摘要：鄱陽湖湖盆內(nèi)存在雨量站分布不均、密度較低的問題，而X波段測雨雷達(dá)系統(tǒng)在解決遙測站少、面雨量計算代表性不足方面具有獨特優(yōu)勢?；谯蛾柡鑵^(qū)周邊34個地面雨量站觀測資料，選取鄱陽湖2024年4～6月6場強降水過程，評估了X波段測雨雷達(dá)降水量估計產(chǎn)品的可靠性與準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：測雨雷達(dá)與地面雨量站在累計降雨量方面的相關(guān)性較好，相關(guān)性系數(shù)為0.870 2。同時，短時（1，3，6 h）降雨時段下比對遙測站點雨量和對應(yīng)的雷達(dá)監(jiān)測雨量，在累計時段和雨量達(dá)到一定等級后兩者相關(guān)性明顯提升，但測雨雷達(dá)在短時段降雨的監(jiān)測中具有一定的局限性。整體而言，X波段測雨雷達(dá)對降雨過程的監(jiān)測能力較好，能夠更好地呈現(xiàn)流域降雨的時空分布。

關(guān) 鍵 詞：面雨量監(jiān)測；測雨雷達(dá)；定量估算；雷達(dá)產(chǎn)品；鄱陽湖

中圖法分類號：TV125 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.014

0 引言

鄱陽湖位于江西省北部，地處長江中下游南岸，是一個吞吐型、季節(jié)性湖泊，也是中國最大的淡水湖和國際重要濕地之一。鄱陽湖匯集江西省的贛江、撫河、信江、饒河、修河等五大河流來水，經(jīng)調(diào)蓄，于湖口注入長江，構(gòu)成以鄱陽湖為匯聚中心的完整輻射水系。實時、準(zhǔn)確監(jiān)測鄱陽湖湖區(qū)降水量，對于確保鄱陽湖的“一湖清水”以及防汛抗旱、水資源管理具有極其重要的意義。長期以來，鄱陽湖湖區(qū)地面降雨量采用傳統(tǒng)的雨量筒或雨量計設(shè)備獲得，受限于雨量站分布不均、密度較低，目前的雨量數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映降雨的空間分布，從而導(dǎo)致湖區(qū)面雨量精度不高^［1-3］。因此，雨量筒和雨量計等傳統(tǒng)監(jiān)測方法在面雨量監(jiān)測方面受到限制。

與地面雨量站單點監(jiān)測相比，測雨雷達(dá)作為一種主動遙感手段，可獲取精確、大范圍、高時空分辨率的實時降雨量信息，可有效防止局部強降雨漏測風(fēng)險^［4-6］。近年來，中國研發(fā)了多種以雷達(dá)為核心的新型高分辨率局地面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)^［7］。例如，韓文宇等利用C波段多普勒雷達(dá)對甘肅省天水市2013年的兩場降雨資料反演風(fēng)場、回波與降水之間的關(guān)系，并檢驗發(fā)生冰雹和大風(fēng)等強對流天氣過程的預(yù)警條件^［8］。此外，賀芳芳等基于自動氣象站、S波段雷達(dá)回波資料研究了上海市暴雨面雨量計算方法，并建立上海地區(qū)暴雨面雨量自動化查詢計算系統(tǒng)^［9］。傳統(tǒng)的S和C波段天氣雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)、成本高，在探測遠(yuǎn)距離的近地面降雨時效果難以滿足使用要求^［10］。相比而言，X波段測雨雷達(dá)系統(tǒng)具有分辨率高、掃描盲區(qū)小、測量精度高等特點，同時多極化天線在高精度降水測量、降水結(jié)構(gòu)探測及降水粒子相態(tài)反演方面具有獨特優(yōu)勢^［11-13］。高山等采用西安市Ｘ波段全固態(tài)測雨雷達(dá)估測的降水?dāng)?shù)據(jù)同周邊6個地面氣象觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析了測雨雷達(dá)在西安市的探測效果和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^［14］。以上研究表明，X波段雷達(dá)面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效防止局部強降雨漏測風(fēng)險，在面雨量檢測上更加精確，但上述研究多集中于雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)或特定區(qū)域的初步應(yīng)用，對于X波段雷達(dá)在不同時間尺度下的監(jiān)測性能、空間分布特征精細(xì)刻畫的全面評估尚顯不足。

