測雨雷達(dá)基本原理及在降水估測中的實踐

李道彬,胥 金,田 楠

(1.四川省水文水資源勘測中心,成都 610036;2.四川省廣元水文水資源勘測中心,四川 廣元 628000)

PRS-11/M型X波段雙偏振多普勒測雨雷達(dá)可解決中小河流洪水高發(fā)區(qū)域的應(yīng)急監(jiān)測問題。本文主要針對四川省水文中心已建設(shè)的X波段PRS-11/M系統(tǒng)在降水估測率定方面的實踐,通過近年的降水觀測試驗,進(jìn)行提升降水估測精度方法的研究,包括雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、雨衰訂正、輔助觀測設(shè)備的率定、降水估測方法的研究。

1 PRS-11/M系統(tǒng)介紹

PRS-11/M型X波段雙偏振多普勒測雨雷達(dá)(以下簡稱PRS-11/M系統(tǒng))是一種用于地球科學(xué)領(lǐng)域的大氣探測儀器,主要用于觀測臺風(fēng)及強(qiáng)對流性天氣系統(tǒng)的對流結(jié)構(gòu),在降水估測方面應(yīng)用廣泛。具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PRS-11/M系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 降水估測應(yīng)用研究

PRS-11/M系統(tǒng)于成都市雙流區(qū)黃龍溪水文站開展了為期兩年的觀測應(yīng)用試驗,主要針對雷達(dá)探測模式、數(shù)據(jù)質(zhì)控與率定方法、降水估測方法等開展了相關(guān)應(yīng)用研究。

2.1 PRS-11/M系統(tǒng)探測原理

PRS-11/M系統(tǒng)的探測原理是將實時采集并完成質(zhì)量控制后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)與雨滴譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,采用多種降水估測數(shù)學(xué)物理模型,完成5 min雨量的生成,覆蓋以雷達(dá)為中心,半徑60 km的范圍。探測原理流程如圖1所示。

圖1 PRS-11/M系統(tǒng)探測原理流程

其中,雨滴譜儀數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的重要支撐,在雨衰訂正、Z-R關(guān)系擬合、降水高度計算等模型運(yùn)算中對參數(shù)影響很大。但降水區(qū)域覆蓋的雨滴譜儀個數(shù)過少甚至無覆蓋時,模型運(yùn)算的參數(shù)會采用上一時次參數(shù)或默認(rèn)參數(shù),將產(chǎn)生一定的誤差,影響最終雨量的探測精度。

本文研究的主要內(nèi)容是驗證多普勒雷達(dá)測雨系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的可靠性,其比測對象為傳統(tǒng)的雨量計(自動翻斗雨量計或人工雨量計)。比測方法為多普勒雷達(dá)測雨系統(tǒng)與其觀測范圍內(nèi)各處雨量計觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并計算其偏差值,最后,計算雷達(dá)與整個范圍內(nèi)雨量計偏差的均值。

按圖1所示,率定的主要內(nèi)容涉及到從PRS-11/M系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的生成,到5 min面雨量產(chǎn)品的生成,主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:①PRS-11/M系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的率定;②雨滴譜儀數(shù)據(jù)的率定;③各雨量場反演方法參數(shù)的率定。

2.2 PRS-11/M系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的率定

從雷達(dá)原理出發(fā),原始數(shù)據(jù)的率定主要包括以下3個部分,雷達(dá)探測性能參數(shù)的率定、雨衰訂正的率定和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的研究,以及雨滴譜儀數(shù)據(jù)的率定。

2.2.1 雷達(dá)探測性能參數(shù)的率定

作為雨量分布反演的主要輸入,雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度將直接影響雨量分布反演的準(zhǔn)確性[1]。為了更好地保證雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度,必須對雷達(dá)探測性能參數(shù)(包括靈敏度、動態(tài)范圍、探測距離、強(qiáng)度定標(biāo)、天線到位精度等)進(jìn)行嚴(yán)格率定。

2.2.2 雨衰訂正的率定

從雷達(dá)氣象學(xué)理論分析,大氣中的氣體分子、云滴、雨滴、冰雹及干雪等均會造成雷達(dá)電磁波的衰減。一般用衰減系數(shù)來描述目標(biāo)物對電磁波衰減的強(qiáng)弱,其定義是:雷達(dá)波功率在目標(biāo)物中傳播單位距離后,由于目標(biāo)物的衰減作用,所減少掉的分貝數(shù),即:

k=-10lgpr/pro

式中,pro為無衰減時雷達(dá)波傳播單位距離的功率;pr為有衰減時雷達(dá)波傳播單位距離的功率;k為衰減系數(shù),單位為dB/km。

雷達(dá)波長越短,受雨衰影響越嚴(yán)重。PRS-11/M雙偏振多普勒測雨雷達(dá)系統(tǒng)采用X波段體制(波長3 cm),雨衰訂正是X波段雷達(dá)應(yīng)用中比較重要的一個問題。

2.2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

在利用PRS-11/M系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行降水估測時,雷達(dá)數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量對其影響較大,因此在進(jìn)行降水估測前,需對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。本系統(tǒng)目前采用的質(zhì)量控制方法包括:滑動平均方法、中值濾波方法、FIR濾波方法[2]。本文重點針對FIR濾波方法進(jìn)行分析。

