雷達、衛(wèi)星測雨技術(shù)與應(yīng)用

河海大學(xué)王加虎1

雨量站網(wǎng)

估計降水分布

存在的困難和問題

成本問題。雨量計只能在點上精確測量降水，降水是具有高度空間分布特性的物理量，因此，一個雨量計所能代表的區(qū)域非常有限，要準確測量一個流域上的降水分布必須布設(shè)非常稠密的雨量站網(wǎng)；系統(tǒng)維護。在人口稠密的發(fā)達地區(qū)，人員和技術(shù)支持不成為問題，但在人煙稀少的地區(qū)尤其是在上游山區(qū)，雨量站的維護相當(dāng)困難；質(zhì)量效率問題。雨量站通常有人工站和自動站，人工站的人為讀數(shù)錯誤，自動站的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，以及將所有雨量站數(shù)據(jù)及時傳送到區(qū)域水情中心的時效等都是問題。（95%，公網(wǎng)）22023/9/3雨量站網(wǎng)

估計降水分布

地區(qū)差異對比

甘肅省，55.5萬km2，400個站點，山洪災(zāi)害預(yù)警建設(shè)增加至4000個站點江西，遂川江流域2845km2，雨量站96個，其中45個長系列站。學(xué)者研究表明，23~39個站可以滿足當(dāng)?shù)夭煌瑫r段測雨精度的要求。32023/9/3雷達

“測雨數(shù)據(jù)空間分布合理”

42023/9/3雷達

單個雷達的覆蓋范圍52023/9/3雷達

雷達群62023/9/3衛(wèi)星測雨

衛(wèi)星測雨72023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

測站投資

82023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

測站應(yīng)急通訊

92023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

雷達投資

2003年中國新一代多普勒天氣雷達南京浦口的龍王山，山上建10層樓高的塔，塔上有一個12米的大球，球內(nèi)有直徑10m的天線，1300萬。成都，95米高的塔樓，5700多萬102023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

時空間分辨率比較，相互不可替代

站點：單點過程準確，6h報，整點1mm觸發(fā)，閑事5mm加報雷達：局地空間分布合理，R=460km的圓形，但是<200km以內(nèi)效果較好，分辨率1-4km2，5~6min衛(wèi)星：

大范圍的空間分布合理，±50度之間，0.25*0.25度，約4000km2，3h一幅數(shù)據(jù)112023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

雷達的難言之隱

雷達：缺乏歷史資料提高硬件的可靠性（12,5600km2）研究把雷達回波轉(zhuǎn)換為降雨量的方法提高雷達測雨產(chǎn)品的精度……122023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

雷達的難言之隱

雷達：132023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

衛(wèi)星的難言之隱

衛(wèi)星：研究把衛(wèi)星遙測信號波轉(zhuǎn)換為降雨量的方法提高衛(wèi)星測雨產(chǎn)品的精度缺乏歷史資料（1997年之后）……142023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

各自的產(chǎn)品

152023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

各自的產(chǎn)品

162023/9/32測站、雷達、衛(wèi)星

各自的產(chǎn)品

172023/9/3小結(jié)

站點、雷達、衛(wèi)星各有所長、各有所短相互不可替代182023/9/33雷達測雨

雷達的分類

凡是不具有多普勒性能的雷達稱為非相干雷達或常規(guī)氣象雷達，具有多普勒性能的雷達稱為相干雷達或多普勒雷達。主要的氣象雷達有：測云雷達。是用來探測未形成降水的云層高度、厚度以及云內(nèi)物理特性的雷達。其常用的波長為1.25厘米或0.86厘米。工作原理和測雨雷達相同，主要用來探測云頂、云底的高度。如空中出現(xiàn)多層云時，還能測出各層的高度。由于云粒子比降水粒子小，測云雷達的工作波長較短。測云雷達只能探測云比較少的高層云和中層云。對于含水量較大的低層云,如積雨云、冰雹等,測云雷達的波束難以穿透，因而只能用測雨雷達探測。192023/9/33雷達測雨