本文基于鄱陽湖中心蛇山島建設(shè)的X波段測雨雷達(dá)面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)，選取了2024年4～6月6場強降水過程，從不同時間尺度降雨量數(shù)值精度、降雨過程監(jiān)測及暴雨中心落區(qū)識別等多個維度比較雷達(dá)的監(jiān)測性能，以期全面評估雷達(dá)在降雨監(jiān)測中的綜合應(yīng)用能力，為鄱陽湖湖區(qū)雨水情監(jiān)測預(yù)報“三道防線”建設(shè)，雷達(dá)測雨在區(qū)域降水量監(jiān)測、水量平衡分析、預(yù)報預(yù)警中的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支撐。

1 鄱陽湖測雨雷達(dá)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

鄱陽湖測雨雷達(dá)系統(tǒng)包括1部X波段固態(tài)測雨雷達(dá)、4臺雨滴譜儀、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件、雷達(dá)應(yīng)用服務(wù)軟件以及附屬配套設(shè)備等。

（1）測雨雷達(dá)。該設(shè)備位于鄱陽湖中心蛇山島上，來源于中科星圖億水（四川）科技有限公司生產(chǎn)的X波段雷達(dá)（HTRR-2000）。該X波段測雨雷達(dá)采用中頻相參脈沖多普勒體制，使用地型匹配掃描和垂直功率譜自動探測方式，以5 min為探測周期，可定量測量半徑36 km范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的強度、平均徑向速度、譜寬及垂直功率譜參數(shù)，自動獲取60 m×60 m分辨率的格點雨量數(shù)據(jù)，并實時傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理，可實現(xiàn)對流域高分辨率格點雨量的精確測量。

（2）雨滴譜。4個雨滴譜監(jiān)測站分別位于雷達(dá)站周圍的韓家壟、下山村、南磯鄉(xiāng)和蓮湖鄉(xiāng)。該套設(shè)備主要包括激光雨滴譜儀、遙測終端機、通信模塊、供電和基礎(chǔ)設(shè)施。激光雨滴譜儀是由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生的一組平行光速，位于接收端的透鏡光二級管可以測量光強并把它轉(zhuǎn)換成電信號。當(dāng)雨滴穿過激光束時產(chǎn)生接收信號通過減小的振幅計算出雨滴直徑；通過減小信號的持續(xù)時間測得雨滴下降速度。根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計比例確定降雨類型，進(jìn)而修正雷達(dá)Z-R關(guān)系參數(shù)，提高雷達(dá)測雨精度。

1.2 系統(tǒng)功能

鄱陽湖測雨雷達(dá)系統(tǒng)通過自動接收雷達(dá)數(shù)據(jù)信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，將收集的資料進(jìn)行綜合加工處理，實現(xiàn)區(qū)域面雨量的自動監(jiān)測與應(yīng)用。該系統(tǒng)主要功能包括信息采集、接收處理、存儲與共享、維護(hù)、查詢統(tǒng)計分析等功能。

產(chǎn)品輸出包括：①基本產(chǎn)品包括雨強，1，3，6 h及任意時段累計雨量，等值線分析等；②應(yīng)用產(chǎn)品包括降雨過程回放、24 h動態(tài)雨量分布、區(qū)域降雨面積統(tǒng)計、雨量拼圖、統(tǒng)計報表、專題圖制作等。

系統(tǒng)可根據(jù)基本雨強數(shù)據(jù)完成任意時段累計雨量、等值線、雨量拼圖、降雨過程回放、統(tǒng)計報表、專題圖等成果的應(yīng)用（圖1～2），從而直觀反映區(qū)域降雨分布情況和過程。系統(tǒng)充分發(fā)揮了其面雨量監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢特點，有效解決了單一地面雨量計可能遺漏區(qū)域暴雨中心的問題，并避免了離散雨量站網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)點面關(guān)系不完全匹配的現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用鄱陽湖測雨雷達(dá)系統(tǒng)降水估算產(chǎn)品數(shù)據(jù)（Quantitative Precipitation Estimation，QPE）。目前該系統(tǒng)在鄱陽湖區(qū)設(shè)有1臺測雨雷達(dá)，覆蓋范圍為半徑36 km，輔助雨滴譜儀。地面雨量站數(shù)據(jù)為測雨雷達(dá)半徑36 km內(nèi)34個遙測雨量站同步觀測資料。從中選取鄱陽湖2024年4月1～3日、4月13～14日、4月16～19日、5月3～4日、6月18～19日、6月24～28日6場強降水過程和地面雨量站監(jiān)測進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

