雷達降雨觀測精度分析與應用研究

李杰

摘? ?要：在雷達技術不斷發展成熟的背景下，雷達測雨系統也在不斷改進優化。為確定雷達降雨觀測精度，本文以雷達降雨觀測為研究對象，從雷達降雨觀測系統運行原理、系統建設等方面，闡述了雷達自動面雨量觀測系統研究現狀。并結合具體雷達面雨量自動觀測系統應用項目，對雷達降雨觀測精度的應用效果進行了進一步研究。

關鍵詞：雷達降雨觀測? 觀測精度? 雷達自動面雨量觀測系統

中圖分類號：P412.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0130-02

1? 雷達降雨觀測原理

雷達降雨觀測主要是依據氣象雷達回波強度，推算降雨強度、降雨量。雷達降雨觀測具有大面積、遙測特點，現有雷達降雨觀測方法主要是依據雷達波衰減系數、降雨強度間關系，或者根據氣象雷達方程平均回波功率、降雨粒子譜間關系，計算出降雨粒子譜分布規律[1]。

2? 雷達降雨觀測系統建設

以往天氣雷達系統主要采用C波段，對大氣圈云體、風進行觀測，最大觀測半徑在300km左右。雖然觀測半徑較大，但是精度較低，最終觀測所獲得的數據僅可用于預報參考，無法用于水資源量統計數據。因此，在后續研究過程中，相關科研人員利用X波段測雨雷達、翻斗雨量計等數據采集設備。配合數據傳輸設備及外部能源輔助設備，構建了區域降雨自動觀測系統。區域降雨自動觀測系統空間分辨率在90.0m×90.0m以上。同時利用相關模型處理測雨雷達輸出結果，可對其進行校準，獲得每一小塊雨強數據，保證水文預測預報、水資源分析等應用需求的充分滿足。

3? 雷達降雨自動觀測系統在某項目中的應用

3.1 雷達降雨觀測系統整體框架

2018年，某地科研單位結合水利應用需求，根據產學研結合思路，開發了適用于我國實際需求，且具有自主知識產權的高分辨率雷達降雨自動觀測系統。并在某地進行了應用實驗，該雷達降雨自動觀測系統主要運用X波段測雨雷達進行降雨測量，測量半徑在30km以上，測量面積在4000km2左右，最終測量雷達輸出數據為90.0m×90.0m范圍內降雨強度。

該雷達降雨觀測系統主要包括信息采集層、數據處理層、信息傳輸層、信息應用層四層架構。其中信息采集層主要包括測雨雷達、φ20.0cm翻斗雨量計、滴譜儀等幾個模塊。其主要負責降雨信息的自動采集。

數據處理層主要包括處理軟件、處理計算機兩個模塊，其可以在初步處理信息采集層自動收集的信息的基礎上，對超出標準的數據進行校準[2]。

信息傳輸層主要依托GPRS無線網絡，在現場處理完畢的降雨數據、中心接收站點間建立高效信息傳輸通道。

信息應用層除接收硬件設備以外，還包括信息儲存軟件及處理軟件。其可以為遠程信息接收、存儲、應用、處理等功能的實現提供依據。

3.2 雷達降雨觀測系統組成及性能

在實際運行過程中，該雷達降雨觀測系統主要由兩組五臺φ20.0cm的翻斗雨量計、一部X波段多普勒測雨雷達、四臺滴譜儀、一個數據處理單元、一臺計算機及若干個遙測雨量站組成。其中翻斗雨量計主要包括GPRS通信模塊、數據接收處理模塊、電源、φ20.0cm翻斗雨量計等幾個模塊。每組翻斗雨量計共五臺，主要分布在90.0m×90.0m范圍內四個角及中間位置;測雨雷達主要包括具備DSU功能的數字中頻信號處理器、2.40m天線、終端監控系統、天線罩、交流伺服系統及可變中頻數字接收機、磁控管發射機幾個模塊構成;滴譜儀除采集器、發射機以外，還包括通信設備、電源、控制器、運算器、接收機等幾個模塊;數據處理單元主要由衰減訂正、雨量反演模型及控制軟件構成[3]。

