雷達在水文預報應用中的研究進展

張 宇

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

雷達在水文預報應用中的研究進展

張 宇

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

吉林省在進行水文情況預測時，會應用雷達技術(shù)，雷達可以對雨區(qū)進行跟蹤，了解暴雨走向及降雨量的變化。在分析雷達水文預報系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)雷達預測技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了論述，對未來雷達測雨的前景和發(fā)展方向進行了預測。

雷達；水文預報；應用；研究進展

在進行水文預報的時候，需要獲得準確的水文觀測資料，這樣才能對降雨時空分布、下墊面特征及人類活動等有準確的掌握。在水文觀測資料中，降水數(shù)據(jù)至關(guān)重要，降水數(shù)據(jù)發(fā)生變化就會對徑流總量、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)的時間產(chǎn)生影響，降水分布不均勻也會影響水文模型，因此，應注重水文預報準確性的提升，從而更精準地預測降雨。目前，預測降雨的工具主要是雨量計，但是由于其具有空間局限性，不適合大范圍的降雨預測，也不能將降雨的空間分布反映出來，因此，雨量計的測量結(jié)果會產(chǎn)生一定的誤差，與真實的水文模型之間的差異性也比較大。隨著遙感技術(shù)的出現(xiàn)，許多水文工作都將雷達技術(shù)和水文預報工作相結(jié)合，大大提升了水文預報的準確性。

1 雷達在水文預報中的應用

雷達作為一種主動式的遙感設(shè)備，其在測試中具有分辨率高、測試準確的特點，能夠獲得較大面積的降水信息，因此，將雷達應用于災害性天氣、短時天氣及降水天氣等預報具有較強的優(yōu)勢。雷達可對降水、警戒災害、降水能力等進行評估，短時間內(nèi)獲得大范圍的降水信息。吉林省內(nèi)分布著松花江、遼河、鴨綠江等河流，降水量十分豐沛，因此需要做好水文預報、水庫儲水及江河流域的短時預報，雷達在這個過程中就發(fā)揮了十分重要的作用。

1.1 雷達進行水文預報的原理

雷達工作時會通過天氣發(fā)出電磁波，當電磁波碰到降水或一些云目標時，一部分的電磁波就會發(fā)生反射，雷達接收到這些反射的電磁波時，就會對信號波的輕度進行處理，再確定降水和云存在的位置，做出水文預報。雷達能夠計算電磁波發(fā)射時間和脈沖接受信號之間的時間差，根據(jù)電磁波傳輸?shù)乃俣扔嬎阍朴陞^(qū)和雷達之間的距離。雷達還可以通過轉(zhuǎn)動來獲得雷達和目標物之間的方位角和仰角，確定目標物的空間位置，因此雷達除了能對降水和災害天氣進行預測外，還能對降水情況進行定量測試。

1.2 雷達水文測試中反射因子和降水強度之間的關(guān)系

雷達氣象方程能夠計算目標物對電磁波的散射能力，通過回波的強度對降水區(qū)的物理情況進行判斷，如下所示：

在公式中，雷達反射因子Z是根據(jù)平均接收功率計算出來的。由于降水粒子并不是均勻分布的，因此可以將Z用以下公式表示：

Z=ARb

該公式中，A和b都是由滴譜資料獲得的常數(shù)，確定降水區(qū)的反射因子，就能準確計算降水強度。在具體應用過程中，由于吉林省不同季節(jié)的降水類型并不一樣，因此不能根據(jù)一次的滴譜數(shù)據(jù)對其他時期的降水情況進行預測，還需要根據(jù)具體情況來確定Z-R的關(guān)系。

2 雷達在水文預報中的應用現(xiàn)狀

利用雷達進行水文預報的研究最早始于20世紀40年代，但是具體應用則是從20世紀90年代開始的，隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，雷達處理接收降水回波的效率大大提升，雷達測雨技術(shù)也為降水時空分布提供了新的信息來源。目前，美國、英國及日本已將雷達測量水文應用到實踐中，我國近年來也加緊了雷達氣象事業(yè)的發(fā)展，開發(fā)出了相應的產(chǎn)品。

在水文預報過程中，降水量是十分重要的變量，水文測試需要獲得一個面上的降水情況，而雨量計只能測試單點的降水情況，而且在測試區(qū)域會出現(xiàn)強降水的情況，這樣雨量計測量的結(jié)果就不具有普遍性。雷達反演降水技術(shù)的不斷發(fā)展，為面雨量的測試指明了新的研究方向，目前國內(nèi)外利用雨量計測量數(shù)據(jù)估計降水主要應用的是平均校準法(系數(shù)法)、最優(yōu)Z-R法，最優(yōu)插值校準法等。這些方法的預測效果十分顯著，但在具體的變分計算過程中，對雨量站分析方案和變分參數(shù)的調(diào)整要求較高，對雨量站的密度也有較高的要求，因此實際應用效果受到限制。目前，如何將雷達探測信息和雨量計實測信息結(jié)合起來，成為各國主要的研究方向。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