設(shè)有限沖激響應(yīng)FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)為h(k),那么一個長度為M的FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為:

(1)

它是次數(shù)為M-1的z-1的一個多項式。一個輸入信號x(n-k),通過FIR濾波器輸出信號y(n),可以表示為:

(2)

式中,k為雷達(dá)徑向距離庫序數(shù);M為FIR濾波窗口的大小[3]。

從圖2分析可以得出,FIR濾波能對紅圈所示的降水強(qiáng)中心進(jìn)行較好地還原,同時,對于回波邊緣因脈沖積累不足造成的離散點進(jìn)行有效抑制。

(a)濾波前

2.3 雨滴譜儀數(shù)據(jù)的率定

PRS-11/M系統(tǒng)除了測雨雷達(dá)外,還包括7部激光雨滴譜儀,分布于雷達(dá)周圍,半徑60 km以內(nèi)。雨滴譜儀作為測雨雷達(dá)系統(tǒng)的一個輔助探測系統(tǒng),用于衰減訂正參數(shù)的擬合以及Z-R關(guān)系參數(shù)的確定。激光雨滴譜儀在整個系統(tǒng)中起到“標(biāo)校源”的作用。

2.4 各雨量場反演方法參數(shù)的率定

2.4.1 單偏振Z-R關(guān)系法

常規(guī)雷達(dá)的降雨估測公式:

R1(Zh)=a×10b×Zh

(3)

式中,Zh為水平偏振反射率,單位為mm6/m3。

當(dāng)降水強(qiáng)度較小時,利用Z-R關(guān)系法估測降水可以達(dá)到較好的精度,根據(jù)相關(guān)資料,在對流性降水過程中,系數(shù)a、b經(jīng)驗值可取a=300、b=1.4,在層狀云降水過程中,系數(shù)a、b經(jīng)驗值可取a=200、b=1.6。PRS-11/M系統(tǒng)因為引入激光雨滴譜儀作為輔助探測設(shè)備,a、b取值可以采用激光雨滴譜儀動態(tài)擬合完成,通過試驗,采用連續(xù)15 min的雨滴譜數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合,可以有效提升a、b估值的準(zhǔn)確率,從一定程度上提升降水測量精度。

2.4.2 雙偏振參數(shù)反演

本文采用的是KPP-ZDR-R關(guān)系法。對于降水強(qiáng)度很大的情況,ZH和ZDR可能會受到冰雹的干擾,而KDP不受絕對定標(biāo)誤差和衰減的影響,即使在雨中混有球形冰雹時,其估值依然準(zhǔn)確,所以選擇R4公式形式:

(4)

式中,ZDR為差分反射率因子,是反映以反射率因子為權(quán)重的降水粒子的平均軸比的物理量;KDP為差分相移變率,為水平、垂直偏振波在降水區(qū)的傳播常數(shù)增量差;通過前期研究表明,系數(shù)a、b、c可取a=7.049、b=0.9411、c=-0.456。

3 實測降水過程分析

對PRS-11/M系統(tǒng)2017-2019年降水資料進(jìn)行分析(主要資料為2017-2018年),重點按降水過程進(jìn)行評估。

3.1 2017年4月15日降水過程

雷達(dá)探測范圍內(nèi)降水過程時間為:2017年4月15日23∶00 ～ 2017年4月16日13∶00,地點:黃龍溪水文站。該過程為混合型降水過程,包括:層狀云降水和對流云降水,部分雨量站點12 h雨量超過20 mm。該過程雨量雷達(dá)累積雨量相對于雨量站雨量整體一致性較好,兩者相關(guān)性較好(見圖3和表2)。

圖3 2017年4月15日23∶10開始連續(xù)時刻雨量場分布

表2 評估結(jié)果

2017年4月15日23∶00～2017年4月16日13∶00累積雨量對比如圖4所示。

圖4 雷達(dá)累積雨量與雨量站雨量對比

3.2 2018年6月13日降水過程

雷達(dá)探測范圍內(nèi)降水過程時間為:2018年06月13日03∶00-2018年06月13日23∶00,地點:黃龍溪水文站。該過程為混合云降水過程,均勻降水過程中伴有局地強(qiáng)中心,持續(xù)時間長,超過12h,部分雨量站點雨量超過30 mm。該過程雨量雷達(dá)累積雨量相對于雨量站雨量整體偏小,兩者相關(guān)性較好,相對誤差較小(見圖5和表3)。

圖5 2018年06月13日03∶00分開始連續(xù)雨量場分布

表3 評估結(jié)果

2018年06月13日03∶00-2015年06月13日23∶00時段累積雨量對比如圖6所示。

圖6 雷達(dá)累積雨量與雨量站雨量對比

4 結(jié)語

雨量雷達(dá)與雨量站對同一次降水過程存在誤差的原因除了兩者自身的系統(tǒng)誤差外,從原理上分析,雨量雷達(dá)是通過探測降水回波強(qiáng)度進(jìn)行降雨量反演,而雨量站是直接測量;從探測目標(biāo)分析,雨量雷達(dá)是測量空中降水,而雨量站是測量地面降水,考慮到雨滴在空中的碰并、蒸發(fā)等因素,雨量雷達(dá)測量值應(yīng)略大于雨量站測量值。