雷達的分類

測雨雷達。又稱天氣雷達，是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水或云中大滴的濃度、分布、移動和演變，了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征。測雨雷達能探測臺風(fēng)、局部地區(qū)強風(fēng)暴、冰雹、暴雨和強對流云體等，并能監(jiān)視天氣的變化。測風(fēng)雷達。用來探測高空不同大氣層的水平風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測風(fēng)雷達的探測方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的反射靶或應(yīng)答器，不斷對氣球進行定位。根據(jù)氣球單位時間內(nèi)的位移，就能定出不同大氣層水平風(fēng)向和風(fēng)速。在氣球上同時掛有探空儀，遙測高空的氣壓、溫度和濕度。202023/9/33雷達測雨

雷達的分類

圓極化雷達。一般的氣象雷達發(fā)射的是水平極化波或垂直極化波，而圓極化雷達發(fā)射的是圓極化波。雷達發(fā)射圓極化波時，球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉(zhuǎn)的圓極化波，而非球形大粒子（如冰雹）對圓極化波會引起退極化作用，利用非球形冰雹的退極化性質(zhì)的回波特征，圓極化雷達可用來識別風(fēng)暴中有無冰雹存在。調(diào)頻連續(xù)波雷達。它是一種探測邊界層大氣的雷達。有極高的距離分辨率和靈敏度，主要用來測定邊界層晴空大氣的波動、風(fēng)和湍流（見大氣邊界層）。212023/9/33雷達測雨

雷達的分類

氣象多普勒雷達。利用多普勒效應(yīng)來測量云和降水粒子相對于雷達的徑向運動速度的雷達。甚高頻和超高頻多普勒雷達。利用對流層、平流層大氣折射率的不均勻結(jié)構(gòu)和中層大氣自由電子的散射，探測1～100公里高度晴空大氣中的水平風(fēng)廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數(shù)、大氣穩(wěn)定層結(jié)和大氣波動等的雷達。222023/9/33雷達測雨

雷達的分類

雙波長雷達和機載多普勒雷達等。利用一個運動著的小天線來等效許多靜止的小天線所合成的一個大天線的合成孔徑雷達的新發(fā)展雙線偏振雷達除了能獲得云中的強度信息外還能獲得云粒子的相態(tài)信息。因此，雙線偏振雷達可以幫助確定雨滴譜，并有效地改善區(qū)域降雨量的測量和提高洪水預(yù)報能力。232023/9/33雷達測雨

雷達的基本原理（略）

電磁波的發(fā)射與接收雷達常用參數(shù)：工作頻率、波長、發(fā)射功率、天線增益……雷達的反射率因子多普勒速度雷達仰角雷達方位角大氣折射……242023/9/33雷達測雨

雷達的回波形態(tài)片狀（亮帶）回波——層狀云連續(xù)降水塊狀（帶狀）回波——對流云連續(xù)降水絮狀回波——混合型降水252023/9/33雷達測雨

雷達的主要顯示方式262023/9/33雷達測雨

雷達的主要顯示方式272023/9/33雷達測雨

雷達的主要顯示方式282023/9/33雷達測雨

雷達的反射率因子氣候特征：福建292023/9/33雷達測雨

雷達測量的局限性虛假回波與地物回波對識別的影響遮蔽物對降水的遮掩速度模糊與距離模糊不同距離的最小回波強度不同不同距離有不同的切向分辨率不同位置、不同波長的雷達，探測結(jié)果可能不同302023/9/33雷達測雨

雷達的局限性——遮蔽物312023/9/33雷達測雨

雷達的局限性——雷達位置差異322023/9/33雷達測雨

雷達的局限性——雷達位置差異雷達電磁波在降水和大氣中的衰減情況不同，探測的回波形態(tài)和強度也可能不同架設(shè)高度的差異廈門，150m，1km高的探測能力180km長樂，648m，1km高的探測能力280km仰角的差異……332023/9/33雷達測雨

雷達資料的產(chǎn)品線342023/9/33雷達測雨

雷達資料的獲取和使用雷達資料的獲取氣象局網(wǎng)站有云圖一類的影像數(shù)據(jù)實時資料，簽合同國外的雷達數(shù)據(jù)即產(chǎn)品可以實時在線下載FTP功能352023/9/33雷達測雨

雷達資料的獲取和使用雷達數(shù)據(jù)的格式中國氣象局雷達通用數(shù)據(jù)格式（V1.2）有代碼用于讀取，能夠自由實現(xiàn)雷達產(chǎn)品顯示和二次處理功能362023/9/3小結(jié)

