基于數值預報模式的Ka頻段衛星系統降雨衰減短時預測

王洪鋒，張暉，李強，盧昌盛

1.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京100094 2.中國電子科技集團22所，青島266107

基于數值預報模式的Ka頻段衛星系統降雨衰減短時預測

王洪鋒1,*，張暉1，李強1，盧昌盛2

1.北京空間信息中繼傳輸技術研究中心，北京100094 2.中國電子科技集團22所，青島266107

為精確地實現Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預測，提出了一種基于數值天氣預報的降雨衰減短時預測方法，設計了降雨衰減預測流程，并應用上述方法對某地區發生的降雨過程進行研究，比較分析了降雨衰減的實測值和基于數值預報的降雨衰減預測值。試驗結果表明，基于數值預報的降雨衰減和實測值變化趨勢符合較好，誤差較小，在20 GHz頻段平均誤差約為1.31 dB，在30 GHz頻段平均誤差約為2.39 dB，在20 GHz頻段平均誤差約為1.31 dB,在30 GHz頻段平均誤差約為2.39 dB。該方法可實現Ka頻段衛星通信系統的短時降雨趨勢預測。

數值天氣預報；Ka頻段；降雨衰減；短時預測；衛星通信

Ka頻段在星地空間傳播時受大氣環境影響很大，尤其是降雨會帶來信號強度的嚴重衰減。根據實測和估算，在Ka頻段短時間內降雨的衰減可高達40 dB1-2]，如此大的衰減量將造成星地通信鏈路中斷，嚴重制約了Ka頻段衛星通信系統可用度，影響到數據通信業務規劃和資源分配。因此在Ka頻段通信系統設計中，必須考慮降雨衰減的影響，留有足夠余量。同時在系統建成后，準確實現短時(未來數小時或數十分鐘)預測降雨衰減趨勢，并據此進行動態資源分配，合理規劃通信業務，對于提高Ka頻段衛星通信系統工作效能具有重要意義。

傳統的Ka頻段降雨衰減預測都是基于歷史氣象數據統計建模給出長期的降雨特征統計和趨勢預測，更適用于衛星通信系統的設計階段，無法提供短時的降雨衰減預報。一些科學家提出利用氣象雷達網絡和數字天氣預報系統提供的數據來預報短期內的通信傳播條件，將各種傳播影響的計算模型如降雨衰減模型，云、大氣衰減模型，閃爍變化，頻譜模型相結合最終得到衰減情況3-6]。同時，一些科學家提出了利用數值天氣預報和衛星的觀測圖片進行衰減情況預測和資源分配的方法，實時運轉可以對整個衛星通信網絡的可用率進行衰減預報，并根據衰減情況進行資源分配7-9]。本文基于數值天氣預報方法進行Ka頻段衛星系統降雨衰減的短時預報研究，可以精確地實現Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預測，為Ka頻段衛星通信系統短時可用度分析提供參考，進而實現實時規劃數據通信業務和資源分配。

1 數值天氣預報模型研究

數值天氣預報是指根據各類氣象資料，在一定的初值和邊界條件下，通過數值計算求解描述天氣演變過程的流體力學和熱力學方程組，來預測未來一段時間的大氣運動和天氣情況的方法。作為一種定量的客觀預報方法，選取適合于降雨衰減特性研究的數值模式無疑是進行衰減特性預測研究的關鍵之一。

對于幾十到幾百千米空間內未來幾小時到幾天時間內降雨的預報，中尺度大氣模式是一種尺度合適的研究工具。天氣研究與預報模式(Weather Research and Forecasting，WRF)是由美國多家科研機構聯合開發的基于業務預報和天氣研究需要而設的中尺度數值天氣預報模式10]。WRF適用于幾米到數千千米尺度現象的研究，可應用在理想模型研究、參數化研究、數據同化研究、預報研究、實時預報、耦合模式應用和教學等領域，目前已在多個國際機構應用于實際的業務預報。本文基于WRF來進行降雨衰減特性的研究。

WRF模型的控制方程是全彈性大氣非靜力平衡原始方程，其數學表達式為10-13]：

1)水平方向采用ArakawaC網格點，垂直方向則采用地形追隨質量坐標，氣壓地形跟隨質量坐標的表達式為：

(1)

式中:ph為靜力氣壓;phs和pht是地面和模式大氣頂邊界氣壓。η隨高度而變化，η在地面為1，在模式頂為0。在坐標空間與物理空間中，提供了此網格尺度的湍流公式。對于真實大氣的模擬，提供了4種地圖投影方式，這4種地圖投影分別為：蘭伯特投影、極射投影、麥卡托投影、經緯度投影。