X波段測雨雷達(dá)采用Z-R關(guān)系來進(jìn)行定量降水估測^［15-16］，具體表達(dá)式如下。

根據(jù)雷達(dá)回波強度dbz和反射率因子Z關(guān)系式，將dbz轉(zhuǎn)換為Z。

dbz=10lgZ（1）

利用天氣雷達(dá)對降水信息進(jìn)行反演，主要依據(jù)反射率因子Z與降雨強度R的關(guān)系。

Z=A×R^b（2）

式中：Z為反射率因子；R為降雨強度；A，b為反演參數(shù)。

2.3 評估方法

以實際降雨過程為例，對比遙測雨量站與雷達(dá)測雨系統(tǒng)計算的數(shù)據(jù)。

（1）從測雨雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的40處遙測雨量站點選定比測分析的站點和降水時段。

（2）根據(jù)選定站點收集所在位置9個60 m×60 m格網(wǎng)雨量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出對應(yīng)格網(wǎng)對應(yīng)時段的1，3，6 h的降雨量和累計降雨量數(shù)據(jù)，并通過格網(wǎng)雨量取平均值推算給定區(qū)域的雷達(dá)雨量。

（3）以遙測雨量站1 h降水量觀測為基準(zhǔn)，選擇點、面兩種形式，按1，3，6 h和累計過程降雨，對不同降雨量級的降雨量、降雨強度與對應(yīng)遙測站點進(jìn)行相關(guān)性分析；同時，評估各站點的累計面平均雨量和格網(wǎng)面平均降雨量關(guān)系；最后，對測雨雷達(dá)和雨量計累計面平均雨量和空間分布情況進(jìn)行對比分析。

3 結(jié)果分析

3.1 不同歷時降雨量監(jiān)測結(jié)果對比

3.1.1 1 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場強降雨過程的1 h累計降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)共計比對4 319個，絕對差區(qū)間為0～37.1 mm，全部樣本比測數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.282。其中10 mm以上比測數(shù)據(jù)132個，線性相關(guān)系數(shù)為0.282 4；15 mm以上比測數(shù)據(jù)54個，線性相關(guān)系數(shù)為0.316 0（圖3）。

3.1.2 3 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場強降雨過程的3 h累計降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)共計比對1 380個，絕對差區(qū)間為0～32.6 mm，全部樣本比測數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.564 7。其中10 mm以上比測數(shù)據(jù)201個，線性相關(guān)系數(shù)為0.487 4；20 mm以上比測數(shù)據(jù)38個，線性相關(guān)系數(shù)為0.412 7（圖4）。

3.1.3 6 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場強降雨過程的6 h累計降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)共計比對757個，絕對差區(qū)間為0.01～44.60 mm，全部樣本比測數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.594。其中30 mm以上比測數(shù)據(jù)39個，線性相關(guān)系數(shù)為0.555 6；50 mm以上比測數(shù)據(jù)9個，線性相關(guān)系數(shù)為0.685 7（圖5）。

3.2 累計降雨量比較

對6個場次降雨過程的累計降雨量進(jìn)行分析，評估一個降雨過程各遙測站點的累計降雨量和測雨雷達(dá)相應(yīng)區(qū)域監(jiān)測累計降雨量之間的關(guān)系，綜合分析測雨雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。對比情況詳見表1。

選取2024年4～6月6場強降雨過程的累計降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)比對204個，絕對差區(qū)間為0.1～149.8 mm，全部樣本比測數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.870 2。其中100 mm以上比測數(shù)據(jù)70個，線性相關(guān)系數(shù)為0.607 7；150 mm以上比測數(shù)據(jù)65個，線性相關(guān)系數(shù)為0.602 4（圖6）。