雷達的基礎(chǔ)知識雷達很“能”但不是萬能的372023/9/34衛(wèi)星測雨

星載測雨雷達產(chǎn)品經(jīng)過近50年的發(fā)展，基于可見光、紅外和微波等各類衛(wèi)星傳感器的降水反演算法也逐漸發(fā)展成熟起來。應(yīng)用降水反演算法制成的3種主要全球降水?dāng)?shù)據(jù)集，包括熱帶雨林觀測衛(wèi)星（TRMM）全球降水衛(wèi)星制圖（GSMaP）全球降水氣候項目（GPCP）數(shù)據(jù)集382023/9/34衛(wèi)星測雨

星載測雨雷達熱帶降水測量衛(wèi)星測雨雷達（TRMM-PR）是第一部星載測雨雷達。還有后繼產(chǎn)品，如TRMM-TMI可見光，紅外云圖（降水云頂部）微波探測器（較強穿透性，測雨）最小可探測雨強0.7mm/h基本處理：標定雷達回波強度，換算成降水產(chǎn)品392023/9/34衛(wèi)星測雨

精度——瞬時值402023/9/34衛(wèi)星測雨

精度——月累計412023/9/34衛(wèi)星測雨

資料的獲取固定的團隊做硬件維護和軟件解譯TRMM3B42RTTRMM3B42V6/data/datapool/TRMM/422023/9/34衛(wèi)星測雨

資料的獲取產(chǎn)品線很長實時3B42RT修正3B42V7432023/9/34衛(wèi)星測雨

資料的處理下載的文件*.Z解壓*.bin或*.hdf自解釋二進制文件單個文件的處理有很多專用工具，hdfView等多個文件批處理或在線實時處理（1年2920）FORTRAN頭文件MATLAB外部函數(shù)庫VB6函數(shù)庫VB.NET函數(shù)庫442023/9/3小結(jié)

衛(wèi)星測雨就是星載雷達測雨自己的特點：范圍大固定的團隊做硬件維護和軟件解譯使用上的“零成本”452023/9/35雷達衛(wèi)星測雨的三種境界

偏硬件提高雷達掃描速度、提高實效克服距離模糊和速度模糊的問題偏數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析準確識別降水相態(tài)提高雷達測量降水精度基于天氣雷達探測和預(yù)報降水短時預(yù)報一般是0-12h的天氣預(yù)報,臨近預(yù)報則是

