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        雷達(dá)測雨的最優(yōu)化方法在分布式城市洪水模型中的應(yīng)用

        2010-09-11 09:03:22潘安君盧江濤田富強(qiáng)倪廣恒
        中國水利 2010年23期
        關(guān)鍵詞:雨量計(jì)判別函數(shù)反射率

        潘安君,盧江濤,田富強(qiáng),倪廣恒

        (清華大學(xué)水利水電工程系,100084,北京)

        一、雷達(dá)測雨的最優(yōu)化方法

        隨著城市化進(jìn)程的加快和全球氣候變化的發(fā)展,城市受到極端暴雨事件影響的頻率增高,危害加重。分布式城市洪水模型可以充分反映流域降雨分布以及下墊面變化,使模擬計(jì)算結(jié)果更加可靠。相對于地面雨量計(jì),雷達(dá)測雨能夠更精確地反映降雨的時(shí)空分布,捕捉降雨中心移動(dòng)過程,因而能更好地滿足分布式模型對于降雨數(shù)據(jù)的要求。

        反射率因子的定義為單位體積內(nèi)降雨粒子直徑6次方的總和,用Z表示,反映了氣象目標(biāo)內(nèi)部降雨粒子的尺度和數(shù)密度,常用來表示氣象目標(biāo)的強(qiáng)度。可以通過建立反射率因子Z與降雨強(qiáng)度R之間的關(guān)系,計(jì)算得到降雨量。

        由理論推導(dǎo)可以得出,Z與R滿足冪指數(shù)關(guān)系。但是,在不同地區(qū)、不同降雨類型下Z—R關(guān)系是變化的,所以在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r,應(yīng)用實(shí)測資料,具體統(tǒng)計(jì)Z—R關(guān)系中的參數(shù)A和b值,再應(yīng)用到天氣雷達(dá)測量降雨的過程中。在缺乏實(shí)測資料的地區(qū),目前采用的缺省公式為:

        最優(yōu)化方法的實(shí)質(zhì)是先假定一個(gè)Z—R關(guān)系式,獲得單位時(shí)間的雷達(dá)估算值Ri,再選定一個(gè)判別函數(shù)CTF,把各點(diǎn)的雨量計(jì)實(shí)測值Gi和對應(yīng)的雷達(dá)估算值Ri代入計(jì)算得到CTF值,如CTF過大,就不斷調(diào)整Z—R關(guān)系中的參數(shù)A和b,直到判別函數(shù)CTF達(dá)到最小值為止,這時(shí)由參數(shù)A和b所決定的Z—R關(guān)系就是最優(yōu)的。最優(yōu)化方法的關(guān)鍵在于尋找合適的判別函數(shù)CTF,目前最常用的優(yōu)化A、b的判別函數(shù)如式(2)所示。

        式中,n為所取樣本數(shù);i為所取樣本數(shù)的序號(hào),一般取雨量計(jì)的個(gè)數(shù)。實(shí)踐證明,使用這種判別函數(shù)能使每一點(diǎn)各時(shí)段雷達(dá)測雨估算值的平均值和相應(yīng)點(diǎn)相應(yīng)時(shí)段地面雨量計(jì)測值的平均值接近。

        二、數(shù)據(jù)來源與處理

        本研究中,雷達(dá)測雨的數(shù)據(jù)來自北京市南郊新一代S波段多普勒天氣雷達(dá)。雨量站的數(shù)據(jù)則來自分布于整個(gè)北京地區(qū)的187個(gè)自動(dòng)氣象站,數(shù)據(jù)的時(shí)間精度為1分鐘。

        在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算之前,需要對雨量計(jì)—雷達(dá)進(jìn)行質(zhì)量控制。在地面雨量計(jì)的數(shù)據(jù)處理過程中,對1小時(shí)降雨量小于1mm的時(shí)段和站點(diǎn)處風(fēng)速大于10 m/s的時(shí)段不予考慮。雷達(dá)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要是進(jìn)行反射率因子極端值的訂正,這類極端值是指在降雨區(qū)域內(nèi)個(gè)別孤立的點(diǎn)。確定閾值為53 dBz,如果某一個(gè)點(diǎn)超過該閾值,其周圍8個(gè)點(diǎn)的反射率因子值都沒有超過53 dBz,則這一個(gè)點(diǎn)的值由其周圍8個(gè)點(diǎn)的平均值代替;反之,如果其周圍的8個(gè)點(diǎn)中存在反射率因子值超過53 dBz的,則該點(diǎn)的值被重新賦為7 dBz。