2)控制方程采用通量形式的歐拉方程。μ(x,y)代表了單位面積的大氣柱的質量，因此，通量形式變量為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：φη為φ在η方向的分量。靜力氣壓診斷關系為：

(9)

狀態方程為：

(10)

式中：γ=cp/cv=1.4;Rd為干空氣氣體常數，p0為參考氣壓；FU、FK、FW、FΘ表示由模式物理過程、湍流混合、球面投影和地球旋轉引起的強迫項。

上述方程共同構成了閉合方程。

3)時間積分方案采用的是時間分裂的積分方案，即低頻波部分采用3階Runge-Kutta時間積分方案，高頻聲波部分采用小時間步長積分擾動變量控制方程組以保證數值穩定性。定義預報變量,模式方程Φ=(U，K,W，Θ，Qm)，模式方程Φt=R(Φ)，Runge-Kutta通過以下3個步驟實現從Φt→Φt+1的積分：

(13)

式中：Δt為模式積分步長。對U，K，W，Θ等變量應用式(13)可以用于閉合方程的求解。

4)針對不同的應用場景提供多種不同的物理過程方案和邊界層參數化方案。

2 數值天氣預報模式設計

2.1WRF預報模式組成

WRF數值天氣預報模式主要模塊組成如圖1所示14]。

1)外部數據源：這部分主要是數據輸入接口，包括常規觀測數據、地理數據，以及來自于其他觀測系統的數據。

2)預處理模塊(WRFPreprocessingSystem，WPS)：該模塊主要用來進行實際數據仿真。功能包括定義仿真區域，計算地理柵格的緯度、經度、地圖比例尺及其他有關參數，插入仿真區域的非時變的地理參數(如地域高度和土壤類型等)，將來自其他模式的時變氣象數據插值到仿真區域。此模塊的目的是為真實數據模擬提供背景場。

3)數據同化模塊(WRFDataAssimilation，WRFDA)：采取經驗、統計(如三維變分、四維變分)或擴展卡爾曼濾波方法，對站點觀測、衛星、雷達等觀測數據歸一處理，改善模擬所需的初始場和邊界條件。

4)數值預報主程序模塊：生成模擬所需的初始背景場和時變邊界條件，進行數值積分運算。作為WRF模型的核心組成部分，它包含幾個用來進行數據仿真的初始化程序和數值積分程序。它主要有以下關鍵特征：采用完全可壓縮非靜力方程、完整的科氏和曲率條件、多種嵌套功能可選、具有多種地圖投影方案、2階到6階平流層積分選項、時分小步進的聲波和重力波模型、地表、大氣和表面輻射云層等全面的物理特性選項，以及其他一些功能。

5)后處理模塊：對模式輸出結果進行分析處理，圖形展示等。

2.2 星地鏈路降雨衰減預測流程

圖1 WRF模式模塊組成Fig.1 WRF model module diagram

采用WRF中尺度數值天氣預報模式，根據降雨衰減預報的實際需要設定中心點經緯度坐標，區域大小，網格格點距，地形分辨率；同時設定物理化方案、預報時長、積分步長等參數如表1所示；采用全球模式GFS預報結果作為WRF的背景場；運用數據同化模塊將常規觀測數據(如探空數據、地面數據等)和衛星遙感數據融合到背景場數據中，改善背景場數據質量，以取得更好的降雨預報效果15]。在WRF模式的不同物理化參數方案中選用已研究有利于降雨預報的方案，在保持其他參數和背景場數據不變的情況下，結合降雨衰減實測數據，選擇效果較好的降雨強度預報參數方案。其中雨衰實測值主要通過降雨條件下衛星遙測信號電平值的變化和衛星接收上行遙控信號功率的變化來得到；雨衰預測值根據WRF預報結果和雨衰模型綜合得到16-17]。

表1 WRF模式設置

通過數值天氣預報得到降雨強度的三維空間分布，進一步運用差值方法得到關心區域中電波鏈路上的降雨強度，然后基于無線電信息系統的參數，如載波頻率、極化特性以及通信仰角并利用雨衰減率計算方法得到區域的降雨衰減分布。系統流程如圖2所示。系統具體傳播鏈路的降雨衰減短期預報流程如圖3所示。

應用數值天氣預報方法，利用降雨強度、雨頂高度、頻率、仰角等參數計算降雨衰減，其中雨頂高度由模式所得溫度三維場計算得到，應用以下方法：

插值溫度T0位于第i層和第i+1層之間；兩層的高度分別為Pi、Pi+1；溫度分別為Ti、Ti+1；插得的溫度層高度Z0：

圖2 星地鏈路降雨衰減預測流程Fig.2 Rain attenuation prediction process of satellite ground link

圖3 鏈路雨衰減短時預報流程Fig.3 Link rain attenuation short time forecasting process

(14)

