雷達(dá)測(cè)量降水

1、雷達(dá)測(cè)量降水1雷達(dá)測(cè)雨的基本原理天氣雷達(dá)天線(xiàn)發(fā)射脈沖式電磁波，當(dāng)電磁波遇到降水或某些云目標(biāo)，一部分電磁波會(huì)被散 射。雷達(dá)接收從云雨散射回來(lái)的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)度的分析處理，可確定降水或云 的存在及其特性。根據(jù)電磁波傳播的速度和發(fā)射與接收脈沖信號(hào)的時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)物到雷 達(dá)的距離；根據(jù)雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和仰角以及目標(biāo)物至雷達(dá)的距離，可確定目標(biāo)物的空間 位置。通過(guò)對(duì)返回信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量，由雷達(dá)氣象方程可計(jì)算出目標(biāo)物對(duì)電磁波的散射能力。用于 降水粒子時(shí)，簡(jiǎn)化的氣象雷達(dá)方程式為：.一Pr= Z式中：Pr為平均接收功率。C為由雷達(dá)型號(hào)聯(lián)定的雷達(dá)常數(shù)，它與發(fā)射功率、波長(zhǎng)、天線(xiàn) 增益、波束寬度等雷

2、達(dá)參數(shù)有關(guān)。k2為降水粒子相態(tài)的函數(shù)，與降水粒子介電常數(shù)有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，水的k2值為0.93,冰為0.18。r為距雷達(dá)的距離。Z為雷達(dá)反射因子，是單位體積中降水粒子直徑6次方的累計(jì)和，表示為常以1mm6/m3為基準(zhǔn)的分貝表示，記為 dBz,可以應(yīng)用氣象雷達(dá)方程式根據(jù)平均接收功率求取。由于降水粒子直徑并非均一分布，在實(shí)際應(yīng)用中常 用其一般形式：Z=Ajt,式中的A和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨降水類(lèi)型和地理位置的不同而變。在各種ZR關(guān)系式中，在 A在16.6730范圍內(nèi)。因此，測(cè)定了BI水區(qū)的反射因子Z,則可計(jì)算降水強(qiáng)度R及其分布。2雷達(dá)測(cè)雨誤差分析由于雷達(dá)測(cè)量降水可以得到具有一定精度的、大范圍高時(shí)空分辨率

3、的實(shí)時(shí)降水信息，因此 應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行降雨監(jiān)視和面雨量計(jì)算，可以提高洪水預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性。但要清楚地認(rèn)識(shí)到，由于技術(shù)本身的復(fù)雜性和其它原因，目前的雷達(dá)測(cè)雨存在一定的誤差，特別是大范圍降水測(cè)量 的準(zhǔn)確性尚不能完全滿(mǎn)足氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求。雷達(dá)測(cè)雨誤差主要來(lái)源于以下幾方面：a）雷達(dá)電磁波的波長(zhǎng)對(duì)降水測(cè)量的影響。在雷達(dá)氣象方程式中，平均接收功率Pr與雷達(dá)波長(zhǎng)、天線(xiàn)增益及波束寬度等有關(guān)。在天線(xiàn)大小固定的情況下，Pr與波長(zhǎng)的4次方成反比，即波長(zhǎng)越短，Pr越大，探測(cè)能力越強(qiáng)，因此波長(zhǎng)短有利于探測(cè)降水。但是，在電磁波傳播途中大氣 氣體和降水都對(duì)其有衰減作用。b）雨滴譜變化和ZR關(guān)系的不確定性。降水強(qiáng)度與降水粒子

4、直徑的分布即雨滴譜有關(guān)，ZR關(guān)系亦與雨滴譜密切相關(guān)。在同樣的降水強(qiáng)度下，對(duì)流降水和暖云降水由于雨滴譜不同而反射 因子Z不同。在同一次降水過(guò)程中，云的不同發(fā)展階段雨滴譜也不一樣。因此，ZR關(guān)系是不確定的。嚴(yán)格講，關(guān)系應(yīng)在進(jìn)行雨滴譜測(cè)量的基礎(chǔ)上通過(guò)計(jì)算得到，但在實(shí)際應(yīng)用中很難做到。 目前在業(yè)務(wù)工作中使用的大多是固定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，必然影響計(jì)算的精度。c）雷達(dá)測(cè)量高度以下的反射因子變化的影響。在降水過(guò)程中，由于水滴蒸發(fā)、大氣運(yùn)動(dòng)及 水的相變，雷達(dá)反射因子在垂直方向上有很大變化。同時(shí)雷達(dá)電磁波的路徑（即使是水平發(fā)射的路彳5 ）隨距離的延伸而離開(kāi)地表面，水平距離越遠(yuǎn)，垂直距離也越大，因此，雷達(dá)觀(guān)測(cè)的降水和

