多普勒天氣雷達(dá)不同仰角瞄定量估測降水對比分析陳垚森【摘要】多普勒天氣雷達(dá)能定量估測大范圍的降雨，是高時空分辨率降雨數(shù)據(jù)的重要來源,日益成為應(yīng)用、研究的熱門科學(xué)問題.針對雷達(dá)站能夠同時產(chǎn)生多層不同仰角數(shù)據(jù)的特點，該文利用不同仰角雷達(dá)數(shù)據(jù)分別估算出降水量，對比分析了不同仰角多普勒雷達(dá)估測的降雨數(shù)據(jù)和自動雨量站雨量數(shù)據(jù).研究結(jié)果表明，多普勒雷達(dá)低三層仰角的估測結(jié)果與自動雨量站點實測值基本相近，低層仰角雷達(dá)數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值，在一定程度上能夠為多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用提供更大的數(shù)據(jù)支持.【期刊名稱】《廣東水利水電》【年(卷)，期】2011(000)002【總頁數(shù)】4頁(P28-31)【關(guān)鍵詞】多普勒天氣雷達(dá);不同仰角數(shù)據(jù);定量估測;對比分析【作者】陳垚森【作者單位】中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東廣州510275【正文語種】中文【中圖分類】P412.25引言多普勒天氣雷達(dá)作為一種主動微波遙感手段，具有高時空分辨率探測的優(yōu)勢,是監(jiān)測多種中小尺度災(zāi)害性天氣的新型工具。在中小尺度系統(tǒng)直接作用下產(chǎn)生的暴雨、冰雹、雷雨大風(fēng)等，具有歷時時間短、強(qiáng)度大、局部性強(qiáng)等特點，一旦出現(xiàn)經(jīng)常在較短的時間內(nèi)造成嚴(yán)重的自然災(zāi)害［1］。面對如此的災(zāi)害性天氣（如暴雨）,常規(guī)的氣象探測由于受條件限制，如地面雨量站的空間分辨率低、分布不均勻等，容易在惡劣天氣情況下受到干擾和破壞,而不能及時準(zhǔn)確地探測到相應(yīng)的氣象信息，更難以進(jìn)行預(yù)警和預(yù)報。多普勒天氣雷達(dá)除了具有高時間分辨率（探測周期為5~6min）和高空間分辨率（可估測1km2左右的降雨量相當(dāng)每于1km2左右有1個雨量站）的優(yōu)勢［2］外,多普勒雷達(dá)站還能同時掃描9個不同仰角層次的數(shù)據(jù)，為定量估測降水提供更強(qiáng)大的雷達(dá)數(shù)據(jù)支持，從而提高短時天氣監(jiān)測及預(yù)報的能力。通過對不同仰角多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的降水估算分析對比，揭示充分利用不同仰角雷達(dá)數(shù)據(jù)的意義和各層次雷達(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值從而提升多普勒雷達(dá)在中小尺度災(zāi)害性天氣預(yù)警預(yù)報中的作用。目前,國內(nèi)外對多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用研究方面已達(dá)到較成熟的階段，包括Z-R關(guān)系研究、雷達(dá)風(fēng)場反演、聯(lián)合地面雨量計校準(zhǔn)、雷達(dá)估測降水與水文模型耦合的應(yīng)用研究［3］。然而，在雷達(dá)數(shù)據(jù)資料的不同仰角反演、估測降水、對比分析等方面相對較少,并且常規(guī)雷達(dá)數(shù)據(jù)都是選取仰角為0.5°的數(shù)據(jù)層使用。大部分研究成果尚未實現(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用［2］。本文通過廣州多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)在廣州市城區(qū)的應(yīng)用，分析了不同仰角多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)的估測效果。比較分析了不同層次雷達(dá)估測與自動雨量站實測的降雨數(shù)據(jù)，探討了不同仰角的多普勒雷達(dá)資料在災(zāi)害性天氣預(yù)報預(yù)警中的作用。1多普勒雷達(dá)與廣州城區(qū)概況1.1廣州雷達(dá)簡介廣州雷達(dá)站建在廣州市番禺南村鎮(zhèn)大鎮(zhèn)崗山上，于2000年12月建成并投入使用，是我國建造的第2臺新一代多普勒天氣雷達(dá)，由廣東省氣象局管理。該雷達(dá)是由北京敏視達(dá)公司生產(chǎn)的CINRAD/SA（WSR-98D）型號、S波段新一代多普勒天氣雷達(dá)。雷達(dá)中心所處的位置為東經(jīng)113°21'18"E、北緯23°0'14"N。廣州雷達(dá)運行于VCP21（VolumeCoveragePattern21）模式下[4],對9個仰角分別為（0.5°,1.5°24°,3.4°,4.3°,6.0°,9.9°,14.6°,19.5°）,每6min完成1次體掃描。因此，每6min就能提供1組9層的雷達(dá)數(shù)據(jù)資料。