3.3 空間分布比較

3.3.1 實測降雨過程空間分布

以2024年4月1～3日、4月13～14日鄱陽湖兩場強降水過程為例，圖7給出了兩次降水過程的遙測站累計實測降水分布。2024年4月1～3日鄱陽湖發(fā)生大暴雨，暴雨主要集中在中部大部分區(qū)域，最大降雨量為鄱陽站的254 mm（圖7（a））。2024年4月13～14日鄱陽湖強降水，累計雨量大、短時雨強大，暴雨主要集中在南部，最大降雨量為鄱陽站的84 mm（圖7（b））。

3.3.2 雷達(dá)產(chǎn)品性能評估

雷達(dá)定量估算降水產(chǎn)品計算的累計降水分布結(jié)果表明（圖8），測雨雷達(dá)能夠相對準(zhǔn)確地刻畫出兩次降水過程的主要空間分布特征，QPE產(chǎn)品估測的兩次強降水中心基本一致，但估測的強降水區(qū)范圍和整體雨量均較遙測站實測雨量偏大。

總體來說，測雨雷達(dá)系統(tǒng)可實現(xiàn)對覆蓋區(qū)域面雨量和暴雨中心的連續(xù)監(jiān)測，雷達(dá)QPE產(chǎn)品可獲得大范圍降水的強度以及累計量，直觀反映雨區(qū)范圍，為降水監(jiān)測預(yù)警提供快速更新的面雨量分析依據(jù)。

4 結(jié)論

針對鄱陽湖湖盆區(qū)內(nèi)雨量站分布不均、密度較低導(dǎo)致湖區(qū)面雨量精度不高的問題，本文以鄱陽湖實際降水過程評估了X波段測雨雷達(dá)累計降水量估計產(chǎn)品在面降雨量、暴雨中心落區(qū)監(jiān)測中的可靠性與準(zhǔn)確性，得到如下結(jié)論：

（1）基于X波段測雨雷達(dá)的雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)通過對自動接收雷達(dá)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，將收集的資料進(jìn)行綜合加工處理，生成雷達(dá)回波拼圖、流域面雨量定量估算、格點化的估算降雨等多種雷達(dá)應(yīng)用產(chǎn)品，實現(xiàn)對雷達(dá)定量估算降水產(chǎn)品的查詢、制作并顯示。

（2）短時（1，3，6 h）降雨時段下比對遙測站點雨量和對應(yīng)的雷達(dá)監(jiān)測雨量，在雨量達(dá)到一定等級后相關(guān)性明顯提升，但測雨雷達(dá)在短時段降雨的監(jiān)測中具有一定的局限性。綜合2024年4～6月6場強降雨過程的累計降雨量進(jìn)行分析，遙測雨量和雷達(dá)雨量的相關(guān)性較好，全部樣本數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)為0.870 2，反映出雷達(dá)測雨累計降雨量的成果質(zhì)量較好，具有較明顯的規(guī)律。后續(xù)通過增加樣本資料優(yōu)化算法進(jìn)一步提升測雨雷達(dá)系統(tǒng)面雨量精度，進(jìn)而推算出湖區(qū)面雨量。

（3）X波段測雨雷達(dá)QPE產(chǎn)品能夠刻畫出兩次降水過程的主要空間分布特征，測雨雷達(dá)暴雨中心和降雨分布與遙測站監(jiān)測情況較為一致，表明測雨雷達(dá)對降雨過程的監(jiān)測能力較好，能夠展現(xiàn)流域降雨的時空分布。

綜上，與傳統(tǒng)的區(qū)域面雨量監(jiān)測方法相比，X波段測雨雷達(dá)系統(tǒng)在面雨量自動監(jiān)測方面具備科學(xué)性、可行性和實用性，且在空間連續(xù)性、降雨演進(jìn)、監(jiān)測密度、維護(hù)工作量等方面具有較大優(yōu)勢。該系統(tǒng)生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠滿足區(qū)域降水監(jiān)測的要求，有利于精準(zhǔn)開展流域面雨量監(jiān)測和水資源管理工作。未來將進(jìn)一步通過不同的降水類型驗證X波段雷達(dá)QPE的適用性，評估X波段雙極化測雨雷達(dá)系統(tǒng)在降水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)度方面的可靠性，為全國大規(guī)模測雨雷達(dá)應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

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（編輯：謝玲嫻）