5、實(shí)際落地的降水差距也越大。同時(shí)隨距離的延伸，波束的空間擴(kuò)展也增大。d）地物雜波和阻擋。氣象雷達(dá)的主要觀(guān)測(cè)對(duì)象是降水回波，但同時(shí)也不可避免地觀(guān)測(cè)到山岳等地形反射的回波。有時(shí)這種地形雜波與降水回波混在一起不易區(qū)分。此外，由于地物等障礙物阻擋了電磁波的傳播路徑，其后和降水回波無(wú)法探測(cè)到。如果因此提高天線(xiàn)的仰角又提高了波束距地表的垂直距離而增大了觀(guān)測(cè)誤差。e）與雷達(dá)本身性能有關(guān)的測(cè)量誤差。與雷達(dá)性能有關(guān)的測(cè)量誤差還與雷達(dá)設(shè)備本身的穩(wěn)定性有關(guān)。雷達(dá)設(shè)備在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等性能會(huì)有變化。f）非正常傳播（AP）。假設(shè)雷達(dá)的波束是在標(biāo)準(zhǔn)大氣中傳播的，這樣可以計(jì)算波束高度。如果大氣狀態(tài)不標(biāo)準(zhǔn)

6、，那么波束傳播會(huì)是不同的方式，或者說(shuō)非正常地傳播。非正常傳播，一般指的是波束被超折射并在遠(yuǎn)離正常的地物雜波區(qū)處撞到地面。因此，AP 是真正的遠(yuǎn)離雷達(dá)區(qū)域的地物雜波。這些來(lái)自非正常傳播波束的能量會(huì)被包含在ZR方程里，就象正常地物雜波那樣會(huì)引起降水的過(guò)量估計(jì)。g）波束部分充塞。波束部分充塞一般對(duì)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)的氣象目標(biāo)是個(gè)問(wèn)題。雷達(dá)測(cè)量必須做的假定之一就是所有的目標(biāo)完全充滿(mǎn)波束，因?yàn)樗鼪](méi)有別的確定方法。因此，在這個(gè)距離上比波束窄的目標(biāo)物會(huì)顯示得比真實(shí)情況大。來(lái)自小目標(biāo)物的能量被平均到整個(gè)寬的波束上，結(jié)果是低估了降水量（整個(gè)區(qū)域范圍是高估的）。3 雷達(dá)估計(jì)降水研究現(xiàn)狀天氣雷達(dá)問(wèn)世以來(lái)，估測(cè)降水一直是其

7、主要目標(biāo)。根據(jù)不同的研究目的和方向，雷達(dá)估測(cè)降水的方法大致可分為二類(lèi)：一類(lèi)是基于雨量計(jì)在點(diǎn)上的精確測(cè)量聯(lián)合雷達(dá)估測(cè)降水強(qiáng)度；一類(lèi)是直接利用 ZR關(guān)系確定降水強(qiáng)度，估計(jì)降水分布。前一類(lèi)適合短時(shí)應(yīng)用，后一類(lèi)比較適合長(zhǎng)時(shí)段氣候應(yīng)用?；谟炅坑?jì)校準(zhǔn)的方法認(rèn)為雨量計(jì)在點(diǎn)上精確測(cè)量降水，校準(zhǔn)的目的盡可能縮小雷達(dá)和雨量計(jì)在雨量站點(diǎn)上測(cè)量的偏差，用客觀(guān)分析方法在空間上提取校準(zhǔn)場(chǎng)，從而得到降水分析場(chǎng)。Brandes（1975 年 ）年引入Barnes 客觀(guān)分析方法估計(jì)降水，Koistinen 和 Puhakka 加入距離因子對(duì)Brandes 的方法進(jìn)行了改進(jìn)，Collier 提出分區(qū)域校準(zhǔn)方法，引入與降水類(lèi)型有

8、關(guān)的校準(zhǔn)因子。復(fù)雜一點(diǎn)的分析方法包括最優(yōu)插值（張培昌）， Kriging 法 （Krajewski）， Kalman 濾波 （Ahnert et al.） 變分以及裴曉芳的主特征提取法等。通常，雨量計(jì)校準(zhǔn)方法適用于業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用，和不用雨量計(jì)校準(zhǔn)的方法相比有較好的穩(wěn)定性。用于業(yè)務(wù)的雷達(dá)估測(cè)降水系統(tǒng)以美國(guó)NEXRAD的PPS降水處理子系統(tǒng)）算法為代表，這一算法充分考慮了各種誤差因子的影響，是一種綜合算法，可以提供不同時(shí)間空間尺度的降水分布。中國(guó)氣象局用于國(guó)內(nèi)組網(wǎng)新一代天氣雷達(dá)（CINRAD也大多采用這種方法，都提供了雨量計(jì)的參數(shù)輸入接口，用于擬合本地最佳的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，目前這一算法仍在不斷進(jìn)化完善中。

