雷達(dá)降雨觀測精度分析與應(yīng)用研究

李杰

摘? ?要：在雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展成熟的背景下，雷達(dá)測雨系統(tǒng)也在不斷改進(jìn)優(yōu)化。為確定雷達(dá)降雨觀測精度，本文以雷達(dá)降雨觀測為研究對象，從雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)運(yùn)行原理、系統(tǒng)建設(shè)等方面，闡述了雷達(dá)自動(dòng)面雨量觀測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀。并結(jié)合具體雷達(dá)面雨量自動(dòng)觀測系統(tǒng)應(yīng)用項(xiàng)目，對雷達(dá)降雨觀測精度的應(yīng)用效果進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)降雨觀測? 觀測精度? 雷達(dá)自動(dòng)面雨量觀測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P412.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0130-02

1? 雷達(dá)降雨觀測原理

雷達(dá)降雨觀測主要是依據(jù)氣象雷達(dá)回波強(qiáng)度，推算降雨強(qiáng)度、降雨量。雷達(dá)降雨觀測具有大面積、遙測特點(diǎn)，現(xiàn)有雷達(dá)降雨觀測方法主要是依據(jù)雷達(dá)波衰減系數(shù)、降雨強(qiáng)度間關(guān)系，或者根據(jù)氣象雷達(dá)方程平均回波功率、降雨粒子譜間關(guān)系，計(jì)算出降雨粒子譜分布規(guī)律[1]。

2? 雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)建設(shè)

以往天氣雷達(dá)系統(tǒng)主要采用C波段，對大氣圈云體、風(fēng)進(jìn)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(shù)據(jù)僅可用于預(yù)報(bào)參考，無法用于水資源量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因此，在后續(xù)研究過程中，相關(guān)科研人員利用X波段測雨雷達(dá)、翻斗雨量計(jì)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。配合數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及外部能源輔助設(shè)備，構(gòu)建了區(qū)域降雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)。區(qū)域降雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)空間分辨率在90.0m×90.0m以上。同時(shí)利用相關(guān)模型處理測雨雷達(dá)輸出結(jié)果，可對其進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得每一小塊雨強(qiáng)數(shù)據(jù)，保證水文預(yù)測預(yù)報(bào)、水資源分析等應(yīng)用需求的充分滿足。

3? 雷達(dá)降雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)在某項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)整體框架

2018年，某地科研單位結(jié)合水利應(yīng)用需求，根據(jù)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合思路，開發(fā)了適用于我國實(shí)際需求，且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高分辨率雷達(dá)降雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)。并在某地進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，該雷達(dá)降雨自動(dòng)觀測系統(tǒng)主要運(yùn)用X波段測雨雷達(dá)進(jìn)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(dá)輸出數(shù)據(jù)為90.0m×90.0m范圍內(nèi)降雨強(qiáng)度。

該雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)主要包括信息采集層、數(shù)據(jù)處理層、信息傳輸層、信息應(yīng)用層四層架構(gòu)。其中信息采集層主要包括測雨雷達(dá)、φ20.0cm翻斗雨量計(jì)、滴譜儀等幾個(gè)模塊。其主要負(fù)責(zé)降雨信息的自動(dòng)采集。

數(shù)據(jù)處理層主要包括處理軟件、處理計(jì)算機(jī)兩個(gè)模塊，其可以在初步處理信息采集層自動(dòng)收集的信息的基礎(chǔ)上，對超出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)[2]。

信息傳輸層主要依托GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)場處理完畢的降雨數(shù)據(jù)、中心接收站點(diǎn)間建立高效信息傳輸通道。

信息應(yīng)用層除接收硬件設(shè)備以外，還包括信息儲(chǔ)存軟件及處理軟件。其可以為遠(yuǎn)程信息接收、存儲(chǔ)、應(yīng)用、處理等功能的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。