在實際應用過程中，雷達降雨觀測系統可以每間隔五分鐘提供一組半徑36km范圍內的小時雨強、累積降雨量。每組降雨量格點數據量為502400個。同時每五分鐘可更新以往1，3，6h累積面余量，并生成水文報表文件。

3.3 雷達降雨觀測系統運行效果

2018年5～10月上旬雷達降雨觀測系統PRS-11在某地投入試運行，連續運行150多天，經歷了該地主汛期，累積獲得兩萬多組雷達雨量及雨量站數據、滴譜儀數據。在獲得上述數據之后，相關研究人員首先對雷達降雨觀測系統與單個雨量站數據進行了對比分析，得出結果如下。

2018年5月20日雷達降雨觀測系統在某地現場聯合調節成功后，當天下午15：00輸出第一組雨量信息為5.8mm/h，該地水文局雨量站實際測量數據為5.8mm/h，兩者測量信息較一致。在5月25～27日降雨階段，該地某雨量站18cm直徑雨量計降雨測量值、雷達降雨觀測系統相關性在0.79。其中雷達降雨觀測系統測量過程降雨量為49.22mm，0.5mm精度翻斗雨量計為50.22mm，兩者相對偏差在4%以內。

其次，相關研究人員對雷達降雨觀測系統與雨量計組、滴譜儀進行了對比分析，主要研究過程如下：

為進一步確定雷達降雨觀測系統測量精度，分別在該地A、B兩個地區設置了兩套雨量計陣組，A、B兩地距離為4.8km。每一套雨量計陣組均包括一套滴譜儀、翻斗式雨量計。其中翻斗式雨量計測量精度為0.50mm、滴譜儀測量范圍為0.001～1200mm/h[4]。

2018年9月25日18：00至26日8：00，雷達降雨觀測系統在A地測得降雨量為23.56mm，滴譜儀測得降雨量為25.32mm，五個翻斗雨量計測得該地面平均雨量為23.34mm，雷達降雨觀測系統與雨量計平均差在百分之一以內。同時期雷達降雨觀測系統在B地測得降雨量為32.25mm，滴譜儀測得降雨量為36.25mm，五個翻斗雨量計測得面平均雨量為32.52mm。雷達降雨觀測系統、雨量計間平均絕對值相差在7%以內。雷達降雨觀測系統、雨量計組、滴譜儀數據對比結果。

最后，由于雷達降雨觀測系統可以每間隔五分鐘提供一次36km掃描半徑內空間分辨率為90.0m×90.0m數據，整體測量密度在現有雨量站測量密度以上，且對比數據偏差在一個較大值。據此，為確定雷達降雨觀測平均面雨量精度，該地研究人員選擇雷達掃描半徑范圍內C、D兩個地區，分別在C、D之間不同海拔區域設置甲乙丙丁四個雨量站。最終得出在2018年7月6日7：00～11：00降雨過程中，雷達降雨觀測系統測得C、D間評卷降雨量為25.42mm，甲乙丙丁四個雨量計采集的雨量數據平均量在21.22mm，兩者偏差在-16.53%。

4? 結語

綜上所述，通過對上述3個模塊所采集數據進行對比分析，可得出雷達測雨具有獲取數據量大、獲取數據精度高、雷達測雨穩定性好的優良特點。因此，在降雨觀測時，相關人員可進一步加強對雷達降雨觀測系統研究，逐步完善雷達降雨觀測系統性能，保證雷達降雨觀測系統優勢的充分發揮。

參考文獻

[1] 王洪，雷恒池，楊潔帆.微降水雷達測量精度分析[J].氣候與環境研究，2017，22（4）：392-404.

[2] 吳瓊，仰美霖，竇芳麗.GPM雙頻降水測量雷達對降雪的探測能力分析[J].氣象，2017，43（3）：348-353.

[3] 呂博.邊界層風廓線雷達測風精度分析[J]. 沙漠與綠洲氣象，2019，13（1）：99-104.

[4] 吳亞昊，劉黎平，周筠珺，等.雨滴譜的變化對降水估測的影響研究[J].高原氣象，2016，35（1）：220-230.