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.