李道彬,胥 金,田 楠

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

PRS-11/M型X波段雙偏振多普勒測(cè)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(cè)問(wèn)題。本文主要針對(duì)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(cè)率定方面的實(shí)踐,通過(guò)近年的降水觀測(cè)試驗(yàn),進(jìn)行提升降水估測(cè)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(cè)設(shè)備的率定、降水估測(cè)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(cè)雨雷達(dá)(以下簡(jiǎn)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(cè)儀器,主要用于觀測(cè)臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)對(duì)流性天氣系統(tǒng)的對(duì)流結(jié)構(gòu),在降水估測(cè)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(cè)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(kāi)展了為期兩年的觀測(cè)應(yīng)用試驗(yàn),主要針對(duì)雷達(dá)探測(cè)模式、數(shù)據(jù)質(zhì)控與率定方法、降水估測(cè)方法等開(kāi)展了相關(guān)應(yīng)用研究。

2.1 PRS-11/M系統(tǒng)探測(cè)原理

PRS-11/M系統(tǒng)的探測(cè)原理是將實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)原理流程如圖1所示。

圖1 PRS-11/M系統(tǒng)探測(cè)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(jì)算等模型運(yùn)算中對(duì)參數(shù)影響很大。但降水區(qū)域覆蓋的雨滴譜儀個(gè)數(shù)過(guò)少甚至無(wú)覆蓋時(shí),模型運(yùn)算的參數(shù)會(huì)采用上一時(shí)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(cè)精度。

本文研究的主要內(nèi)容是驗(yàn)證多普勒雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性,其比測(cè)對(duì)象為傳統(tǒng)的雨量計(jì)(自動(dòng)翻斗雨量計(jì)或人工雨量計(jì))。比測(cè)方法為多普勒雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)與其觀測(cè)范圍內(nèi)各處雨量計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算其偏差值,最后,計(jì)算雷達(dá)與整個(gè)范圍內(nèi)雨量計(jì)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(gè)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(chǎng)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(gè)部分,雷達(dá)探測(cè)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(cè)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(duì)雷達(dá)探測(cè)性能參數(shù)(包括靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、探測(cè)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(huì)造成雷達(dá)電磁波的衰減。一般用衰減系數(shù)來(lái)描述目標(biāo)物對(duì)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(wú)衰減時(shí)雷達(dá)波傳播單位距離的功率;pr為有衰減時(shí)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(zhǎng)越短,受雨衰影響越嚴(yán)重。PRS-11/M雙偏振多普勒測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)采用X波段體制(波長(zhǎng)3 cm),雨衰訂正是X波段雷達(dá)應(yīng)用中比較重要的一個(gè)問(wèn)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(cè)時(shí),雷達(dá)數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量對(duì)其影響較大,因此在進(jìn)行降水估測(cè)前,需對(duì)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(dòng)平均方法、中值濾波方法、FIR濾波方法[2]。本文重點(diǎn)針對(duì)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(gè)長(zhǎng)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(gè)多項(xiàng)式。一個(gè)輸入信號(hào)x(n-k),通過(guò)FIR濾波器輸出信號(hào)y(n),可以表示為:

(2)

式中,k為雷達(dá)徑向距離庫(kù)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(duì)紅圈所示的降水強(qiáng)中心進(jìn)行較好地還原,同時(shí),對(duì)于回波邊緣因脈沖積累不足造成的離散點(diǎn)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(cè)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(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)輔助探測(cè)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(gè)系統(tǒng)中起到“標(biāo)校源”的作用。

2.4 各雨量場(chǎng)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(cè)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(shí),利用Z-R關(guān)系法估測(cè)降水可以達(dá)到較好的精度,根據(jù)相關(guān)資料,在對(duì)流性降水過(guò)程中,系數(shù)a、b經(jīng)驗(yàn)值可取a=300、b=1.4,在層狀云降水過(guò)程中,系數(shù)a、b經(jīng)驗(yàn)值可取a=200、b=1.6。PRS-11/M系統(tǒng)因?yàn)橐爰す庥甑巫V儀作為輔助探測(cè)設(shè)備,a、b取值可以采用激光雨滴譜儀動(dòng)態(tài)擬合完成,通過(guò)試驗(yàn),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(cè)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(duì)于降水強(qiáng)度很大的情況,ZH和ZDR可能會(huì)受到冰雹的干擾,而KDP不受絕對(duì)定標(biāo)誤差和衰減的影響,即使在雨中混有球形冰雹時(shí),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(guò)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(shí)測(cè)降水過(guò)程分析

對(duì)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(diǎn)按降水過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

3.1 2017年4月15日降水過(guò)程

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

圖3 2017年4月15日23∶10開(kāi)始連續(xù)時(shí)刻雨量場(chǎng)分布

表2 評(píng)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(duì)比如圖4所示。

圖4 雷達(dá)累積雨量與雨量站雨量對(duì)比

3.2 2018年6月13日降水過(guò)程

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

圖5 2018年06月13日03∶00分開(kāi)始連續(xù)雨量場(chǎng)分布

表3 評(píng)估結(jié)果

2018年06月13日03∶00-2015年06月13日23∶00時(shí)段累積雨量對(duì)比如圖6所示。

圖6 雷達(dá)累積雨量與雨量站雨量對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

雨量雷達(dá)與雨量站對(duì)同一次降水過(guò)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(guò)探測(cè)降水回波強(qiáng)度進(jìn)行降雨量反演,而雨量站是直接測(cè)量;從探測(cè)目標(biāo)分析,雨量雷達(dá)是測(cè)量空中降水,而雨量站是測(cè)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(cè)量值應(yīng)略大于雨量站測(cè)量值。