A study of the structure of radar rainfall and its errors

Abstract

Els objectius principals d’aquesta tesi són dos: d’una banda estudiar l’estructura de la variabilitat de la precipitació a diferents escales espacials i temporals, i de l’altra, estudiar l’estructura dels errors en les estimacions quantitatives de precipitació a través de radar. Pel que fa a l’estudi de l’estructura de la precipitació es proposa un marc de comparació per a mètodes de downscaling basat en valorar el grau amb què cada mètode és capaç de reproduir la variabilitat observada a les diferents escales de la pluja i la seva estructura multifractal. Finalment es proposa un mètode de downscaling tridimensional per a generar camps de precipitació d’alta resolució. Partint de dades mesurades amb radar, és capaç de reproduir la variabilitat a totes les escales de la pluja, i a la vegada, conservar l’estructura vertical de la precipitació observada pel radar. En aquesta tesi s’estudia també l’estructura dels errors associats a les mesures de radar, tant terrestre com embarcat en satèl·lit, que queden després de la cadena de correcció. Es realitza un estudi mitjançant simulació física de les observacions del radar, sobre un camp de precipitació d’alta resulució, per caracteritzar l’error relacionat amb la distància d’observació. També es caracteritza l’error total en les estimacions quantitatives de pluja dels radars terrestres mitjançant comparació contra un producte de referència basat en la combinació de radar i pluviòmetres. L’estructura de l’error trobada ha estat usada per generar un ensemble d’estimacions de pluja, que representa la incertesa en les estimacions, i pot ser emprat per aplicacions probabilístiques. Pel que fa a l’estudi de l’estructura de l’error associat a les estimacions de radar embarcat en satel·lit, s’han realitzat comparacions del radar embarcat en el satèl·lit TRMM contra equipament terrestre, per tal de caracteritzar, sota diverses condicions, les diferències en les mesures de precipitació.

The principal objectives of this thesis are two: on one hand study the structure of the precipitation’s variability at different spatial and temporal scales, and on the other hand study the structure of the errors in the quantitative precipitation estimates by radar. In relation to the precipitation structure, a comparison framework for downscaling methods is proposed. Within this framework, the capability of each method reproducing the variability and multifractal behaviour observed in rainfall can be tested. A three-dimensional downscaling method to generate high-resolution precipitation fields from radar observations is proposed. The method is capable to reproduce the variability of rainfall at all scales and, at the same time, preserve the vertical structure of precipitation observed by the radar. In this thesis the structure of the errors that remain after the correction chain in radar measurements (both ground- and space-borne) is also studied. Simulation of the radar physical measurement process over high-resolution precipitation fields is performed to characterize the error related with range. The overall error in quantitative precipitation estimates by radar is characterized through comparison of radar estimates with a reference product based on a radar-raingauges merging. The error structure is used to generate a radar ensemble of precipitation estimates that represents the uncertainty in the measurements and can be used in probabilistic applications. Regarding the study of the errors associated to spaceborne radar measurements, comparisons of TRMM Precipitation Radar with ground equipment are performed to characterize the discrepancies between the precipitation estimates under different conditions.