1.2廣州市城區(qū)簡況將廣州城區(qū)（白云、芳村、海珠、番禺、黃埔、東山）作為本文的主要研究對象。廣州市位于廣東省中南部、珠江三角洲北緣。廣州瀕臨南海，鄰近香港特別行政區(qū)和澳門特別行政區(qū)，是中國通往世界的南大門。廣州城區(qū)大部分屬珠江三角洲沖積平原,東北部是丘陵、臺地。地勢東北高，其余都是低洼的平原。雨熱同期,每年的降水主要集中在5~10月，并時常伴有臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害性天氣。從表1也可估算得整個廣州城區(qū)都處于廣州雷達(dá)站空間極徑為0~60km的范圍內(nèi)，為多普勒雷達(dá)探測的理想范圍。具體地面范圍如圖1所示。圖1廣州城區(qū)范圍及雨量計分布示意1.3地面雨量站點信息和歷史雷達(dá)數(shù)據(jù)地面自動雨量站是雷達(dá)估測降水對比及校正的主要依據(jù)，市三防辦前期工程在廣州城區(qū)共建有雨量站23個（不完全統(tǒng)計），雨量站點分布如圖1所示,各雨量站的相關(guān)屬性如表1。所有站點都處于廣州雷達(dá)空間極徑0~45km的范圍內(nèi)。本文所選取的廣州城區(qū)典型降雨時間為2005.6和2006.5中的雷達(dá)數(shù)據(jù)是從廣州市氣象局獲得,而相應(yīng)時間雨量站的實測數(shù)據(jù)是從廣州市三防辦獲取。2多普勒雷達(dá)降雨定量估算方法利用多普勒雷達(dá)估算廣州城區(qū)降雨量，主要是根據(jù)雷達(dá)所測量的降雨回波率（曲力,通過Z-R關(guān)系,估算對應(yīng)雨量站點位置上所對應(yīng)的1kmx1km的雷達(dá)范圍的降雨量。2.1Z~R關(guān)系Z~R關(guān)系是反映雷達(dá)降雨反射率因子與降雨率的關(guān)系方程[5]其中Z是雷達(dá)降雨反射率因子（度量單位為mm6/m3）;R是降雨率（度量單位為mm/h）;系數(shù)a和指數(shù)b除與雷達(dá)本身有關(guān)外，還與當(dāng)?shù)氐牡匦?、氣候及降雨成因有很大的關(guān)系。雷達(dá)一般在出廠時根據(jù)制造時的設(shè)備狀況進(jìn)行了標(biāo)定,國產(chǎn)多普勒雷達(dá)一般取a=300,b=1.4。但是，根據(jù)不同的地形、降雨類型等影響因素可以調(diào)整a和b的取值。常用Z~R關(guān)系曲線如圖2所示。圖2常用Z-R關(guān)系參數(shù)的曲線示意在雷達(dá)的實際應(yīng)用中，一般測量的是雷達(dá)回波強(qiáng)度，單位用dbz來表示,其與降雨反射率因子Z的關(guān)系［5］:確定了Z~R關(guān)系參數(shù)并根據(jù)式（1）、式（2）可推求得降雨率R為：表1廣州城區(qū)雨量站點在雷達(dá)空間的對應(yīng)信息？2.2雷達(dá)空間與地面測雨單元的定位為了將多普勒雷達(dá)測量的降雨回波與地面單元的降雨關(guān)聯(lián)起來，必須建立雷達(dá)空間與地面測雨單元的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示：圖3雷達(dá)空間與地面測雨單元的對應(yīng)關(guān)系示意多普勒雷達(dá)各單元空間單元以極坐標(biāo)p（a，Y）進(jìn)行定位,地面雨量單元的空間坐標(biāo)以經(jīng)緯坐標(biāo)來表示，即以（Xk,Yk）表示雨量單元中心點的經(jīng)緯坐標(biāo)［2］。根據(jù)雷達(dá)探測原理，地面雨量單元的經(jīng)緯坐標(biāo)與多普勒雷達(dá)各單元的極坐標(biāo)間存在如下關(guān)系［6］其中R為地球半徑；Zk為各地面雨量單元（地面雨量站）到雷達(dá)中心點的弧線距離所對應(yīng)的弧度。根據(jù)上述公式，可計算出各地面雨量單元與多普勒雷達(dá)空間單元的對應(yīng)關(guān)系，即每個地面雨量單元（Xk,丫炒與唯一一個多普勒雷達(dá)空間單元（ak，Yk）相對應(yīng)［2］。廣州城區(qū)雨量站點在雷達(dá)空間的對應(yīng)信息，如表1所示。3不同仰角估測降水實例3.1不同仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)反演廣州多普勒雷達(dá)在進(jìn)行降雨探測時，可連續(xù)進(jìn)行9個不同仰角的體掃。為了比較不同仰角數(shù)據(jù)的差異，用雷達(dá)系統(tǒng)軟件對多普勒雷達(dá)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多層低仰角反演，圖4顯示了2006年7月15日8時20分低三層仰角的雷達(dá)回波圖(PPI)。從數(shù)據(jù)反演中發(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)據(jù)層仰角的增大，應(yīng)用于定量估測降水的雷達(dá)降雨率逐步減少、回波范圍也逐步縮小并集中于雷達(dá)中心站范圍。因此，本文的分析研究工作,僅利用前3層的數(shù)據(jù)，其他6層數(shù)據(jù)可作為備用。