0-3h的天氣預(yù)報。雷暴、暴雨(雪)、大風(fēng)、冰雹等嚴重災(zāi)害性天氣大多由

25-250km的β-中尺度天氣系統(tǒng)所造成,龍卷的尺度更小。462023/9/35基于衛(wèi)星遙感信息的鄰近預(yù)報

472023/9/35小流域洪水災(zāi)害預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的兩種可選方案山洪，從降雨到成災(zāi)，時間間隔是“分鐘”“雨量站群”，是“重在免責(zé)”思路有什么好辦法呢？辦法一：老農(nóng)敲鑼辦法二：測量、估算、報警一體辦法二：雷達，做強降雨的鄰近預(yù)報482023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)相對于降水測量，用雷達資料進行臨近降水預(yù)報的水平提高得較慢。目前，臨近預(yù)報技術(shù)主要包括雷暴識別追蹤和外推預(yù)報技術(shù)、分析觀測資料為主的概念模型預(yù)報技術(shù)以及數(shù)值預(yù)報技術(shù)等。492023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)識別追蹤和外推預(yù)報技術(shù)主要以雷達資料為基礎(chǔ)，在這方面，交叉相關(guān)外推和回波特征追蹤識別外推是比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)用于許多的臨近預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，其缺陷是預(yù)報時效較短，準確率也不是很高。概念模型預(yù)報技術(shù)主要是通過綜合分析多種中小尺度觀測資料，包括雷達和氣象衛(wèi)星資料等，在此基礎(chǔ)上建立雷暴發(fā)生、發(fā)展和消亡的概念模型，特別是邊界層輻合線和強對流的密切關(guān)系等，再結(jié)合數(shù)值模式分析預(yù)報和其它外推技術(shù)的結(jié)果，然后建立雷暴臨近預(yù)報的專家系統(tǒng)，其不但可以獲取雷暴和對流降水移動、發(fā)展的信息，還可以預(yù)報它們的生成和消亡。502023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)隨著精細數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用多普勒天氣雷達資料和其它中小尺度觀測資料進行數(shù)值模式初始化，來預(yù)報雷暴的發(fā)生、發(fā)展和消亡已經(jīng)成為一個研究的熱點，該技術(shù)得益于雷達資料同化技術(shù)的發(fā)展和中尺度觀測資料的獲取，發(fā)展很快。ARPS(AdvancedRegionalPrediction)是美國Oklahoma大學(xué)的風(fēng)暴分析和預(yù)報中心（CAPS）研發(fā)的主要針對風(fēng)暴尺度的非靜力高分辨率區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)ARPS模式采用廣義地形坐標系統(tǒng)MM5（MesoscaleModelversion5）是PSU/NCAR研發(fā)的適用于對熱帶風(fēng)暴中緯度氣旋鋒面系統(tǒng)暴雨中尺度對流系統(tǒng)等重要天氣系統(tǒng)的非靜力區(qū)域數(shù)值模式模式RAMS模式RAMS(RegionAtmosphereModelSystem)是一三維、非流體靜力、可壓縮區(qū)域大氣模式。模式的動力框架是非流體靜力、原始方程中尺度模式，WRF大家都知道，不用介紹。512023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)從國內(nèi)外的發(fā)展趨勢來看，短時預(yù)報技術(shù)主要是針對強風(fēng)暴和強降水(雪)等容易致災(zāi)的強對流天氣開展研究的。這些技術(shù)包括基于圖形特征的雷暴識別追蹤以及結(jié)合計算機圖像處理技術(shù)的臨近外推預(yù)報及基于資料同化的短時數(shù)值預(yù)報等。以雷達回波為主的臨近外推預(yù)報，有兩個因素影響預(yù)報的準確性。其一是回波移速估計，另一個則是回波變化的估計。無論矩形區(qū)域跟蹤，或者不規(guī)則形狀的回波區(qū)域跟蹤，都是假定所跟蹤的對象線性移動，不僅導(dǎo)致預(yù)報位置的偏差，而且降低了預(yù)報時效。利用風(fēng)暴生命史的概念模型控制回波變化，能在一定程度上改善預(yù)報回波場。但是需要利用充足的樣本來建立本地化的風(fēng)暴生命史概念模型。。522023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)目前改進預(yù)報的方法：一是多種探測資料的綜合應(yīng)用，即在應(yīng)用雷達資料的同時將其與雨量計資料、氣象衛(wèi)星、天氣探測資料和模式輸出成果等綜合集成并與人的經(jīng)驗相結(jié)合，以人機交互的方式制作預(yù)報。二是雷達與數(shù)值模型相結(jié)合，通過中尺度模式與雷達資料的交互作用應(yīng)用，模式輸出雷達外推方法將有效地提高短時預(yù)報的水平。532023/9/36基于雷達的臨近預(yù)報技術(shù)雷達、鄰近暴雨預(yù)測、產(chǎn)匯流與潰壩聯(lián)動542023/9/36小結(jié)由于強對流天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)展變化快，短時數(shù)值預(yù)報技術(shù)應(yīng)用于業(yè)務(wù)之中還有待于進一步的研究與檢驗。只有在強對流天氣發(fā)展到一定階段，能夠被雷達捕捉到之后，才能夠通過資料同化，不斷調(diào)整改善數(shù)值模式的初始場，進而預(yù)報未來幾個小時的強風(fēng)暴天氣系統(tǒng)。也就是說，在風(fēng)暴系統(tǒng)形成之初，而雷達又不能充分提供充分的初始信息時，模式預(yù)報的結(jié)果將不會有太大的改善。552023/9/3研究目的：通過對比研究，尋找衛(wèi)星測雨和雷達測雨的優(yōu)劣勢，并探求利用衛(wèi)星測雨技術(shù)改進雷達測雨（Q2）精度的方法。數(shù)據(jù)源:多源數(shù)據(jù)整合出的降雨數(shù)據(jù)StageIV（ST4）,分辨率4km,逐時(假設(shè)ST4為精準數(shù)據(jù))；衛(wèi)星測雨數(shù)據(jù):PERSIANN-CCS和HE,分辨率0.04degree,逐時；雷達測雨數(shù)據(jù):Q2GC(gageconnectedradardata)和Q2RD（Q2radar-only）,分辨率0.01degree,逐時；區(qū)域:美國本土研究時段:12/01/2007-11/30/2008應(yīng)用舉例：降雨監(jiān)測精度比較研究562023/9/3SeasonalScanQ2GCisclosertoStageIVthanothers.Alldatasourceisclosertoothersinwarmseasonthancoolseasonbothforraineventsandrainquantity應(yīng)用舉例：降雨監(jiān)測精度比較研究572023/9/3SpatialDistributionBiasofSummeraccumulatedprecipitationInwest,CPCandHEmadelessbiasthanQ2RDandQ2GC,whichmaybeusefultoimproveQ2precipitationestimationofwarmseason應(yīng)用舉例：降雨監(jiān)測精度比較研究58實時衛(wèi)星測雨數(shù)據(jù)TRMM-3b42rt在洪水預(yù)警中的應(yīng)用研究（SERVIR-Africa）在對地面觀測和衛(wèi)星測雨數(shù)據(jù)進行對比分析的基礎(chǔ)上，以分布式水文模型為工具展開研究研究區(qū)域：非洲Victoria湖Nzoia子流域結(jié)論：TRMM-3b42rt基本能夠用于驅(qū)動Nzoia流域的洪水預(yù)警，但其效果有待進一步改善。應(yīng)用舉例：SERVIR-Africa59應(yīng)用舉例：SERVIR-Africa602023/9/3應(yīng)用舉例：SERVIR-Africa612023/9/3應(yīng)用舉例：SERVIR-Africa622023/9/3分布式洪旱一體預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)用舉例：SERVIR-Africa632023/9/31Background2742floodeventshavebeenreportedgloballyfrom1998to2008Thisfloodeventdatabasewascompiledfromfourglobalflooddatabases(Adhikariet.al,2009)Poster:NH51C-1068;GlobalFloodandLandslideCatalog:CompilationandApplications應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別642023/9/3Xin’anjiangmodel(Zhao,1980),it’sknownaswaterbalancepartofVIC(Liang,etal.(1996)Canopyinterception,Dickinson(1989)Sub-gridroutingLinearreservoirCell-to-cellroutingtraveltimeThreefeedbacksfromroutingtorainfallrunoffgeneration2Model:CoupledRoutingandExcessSTorageDHM(CREST)應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別652023/9/33CalibrationstrategyForgaugedbasins,useAdaptiveRandomSearchalgorithm(ARS)Indicator:NSCE(Nash

