基于雷達資料降水量的反演

廖彬武

（民航寧夏空管分局，寧夏　銀川　750000）

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基于雷達資料降水量的反演

廖彬武

（民航寧夏空管分局，寧夏銀川750000）

摘要：本文利用SA雷達基數據編寫程序對降水量進行反演。從SA雷達基數據中得到反射率因子Z，利用反射率因子Z和降雨率R的關系，并根據經驗公式利用C++編寫程序反演降雨量；并在MFC編寫界面上利用不同顏色繪制降水強度及范圍。本設計對反射率、降水強度利用不同色表在MFC界面上進行顯示，對SA雷達基數據進行了初步應用，使其更加直觀。

關鍵詞：雷達基數據；Z-R關系；降水量反演

在雷達氣象方程中，平均接收功率與反射率因子Z成正比，再將理論和實際觀測相結合，可以發現反射率因子Z和降水強度R存在一定關系。因此，可考慮用氣象雷達作為間接測量降水的工具。由于目前各個雨量站之間的距離一般有幾十公里，而降水地區的降水強度往往是不均勻的。因此，雨量站測量的降水強度因雨量站網密度過稀而缺乏代表性，所以很難準確地計算出一定區域面積的降雨量。而氣象雷達卻能夠快速地獲得大面積的降水資料，估計雷達掃描范圍內各點的降水強度和一定區域面積上的降水總量。因此，利用氣象雷達測量降水，對工農業生產、天氣預報等方面都有一定意義。

1　雷達測量降水的方法—Z-R關系法

根據氣象雷達方程可以得出平均回波功率Pav和反射率因子Z成正比，反射率因子Z和降水粒子譜有關，而降水粒子譜又和降水強度R有關。因此，反射率因子Z和降水強度R具有一定的關系。根據理論分析與觀測、統計等方法可以得出關系Z=aRb。

Z=aRb中a、b的值與降水粒子譜的分布、降水粒子的下落速度有關。所以，Z-R關系法測量降水，因降水的類型、降水發展階段和所在地理位置的不同而不同。對于多數降雨而言，a的取值范圍為30～600，b的取值范圍為1～2。通常情況下，Z取200，b取1.6，由此可以得出Z、R的關系是Z=200R1.6。由氣象雷達測量出Z分布之后，便可以通過Z-R關系式計算得出R的分布。

早期雷達測量降水區內各點降水強度，由于氣象雷達參數的標定誤差、Z-R關系的不確定性、回波強度的測量誤差等影響導致其精度不高。當所有因子采用極端情況下的條件進行計算時，其最小可能誤差還有20%。而選擇S波段的10cm波長雷達這種不明顯衰減的雷達波，并按不同降水類型采用適當的a、b因子，再用標準雨量計加以校準，則測量到的降水強度的精度可顯著提高。對目標區域、目標時段內大面積的降水量的回波強度進行時空平均測量的實際效果比較好，而進行單點測量的效果較差。利用反射率因子測量降水適用范圍較廣且較簡便，因此被廣泛采用用于測量降水。

2　降水量的反演

2.1降水量的反演的綜述

脈沖多普勒氣象雷達根據多普勒效應為基礎設計而成。當降水粒子相對雷達發射的電磁波有相對運動時，脈沖多普勒氣象雷達可以測到接收信號與發射信號的多普勒頻移。根據這個多普勒頻移不僅可以確定回波的位置和強度，還可以測定散射體相對雷達的徑向速度。在一定條件下可以利用這個徑向速度反演出大氣風場情況、氣流垂直速度分布和湍流等。這對于研究降水的形成過程，分析中小尺度天氣系統，強對流天氣預警等都具有重要意義。

本文利用雷達資料反演降水量是使用雷達基數據讀出雷達回波強度dBZ，由dBZ轉化為反射率因子Z，再由已知并論證的Z-R關系式得出降水強度R。然后利用C++設計程序利用基數據即可求得降水強度，并在圖形界面上利用不同顏色繪制出降水強度及范圍。

2.2Z-R關系

反射率因子Z∶等效反射率因子Ze，定義為雷達接收到的由均勻分布的小水滴集中起來的后向散射回到雷達的能量。根據反射率因子Z可以估算降水率R，Z-R關系是反映雷達降雨反射率因子與降雨率關系的方程，一般形式為Z=aRb。其中，Z是雷達降雨反射率因于（單位為mm6/m3），R是降水強度（單位為mm/h），系數a和b除與雷達本身有關外，還與當地的地形，氣候及降雨成因有很大的關系。以下是針對不同降水的4個“典型”的表達式：①層狀雨，Z=200R1.6；②山雨，Z=30R1.71；③雷暴雨，Z= 486R1.37；④雪：Z=2 000R2［1］。

2.3多普勒雷達降雨定量估算方法

利用多普勒雷達估算流域降雨量，主要是根據雷達所測量的降雨回波率，通過Z-R關系，估算流域降雨量。確定了Z-R關系參數，并建立了雷達測雨單元與地面雨量單元的空間定位關系后，即可應用實測的降雨率回波dBZ來估算降雨。在雷達的實際應用中，一般測量的是雷達回波強度，單位用dBZ來表示，其與降雨率反射率因子Z的關系為dBZ=101gZ。對于反射率的讀取，位于基數據129～588字節，且為單字節，編碼方式為（數值-2）/2.-32=dBZ。利用實測的降雨率回波dBZ來估算降雨具體方法為：①將實測的dBZ換算成反射率因子Z，計算式為Z= 10dBZ/10；②應用Z-R關系反推R，得出R=（10dBZ/10/a）1/b。

3　程序實現

程序實現的流程見圖1。

圖1　程序流程圖

4　結論

新一代多普勒天氣雷達在我國逐步布網完成，其與常規天氣雷達相比有著許多的優越性。多普勒天氣雷達可以提供中小尺度的多普勒回波資料。這些資料對降水的短時預報，監測天氣變化，預報雷暴的發展和移動等有重要作用，可以顯著提升短時天氣預報的效果。

本文對基于雷達資料的降水量反演的方法進行了分析，并選取了適當的方法對降水量進行反演，并對相關公式的選取進行了論證，最后用C++編寫程序對雷達基數據進行處理，最終在圖形界面上利用不同顏色繪制降水量強度與范圍。利用這種設計完成了對基數據的基本處理，使基數據反映的雷達探測結果更加直觀，對降水量的強度與范圍有了直觀表示。

參考文獻：

［1］曲延祿.雷達在氣象中的應用[M].北京：科學出版社，1979.

中圖分類號：P456.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0151-02

收稿日期：2016-01-02

作者簡介：廖彬武（1987-），男，本科，助理工程師，研究方向：雷達維護維修。

Retrieval of Precipitation Based on Radar Data

Liao Binwu
（Ningxia Air Traffic Management Sub-Bureau of CAAC，Yinchuan Ningxia 750009）

Abstract:In this paper,we use the SA radar base data to write a program to carry out the inversion of precipitation.The reflectivity factor Z is obtained from the SA radar base data,based on the relationship between reflectivity factor Z and precipitation rate R,according to the empirical formula,the C++program is used to calculate the rainfall,and draw strength and range of precipitation on the MFC interface with different colors.This design display reflectivity and pre?cipitation intensity using different color tables on the MFC interface,and SA radar base data has conducted the prelimi?nary application,which makes it more intuitive.

Keywords:SA radar base data；Z-R relations；precipitation retrieval