灾减灾以及预测预报有很重要的意义[1，2]。虽然雨量站可以直接测量单点雨强随时间的连续变化，但是由于雨量站网密度稀疏，降雨量在空间上的变化比较复杂，雨量站的测量并不能精确反映降水在空间上的变化；而雷达具有测量范围广、时空分辨率高、可及时取得大面积定量降水资料的优点，因此，根据雷达回波反演估测区域降水量日益受到关注，不失为测量区域降水量的一个重要手段[3]。

对于利用雷达回波监测降水，国内很多学者[4-6]做了大量的工作。例如刁秀广[7]等利用济南多普勒天气雷达资料，对山东3次大暴雨过程中雷达回波特征和强降水的作用进行了分析。金少华[8]利用多普勒雷达和常规观测等资料，对2017-06-20发生在滇中的局地大暴雨的原因进行了研究。这些研究成果为袁河流域短时强降水研究提供了理论依据。但针对江西袁河流域的降水过程，研究组合反射率强度与地面雨量相关性的文献较少。

袁河流域发源于江西武功山，经过萍乡市芦溪县向东奔流，流经宜春、分宜、新余，樟树市昌傅镇，新干县三湖镇，最后在樟树市区注入赣江，为赣江水系。2019-07-07—2019-07-09，袁河流域出现历史罕见的连续性暴雨(大暴雨)天气过程，萍乡市、宜春、新余均大面积出现严重的城市内涝，部分山区出现山体滑坡、山洪、泥石流等灾害，导致大量经济损失和人员伤亡。因此，文章分析袁河流域雨量与雷达回波时空分布关系和趋势对比，结合袁河历史极端降水事件，建立了地面雨量与回波强度概念模型，从中找出降水发生时的雷达回波阈值指标，以期为开展精细化气象服务，制定防灾减灾应急预案提供指导。

1 资料来源与分析方法

1.1 雷达资料

雷达回波资料来源于江西WebGIS雷达拼图平台，参与江西WebGIS雷达拼图的雷达有24部，其中江西8部、湖北l部、湖南5部、广东3部、福建3部、浙江2部和安徽2部。江西WebGIS雷达拼图采用的是精度为0.01°× 0.01°(1100 km × 1100 km)的经纬度网格化数据，通过对雷达拼图数据进行雷达质控处理，包括回波的过滤处理、最低最高回波强度值处理等，为天气预警预报服务提供雷达拼图产品。雷达拼图利用Web技术和谷歌瓦片式地图显示技术进行动态交互显示，能准确地定位雷达回波位置并与地形叠加，从而进行回波落区的判断，这也为强天气短临预报提供了依据。

江西WebGIS并不是真正的GIS系统，而是GIS在广域网环境下的一种应用，但这种网页GIS版本的“瓦片式”图形显示速度是最快的，放大后图像显示精度也能满足预报员开展短临精细化预报分析的需要(精确到乡镇村)，故称江西WebGIS雷达拼图[9-11]。

1.2 降水资料

降水资料来源于江西省自动站实时数据服务平台，该平台捆绑在江西WebGIS雷达拼图平台中。大暴雨站数统计标准：以袁河7个国家站(萍乡站、芦溪站、宜春站、分宜站、新余站、新干站、樟树站)当日20：00至次日20：00(北京时，下同)降水数据为准，若袁河7站中有1个站次达到降水量≥100 mm/24 h的过程称为1次大暴雨过程。以日界20：00计算，超过24 h连续2 d出现暴雨，按2次暴雨日计算。短时强降水站数统计标准：若袁河7站中有1个站次出现≥30 mm/h的降水过程称为1次短时强降水过程。

2013—2020年3—7月，江西汛期袁河流域7站共出现14次≥100 mm/24 h的大暴雨过程，出现33次≥30 mm/h的短时强降水过程。

1.3 相关性分析

皮尔森 (Pearson) 相关系数是一种线性相关系数，其用来反映两个变量线性的相关程度，r的绝对值越大，表明两者之间相关性越强。Pearson相关系数r的表达式为：

(1)

用paired-samples test进行配对样本t检验的分析，可以使用来自两个总体的配对样本，推断两个总体的均值差异的显著水平，从而说明得到的相关性分析的统计学意义。当P<0.05时，表示有显著意义，即变量之间相关性显著的结论犯错误的可能性为5%，即在0.05水平显著；当P<0.01 时，表示结论犯错误的可能性为1%，即在0.01水平显著。P越小表明结论越好，当P<0.05时，可认为2个变量之间相关性很显著。