        三、計(jì)算結(jié)果與分析

        1.雷達(dá)降雨估算

        本研究選取了北京市2007、2008年間的4場降雨。這4場降雨的共同特點(diǎn)是降雨時(shí)間較短,單位時(shí)間降雨量較大,降雨范圍較小,降雨量的空間差異性顯著,存在明顯的降雨中心。一般而言,這種降雨因?yàn)樵诙虝r(shí)間內(nèi)降雨量比較集中,容易造成地面積水甚至是洪水危害,是城市防洪預(yù)警過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的一類降雨。

        采用最優(yōu)化方法對上述4場降雨進(jìn)行計(jì)算,得到適合于每場降雨A和b的取值?;谶@4場暴雨的最優(yōu)化結(jié)果,A值在50左右,b值在2左右。

        以2008年6月13日的降雨為例,比較該場降雨過程在優(yōu)化前后偏差的變化情況,如圖1所示??梢?,經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后,各個(gè)時(shí)間段內(nèi)雷達(dá)測量值均更加接近雨量計(jì)測量值,在降雨過程和總量上都提高了雷達(dá)測雨的精度。

        2.雷達(dá)測雨在分布式洪水模擬中的應(yīng)用

        在北京市清河流域建立了分布式洪水模型 (清華大學(xué)開發(fā)的分布式立體化城市洪水模型),用于模擬地面和地下管網(wǎng)流量、路面積水等。針對2008年6月13日的降雨過程,分別采用最優(yōu)化方法的雷達(dá)測雨和地面雨量計(jì)觀測值,得到流域上的降雨時(shí)空分布,作為模型降雨輸入,模型參數(shù)都采用相同的率定值,分析比較其對計(jì)算結(jié)果的影響。各主要斷面(清河閘、小月河)的徑流過程如圖2和圖3所示??梢钥闯霾捎糜炅坑?jì)或者雷達(dá)測雨對清河閘以上區(qū)域的流量模擬結(jié)果影響不大,而對小月河子流域模擬結(jié)果影響較大。采用雷達(dá)測雨的數(shù)據(jù)計(jì)算得到小月河出口流量峰值比采用雨量計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果偏小將近一半,從而使區(qū)域出口的總洪量也相應(yīng)偏小1/3左右。

        對于2008年6月13日降雨,兩種降雨輸入條件下北太平莊橋處的積水變化過程如圖4所示。盡管積水點(diǎn)的觀測值是在某一個(gè)具體位置上,模型計(jì)算結(jié)果則是網(wǎng)格內(nèi)積水深度的平均情況,兩者不能簡單進(jìn)行對比,但從圖4中可以看出積水過程的上升部分很接近,兩種降雨數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下積水深度的變化情況也基本一致。

        四、結(jié) 語

        經(jīng)過最優(yōu)化處理后利用天氣雷達(dá)可以得到時(shí)空分辨率很高的降雨數(shù)據(jù),與分布式城市洪水模型相結(jié)合,有助于精確計(jì)算洪水流量過程和捕捉局部積水區(qū)域。另外,由于天氣雷達(dá)還能通過云團(tuán)的移動(dòng)趨勢等預(yù)測數(shù)小時(shí)后的暴雨動(dòng)態(tài),因此雷達(dá)測雨在洪水預(yù)報(bào)預(yù)警中具有更好的應(yīng)用前景。

        [1]張培昌.杜秉玉.戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)(第二版)[M].北京:氣象出版社,2001.

        [2]俞小鼎,等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2006.

        [3]張培昌,戴鐵丕,王登炎,林炳干.最優(yōu)化法求Z—I關(guān)系及其在測定降水量中的精度[J].氣象科學(xué),1992,12(3).

        [4]姚燕飛,程明虎,等.優(yōu)化Z—I關(guān)系及其在淮河流域面雨量測量中的應(yīng)用[J].氣象,2007,33(6).

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