令T0=0℃，得到該點的雨頂高度。應用基于數值模式的雨衰減預測可得到所需空間范圍內關心時段的降雨強度、雨衰減等參數。

3 降雨過程預測結果分析

3.1 降雨衰減預測

應用上述方法對某地區發生的一次強度較大的降雨過程進行研究。在兩個不同仰角22°和30°及兩個頻率20GHz和30GHz上，對星地鏈路上降雨衰減進行預測。未來某一時間的降雨強度空間分布如圖4所示，該時間不同仰角和頻率條件下的降雨衰減預報結果如圖5所示。

分析不同仰角及頻率的預測結果，比較圖5(a)和圖5(b)以及圖5(c)和圖5(d)得出在相同頻率上低仰角的降雨衰減比高仰角的大；比較圖5(a)和圖5(c)以及圖5(b)和圖5(d)得出在同一仰角上降雨衰減隨著頻率的增加而增大；比較圖4和圖5可以得出降雨衰減隨著降雨量的增加而增大。

圖4 降雨強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of rainfall intensity

圖5 不同頻率不同仰角的降雨衰減預測Fig.5 Rain attenuation prediction at different frequency and different elevation angles

3.2 降雨衰減比較分析

對當地連續4h的降雨量和降雨衰減進行測量，并利用同一時段的當地氣象數據和數值預報的降雨強度進行降雨衰減的比較驗證，其中降雨量實測數據來自于當地場區的雨量計觀測值，20GHz降雨衰減和30GHz降雨衰減數據來源于當地場區衛星信標觀測值。觀測和預報的降雨強度如和表2和圖6所示。

表2 降雨量的觀測和預報結果

圖6 數值預報結果Fig.6 Numerical prediction results

在20°仰角條件下對不同時間段、不同頻段的降雨衰減比較,結果見表3和圖7、圖8所示。

表3 降雨衰減結果對比

圖7 20 GHz降雨衰減結果比較Fig.7 Comparison of 20 GHz rainfall attenuation results

圖8 30 GHz降雨衰減結果比較Fig.8 Comparison of 30 GHz rainfall attenuation results

在另一時間窗口進行的降雨衰減預測結果如表4所示。

表4 降雨衰減結果對比

通過短時預報結果比較可以看出，基于數值預報的降雨衰減和基于實測降雨強度計算獲得的降雨衰減變化趨勢符合較好，誤差較小，在20GHz頻段平均誤差約為1.31dB，在30GHz頻段平均誤差約為2.39dB。但由于數值天氣預報的中尺度預報特性，因此在某些時間上的降雨衰減預報存在一定的誤差，如表3、表4中T0+2至T0+3時間段內30 GHz降雨衰減預報值與觀測值的誤差分別為6.91 dB和4.50 dB。針對這一情況，在進一步積累數據的基礎上，考慮在預報數據源中，增加更加精確的天氣預報數據，改善預報結果和預報精度。

4 結束語

本文提出的基于數值天氣預報的Ka頻段降雨衰減短時預測方法，可以較精確地實現Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預測，為Ka頻段衛星通信系統短時可用度分析提供了參考，并為進行數據通信業務規劃和動態資源分配提供了依據。后續有必要通過對模型和數據源進一步深入研究，從而推進該方法的實用化和工程化。

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(編輯：高珍)

Short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction

WANG Hongfeng1,*，ZHANG Hui1，LI Qiang1，LU Changsheng2

1.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter，Beijing100094,China2.The22ndInstituteofCETC，Qingdao266107，China

In order to accurately predict the short-term trend and intensity of rain attenuation in Ka-band satellite ground link,short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction was introduced,and the prediction process was designed. Then one rainfall process in a region was studied by using the method mentioned above,and the measured values of rainfall attenuation and the forecast value of rainfall attenuation based on numerical forecast were compared and analyzed. The experimental results show that the error of rainfall attenuation is small between the forecast values and measured values, and their variation trend is in good agreement.This method can be used for short-term rainfall prediction of Ka-band satellite communication system.

numerical weather prediction；Ka-band；rain attenuation；short-term prediction；satellite communication

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0008

2016-05-04；

2016-08-30；錄用日期：2016-11-24；

時間：2017-02-16 18:18:52

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170216.1818.007.html

王洪鋒,張暉,李強,等.基于數值預報模式的Ka頻段衛星系統降雨衰減短時預測J].中國空間科學技術,2017,37(1)：82-88.WANGHF,ZHANGH,LI,etal.Short-timerainattenuationpredictionforKa-bandsatellitecommunicationsystembasedonnumericalweatherpredictionJ].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(1)：82-88(inChinese).

V556.8

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http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：王洪鋒(1977-)，男，博士，高級工程師，econtribution@163.com，研究方向為航天測控等