3.2廣州城區(qū)不同仰角的降雨估算圖42006年7月15日8時20分廣州多普勒雷達(dá)低三層仰角回波反演對比示意根據(jù)上述估測降水方法，采用標(biāo)準(zhǔn)的Z~R關(guān)系參數(shù)制a=300,b=1.4,選擇廣州城區(qū)2005年6月14日8時至次日8時和2006年5月28日8時至次日8時2d典型降雨期間的雷達(dá)資料，并分別選用仰角為0.5。、1.5。、2.4。三層數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。廣州市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，每年的五、六月份主要由華南準(zhǔn)靜止鋒造成鋒面雨,當(dāng)?shù)厮追Q〃龍舟水”。本文選取的2場降雨均屬廣州市的〃龍舟水”，降雨歷時較長、降雨量也較大，往往給廣州城區(qū)帶來嚴(yán)重的山洪、內(nèi)澇等災(zāi)害。因此，本文選取的典型降雨具有深遠(yuǎn)的研究意義。圖5廣州城區(qū)的雷達(dá)估算降雨示意3.3聯(lián)合雨量計對比分析為對比分析不同仰角雷達(dá)估測降水的精度，本文在假定自動雨量計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下,將雨量計數(shù)據(jù)與雷達(dá)3個低仰角估測的雨量進(jìn)行對比分析。以每個站點的24h累積降雨為計算單位，其中降雨偏差率的計算公式［2］如下：其中Pr1、Pgi分別代表第i雨量站1d雷達(dá)估算和雨量計實測的累積降雨量,Di代表雷達(dá)-雨量計降雨量偏差率。從上述對比分析圖可以看出，不同仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)估算結(jié)果基本接近雨量計的實測值，同時也存在個別站點偏差較大,但是對計算整個區(qū)域總降雨量影響不大。圖6a2005年6月14日低三層仰角估算值與雨量計實測值對比示意圖6b2005年6月14日低三層仰角估算值對雨量計實測值的偏差率曲線示意圖7a2006年5月28日低三層仰角估算值與雨量計實測值對比示意圖7b2006年5月28日低三層仰角估算值對雨量計實測值的偏差率曲線示意雷達(dá)估算的不同仰角數(shù)據(jù)的偏差率曲線,仰角為0.5°與另外2個仰角相比曲線波動范圍變小，更接近于雨量計實測值。但是不難看出另外2個仰角對于個別站點也具有較好的修正的效果。因此，在雷達(dá)估測降雨時，使用第一層雷達(dá)數(shù)據(jù)（仰角為0.5°）能比較準(zhǔn)確地估算出降雨量，并且可以根據(jù)下墊面的差異有選擇地使用仰角為1.5°和2.4°的雷達(dá)資料。對于多普勒雷達(dá)定量定點估測降水低三層仰角的數(shù)據(jù)都具有相當(dāng)?shù)氖褂脙r值。4結(jié)論與展望通過對2005.6.14和2006.5.28兩天典型降雨的低三層仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)對廣州城區(qū)估測結(jié)果對比分析可得：1）雷達(dá)估測降水比雨量計更具有高時空分辨率優(yōu)勢，能夠?qū)V州城區(qū)中小尺度災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)警預(yù)報［7］。2）低仰角（0.5°、1.5°、2.4°）三層雷達(dá)數(shù)據(jù)在廣州城區(qū)范圍內(nèi)的降水估測精度相近，都具有較高的使用價值。一般情況下，只用第一層（0.5°仰角）雷達(dá)資料也合適。3）多普勒天氣雷達(dá)低層仰角數(shù)據(jù)在雷達(dá)站小極徑范圍內(nèi)估測降水都具有較好的使用效果，能為天氣雷達(dá)的應(yīng)用提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)源支持。4）多普勒天氣雷達(dá)定點定量估測降水較雨量計實測值還存在一定的偏差，因為同時存在著數(shù)據(jù)質(zhì)量、Z-R參數(shù)、地物阻擋等有待解決和完善的研究問題。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】壽紹文.中尺度氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2003.鄒強(qiáng),陳洋波.多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及流域降雨定量估算應(yīng)用研究[幾中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009,48(3):122-123,125-126.李致家，劉金濤,葛文忠，等.雷達(dá)估測降雨與水文模型的耦合在洪水預(yù)報中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,32(6):601.任啟偉.耦合天氣雷達(dá)降雨的分布式流域水文模型徑流模擬研究[D]廣州:中山大學(xué),2010.張培昌，杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2001.龍利民，王建國,汪應(yīng)瓊，等.多普勒天氣雷達(dá)一小時累積降水產(chǎn)品估