2 案例分析

为了更好地研究雨量与雷达回波强度的关系，以时间为x轴，雨量和组合反射率为双y轴，雨量y轴是地面国家站实测1 h雨量(mm/h)，组合反射率y轴是测站上空10 km圆面积中，1 h内每10 min组合反射率的平均值(dBz)。对2013—2020年3—7月，江西汛期袁河流域14次大暴雨过程的雨量(mm)与CR回波(dBz)进行相关性对比分析。由于个例次数较多，选取2020-07-08—2020-07-09大暴雨过程和袁河流域国家站(萍乡、芦溪、宜春、分宜、新余、新干和樟树共7站)典型个例加以说明。

2.1 萍乡站

通过对比分析2020-07-08T20：00—2020-07-09T20：00萍乡站雨量与雷达回波的发展趋势，可以得出，萍乡当日的主要降水时段为13：00—18：00。13：00开始，组合反射率快速增加；15：00组合反射率增加到45 dBz左右，此时小时雨量达到1 d中的最大值18 mm/h；随后30 min内组合反射率逐渐降低，并存在较弱波动，至17：00增加到40 dBz左右，小时雨量为14.8 mm/h。当回波值在20 dBz以下，预示着雨量很小，一般小于1 mm/h。

2.2 芦溪站

芦溪当日的主要降水时段为13：00—18：00。降水开始前，组合反射率在0～20 dBz波动，13：00开始，组合反射率呈增加趋势；在14：00组合反射率增加到40 dBz左右，此时小时雨量达到1 d中的最大值14.9 mm/h；随后3 h内组合反射率在25～40 dBz波动。

2.3 宜春站

宜春当日的主要降水时段为11：00—18：00。降水开始前，组合反射率在20 dBz左右波动，9：00后，组合反射率开始呈增加趋势，当组合反射率增加到25 dBz左右，此时开始发生降雨；13：00，组合反射率增加到45 dBz左右，此时小时雨量达到1 d中的最大值30.7 mm/h；此后随组合反射率减小雨强逐渐减弱。

2.4 分宜站

分宜主要降水时段为10：00—18：00。在降水发生前2 h，组合反射率呈增加趋势；11：00组合反射率增加到35 dBz左右，此时降水量达13.1 mm/h；随后1 h内组合反射率逐渐降低，后又逐渐增加，13：00达到40 dBz左右，对应降水量达到此次过程峰值29.2 mm/h。

2.5 新余站

新余主要降水时段为10：00—18：00。7：00开始，组合反射率呈增加趋势；11：00，组合反射率增加到35 dBz，降水开始发生；13：00，组合反射率增加到40 dBz左右，此时降水量达到25.6 mm/h；随后组合反射率逐渐降低，雨强逐渐减弱。

2.6 新干站

新干站主要降水有两段，时段分别为8：00—13：00和14：00—18：00。在降水发生前，从3：00开始组合反射率呈增加趋势；7：00组合反射率增加到25 dBz左右，此时开始发生降雨；在10：00达到第1段降水的峰值34.3 mm/h，此时对应组合反射率为45 dBz左右；随后4 h内组合反射率减弱，对应雨强减小；15：00组合反射率又开始呈增加趋势，增加到45 dBz左右，降水达到此次过程的峰值35.6 mm/h，降水后随组合反射率减小雨强逐渐减弱。

2.7 樟树站

樟树站主要降水时段为05：00—13：00。从5：00开始，组合反射率开始增加，雨量也随之增大；8：00组合反射率增加到48 dBz左右，此时降水量达到此次过程的最大值47.1 mm/h。

2.8 7站平均

通过对比分析2020-07-08T20：00—2020-07-09T20：00袁河流域7个国家站雨量(mm)与雷达回波(dBz)的趋势平均场，可以得出，主要降水时段为06：00—18：00。从4：00开始，组合反射率开始增加，雨量也随之增大；15：00组合反射率增加到37 dBz左右，此时降水量达到此次过程的最大值14.5 mm/h。由于平均场造成的偏差，7站平均的回波线由20 dBz下调到10 dBz。

3 结束语

通过上述对比分析得到以下结果：

1)2013—2020年，袁河流域出现14次大暴雨过程，针对7个国家站的地面雨量与雷达回波强度，计算皮尔森相关系数和进行paired-samples test分析，雨量与雷达回波强度间有着显著的相关性。

2)对样本按雨量进行分级时：降水在10 mm/h以下时，随降水的增强，雷达回波明显增强；之后增加速度放缓，降水在20～35 mm/h区间的雷达回波强度在45 dBz左右波动。

3)对样本以雷达回波强度进行分级时：在20 dBz以下，随雷达回波强度增大雨量几乎不变，在35～50 dBz雨强随回波强度加大明显增加；50 dBz以上雨强反而趋于下降或维持。