外國利用雷達技術(shù)對水文情況進行預報的研究已經(jīng)經(jīng)歷了多年，美國和英國建立了雷達和雨量計聯(lián)合估計降水模型。大量的模型模擬表明，雷達和雨量計聯(lián)合估計降水模型對降水類型的依賴性過大，對大范圍內(nèi)的降水改進并不明顯，只有對流性的降水預測比較準確。而降水空間分布情況對雷達預測準確性有主要影響，如果能對降水空間分布變化進行更加準確的描述，改變水文預報模型，就能大大提升水文預報的準確性。國外在降水時空分布對徑流影響這方面進行了較為廣泛的研究。Pessoa等對5場暴雨進行研究，用5min、10min和30min的雷達測得降雨累計。結(jié)果表明，水文研究對時間的分辨率是比較敏感的。Giannoni等人在研究中發(fā)現(xiàn)，在觀測降水洪峰流量的過程中，1h的流量觀測值和實測值相差不大，而3h的流量觀測值和實測值之間則有一定的差異，實測值比觀測值少25%。Wilson等人在研究中發(fā)現(xiàn)，降水空間變化和水文過程線之間存在著一定關(guān)系，空間降雨模式出現(xiàn)差錯，就會對水文預報過程產(chǎn)生明顯的影響，洪峰流量和洪峰出現(xiàn)的時間也有誤差，而局部對流性降雨預報準確性的影響更大。Pessoa等在研究中用不同分辨率的雷達對降水情況進行了實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同分辨率的預測結(jié)果是不一致的。Borga研究了雷達水文預報誤差和徑流模擬，結(jié)果表明，不同雷達誤差對徑流模擬的印象不同。Collischonn等人利用定量進行降水預報，提升了預報精度。目前，美國、英國對雷達水文預報的研究已經(jīng)向全面化的方向轉(zhuǎn)變，基于雷達測試的水文和數(shù)值預報模式COST717計劃也已經(jīng)完成，未來雷達預報水文的準確性將大大增加。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比發(fā)達國家，我國雷達在水文建設(shè)中的應用較晚，20世紀50年代，中國氣象科學研究院才引進了英國的X波段、DECCA雷達。近年來，我國雷達測雨的研究取得了重要進展。2001年，任立良和劉新仁利用雷達對淮河流域進行流量測量，取得了較好的成果。劉曉陽等人在研究中發(fā)現(xiàn)，雷達測雨比雨量計的模擬方法更具優(yōu)勢。許繼軍等人在研究中發(fā)現(xiàn)，降雨信息的缺失是導致水文預報不準確的根本原因，因為吉林省有許多山區(qū)，雨量站比較稀疏，測量的結(jié)果就更加不準確。在探究過程中，只選擇小流域進行研究，因此，要提升雷達水文預報的準確性，就要使降雨空間分布和分布式水文模型相吻合。高波等人在研究中指出，可以將天氣雷達、氣象衛(wèi)星及水情自動遙測信息與常規(guī)的水文信息結(jié)合起來，進行洪水預報和蓄水時間的選擇。

3 結(jié)語

目前，我國利用雷達進行水文預報的研究和國外相比差距較大，主要還集中于長江流域和淮河流域的研究，對吉林省松花江的水文預報研究比較少，未來，吉林省要加強相關(guān)研究。隨著我國新一代雷達網(wǎng)的建成，雷達進行水文測試的準確性將會提升，為吉林省的生產(chǎn)帶來便利。

[1] 胡彩虹，張青山，楊帆，等.雷達在水文預報應用中的研究進展[J].氣象與環(huán)境科學，2009，32(1)：105-106.

[2] 張利平，趙志朋，胡志芳，等.雷達測雨及其在水文水資源中的應用研究進展[J].暴雨災害，2008，27(4)：128-129.

[3] 魏林宏，郝振純，邱紹偉.雷達測雨在水文學中的應用——影響預報精度的因素分析[J].水利水電技術(shù)，2004，35(5)：87-88.

Research progress of radar in hydrological forecasting

ZHANG Yu

(Yanbian Branch of Hydrology and Water Resources Bureau of Jilin Province, Yanji 133000, China)

In the process of hydrological forecasting, radar technology will be used in Jilin. The radar can track rain areas and get the changes of rainfall direction and rainfall. Based on the analysis of radar hydrological forecasting system, the research status of the domestic radar forecasting technology is discussed, and the prospect and development direction of the future radar rainfall forecasting are forecasted.

Radar; Hydrological forecasting; Application; Research progress

2016-09-15

張宇(1986-)，男，助理工程師，學士。

P406

B

1674-8646(2016)24-0016-02