3.2 雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)組成及性能

在實(shí)際運(yùn)行過程中，該雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)主要由兩組五臺(tái)φ20.0cm的翻斗雨量計(jì)、一部X波段多普勒測雨雷達(dá)、四臺(tái)滴譜儀、一個(gè)數(shù)據(jù)處理單元、一臺(tái)計(jì)算機(jī)及若干個(gè)遙測雨量站組成。其中翻斗雨量計(jì)主要包括GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊、電源、φ20.0cm翻斗雨量計(jì)等幾個(gè)模塊。每組翻斗雨量計(jì)共五臺(tái)，主要分布在90.0m×90.0m范圍內(nèi)四個(gè)角及中間位置;測雨雷達(dá)主要包括具備DSU功能的數(shù)字中頻信號(hào)處理器、2.40m天線、終端監(jiān)控系統(tǒng)、天線罩、交流伺服系統(tǒng)及可變中頻數(shù)字接收機(jī)、磁控管發(fā)射機(jī)幾個(gè)模塊構(gòu)成;滴譜儀除采集器、發(fā)射機(jī)以外，還包括通信設(shè)備、電源、控制器、運(yùn)算器、接收機(jī)等幾個(gè)模塊;數(shù)據(jù)處理單元主要由衰減訂正、雨量反演模型及控制軟件構(gòu)成[3]。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)可以每間隔五分鐘提供一組半徑36km范圍內(nèi)的小時(shí)雨強(qiáng)、累積降雨量。每組降雨量格點(diǎn)數(shù)據(jù)量為502400個(gè)。同時(shí)每五分鐘可更新以往1，3，6h累積面余量，并生成水文報(bào)表文件。

3.3 雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)運(yùn)行效果

2018年5～10月上旬雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)PRS-11在某地投入試運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行150多天，經(jīng)歷了該地主汛期，累積獲得兩萬多組雷達(dá)雨量及雨量站數(shù)據(jù)、滴譜儀數(shù)據(jù)。在獲得上述數(shù)據(jù)之后，相關(guān)研究人員首先對雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)與單個(gè)雨量站數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出結(jié)果如下。

2018年5月20日雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)在某地現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)節(jié)成功后，當(dāng)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(shí)際測量數(shù)據(jù)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(jì)降雨測量值、雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)相關(guān)性在0.79。其中雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)測量過程降雨量為49.22mm，0.5mm精度翻斗雨量計(jì)為50.22mm，兩者相對偏差在4%以內(nèi)。

其次，相關(guān)研究人員對雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)與雨量計(jì)組、滴譜儀進(jìn)行了對比分析，主要研究過程如下：

為進(jìn)一步確定雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)測量精度，分別在該地A、B兩個(gè)地區(qū)設(shè)置了兩套雨量計(jì)陣組，A、B兩地距離為4.8km。每一套雨量計(jì)陣組均包括一套滴譜儀、翻斗式雨量計(jì)。其中翻斗式雨量計(jì)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(dá)降雨觀測系統(tǒng)在A地測得降雨量為23.56mm，滴譜儀測得降雨量為25.32mm，五個(gè)翻斗雨量計(jì)測得該地面平均雨量為23.34mm，雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)與雨量計(jì)平均差在百分之一以內(nèi)。同時(shí)期雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)在B地測得降雨量為32.25mm，滴譜儀測得降雨量為36.25mm，五個(gè)翻斗雨量計(jì)測得面平均雨量為32.52mm。雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)、雨量計(jì)間平均絕對值相差在7%以內(nèi)。雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)、雨量計(jì)組、滴譜儀數(shù)據(jù)對比結(jié)果。

最后，由于雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)可以每間隔五分鐘提供一次36km掃描半徑內(nèi)空間分辨率為90.0m×90.0m數(shù)據(jù)，整體測量密度在現(xiàn)有雨量站測量密度以上，且對比數(shù)據(jù)偏差在一個(gè)較大值。據(jù)此，為確定雷達(dá)降雨觀測平均面雨量精度，該地研究人員選擇雷達(dá)掃描半徑范圍內(nèi)C、D兩個(gè)地區(qū)，分別在C、D之間不同海拔區(qū)域設(shè)置甲乙丙丁四個(gè)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(dá)降雨觀測系統(tǒng)測得C、D間評卷降雨量為25.42mm，甲乙丙丁四個(gè)雨量計(jì)采集的雨量數(shù)據(jù)平均量在21.22mm，兩者偏差在-16.53%。

4? 結(jié)語

綜上所述，通過對上述3個(gè)模塊所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可得出雷達(dá)測雨具有獲取數(shù)據(jù)量大、獲取數(shù)據(jù)精度高、雷達(dá)測雨穩(wěn)定性好的優(yōu)良特點(diǎn)。因此，在降雨觀測時(shí)，相關(guān)人員可進(jìn)一步加強(qiáng)對雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)研究，逐步完善雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)性能，保證雷達(dá)降雨觀測系統(tǒng)優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

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[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.