Sutcliffecoefficientofefficiency)andBiasRatioRandomsearch,reduceparameterrangebytopN(10-20)resultsEasyandeffective,globaloptimization,needNOaprioriestimate;goodforparallelcomputing,etc.Forungaugedbasins,calibratemodelforarepresentativebasinineachclimatezone,transferparameterstoadjacent,ungaugedbasins應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別662023/9/34Evaluations-1/7:modelperformanceindischargesimulationatoutletCase:LakeVictoriaBasin,Nzoiastation30arcseconds+dailyForcingfromraingaugedataGlobalmonthlymeanPETCalibrationperiod1985-1999NSCE=0.82,Bias=-2.1%Validationperiod2000-2004NSCE=0.80,Bias=+3.5%Result:performanceisgood應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別672023/9/34Evaluations-2/7:comparetoMODIS-basedfloodmonitoringCase:LakeVictoriaBasin,Nzoiastation30arcseconds+dailyForcingfromTRMMV6GlobalmonthlymeanPETPosterH21F0905Title:Satellite-basedfloodmonitoringinun-gaugedbasin:AfricacasestudyByS.Khan;Y.Hong;J.Wang;et.al.Result:modelcangiveareasonableestimateofinundatedarea應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別682023/9/34Evaluations-3/7:modelsensitivitytospatialresolutionCase:YangtzeRiver,DatongsubbasinForcingfromTRMMV6GlobalmonthlymeanPETAutomaticcalibrationResult:Sameresultsfromdifferentspatialresolution7parametersareindependentofscale6parametersaredependentonscale3parametersareunknown應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別692023/9/34Evaluations-4/7(a):transferabilityofparametersCase:6sub-basinsinAfrica,calibratetheirparameters,compareparametersbetweenbasins1/8deg,3hourlyForcingfromTRMMV6GlobalmonthlymeanPETResult:calibratedparametersofdifferentsub-basinsareverysimilar,especially5sensitiveones應(yīng)用舉例：基于衛(wèi)星測雨的全球洪水事件識別702023/9/34Evaluations-4/7(b):transferabilityofparametersCase:6sub-basinsinAf