9、另一類(lèi)方法是利用雷達(dá)回波的統(tǒng)計(jì)特征和降水之間直接建立關(guān)系，可以避免使用雨量站資料，這在缺少地面雨量站或者進(jìn)行氣彳II研究方面有很大作用。早在 60多年前，Byer（1948）就發(fā)現(xiàn)在對(duì)流風(fēng)暴體積和其降水量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)，大于某閾值的雷達(dá)回波面積和面積平均雨強(qiáng)有很好的相關(guān)。Rosenfeld 通過(guò)對(duì)閾值與雨強(qiáng)分布的敏感性分析指出深對(duì)流云系產(chǎn)生更強(qiáng)的降水，對(duì)應(yīng)大的閾值和斜率，指出按照回波頂高度不同分類(lèi)統(tǒng)計(jì)可以得到更好的相關(guān)，并由此形成新的算法 HART法。Cheng（1993）等利用英國(guó)雷達(dá)網(wǎng)對(duì)鋒面降水而不僅僅是對(duì)流性降水進(jìn)行驗(yàn)證并發(fā)展了這一方法，這類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)在于僅從大于某個(gè)閾值的降水局部面

10、積比率可以推求面平均雨強(qiáng)，這對(duì)衛(wèi)星估計(jì)降水有很大借鑒作用。無(wú)論何種降水估測(cè)方法，降低估測(cè)誤差是共同追求的目標(biāo)，也是雷達(dá)在洪災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵問(wèn)題。而為了消減其誤差影響， 必須逐個(gè)地排除其各個(gè)因素的影響。這一方面在于訂正 ZR關(guān)系式。另一方面在于提高雷達(dá)性能以獲得更多的云物理信息。而雙線(xiàn)偏振雷達(dá)除了能獲得云 中的強(qiáng)度信息外還能獲得云粒子的相態(tài)信息。因此，雙線(xiàn)偏振雷達(dá)可以幫助確定雨滴譜，并有 效地改善區(qū)域降雨量的測(cè)量和提高洪水預(yù)報(bào)能力。雙偏振天氣雷達(dá)可以測(cè)量降水回波的反射率因子ZH差分反射率因子差 辦三、差傳播相移率Kdp、零延時(shí)的相關(guān)系數(shù)和線(xiàn)性退極化比Ldr等參數(shù)，這些參數(shù)可以用來(lái)識(shí)別降水粒子的

11、具體類(lèi)型。差分反射率因子 ZH,不僅取決于粒子的尺寸和形狀，而且與單位體積的粒子數(shù)和 介電常數(shù)有關(guān)。由于形狀因子的作用遠(yuǎn)不及于粒子的幾何尺寸，因此在進(jìn)行粒子的識(shí)別和降雨 率的測(cè)量時(shí)，主要通過(guò)反射率的大小進(jìn)行判別和反演。常規(guī)天氣雷達(dá)就是利用反射率因子來(lái)判 別降水大小和類(lèi)型的。水平、垂直極化下的反射率因子差 Zjjr與兩種極化下的后向散射截面有關(guān)，取決于粒子的形狀和介電常數(shù)有關(guān)，對(duì)于不同的粒子，則Zj)r不同。對(duì)于球形粒子，反射率差Z1H為0dB,偏心率e越大，Zdr越偏離0dB。電磁波不同的極化方式在空間的傳播，由于受降水粒 子前向散射的影響，傳播常數(shù)發(fā)生變化，在水平和垂直極化間具有傳播相移差。

12、差傳播相移率不僅取決于粒子的形狀、尺寸，而且與入射角有密切的關(guān)系，因此可以通過(guò)對(duì)粒子進(jìn)行識(shí)別。Phv(O)是指零延時(shí)的相關(guān)系數(shù)，它是指由粒子形狀、振蕩、球形粒子的軸比與傾角引起 的相關(guān)系數(shù)。線(xiàn)性退極化比的定義為L(zhǎng)dr=10* 1g,呼它的物理意義為發(fā)射線(xiàn)性極化信號(hào)，照射到球形降水粒子上，散射的回波能量大部分保持了入射波的極化，當(dāng)粒子為非球形或 對(duì)入射波有傾角時(shí)， 入射能量的一部分退極化了，變成了正交極化信號(hào)。它取決于粒子的形狀、傾斜角和介電常數(shù)。從Zh，Zdri Kjmj?用以區(qū)分降水粒子型的基本原理可以看出，每個(gè)參數(shù)對(duì)粒子型的區(qū)分均有貢獻(xiàn)，但是單獨(dú)使用某一種參數(shù)時(shí)又存在許多限制，不能很準(zhǔn)確地

13、區(qū)分。應(yīng)同時(shí)考慮 各參數(shù)，共同作用對(duì)降水粒子進(jìn)行識(shí)別。4天氣雷達(dá)探測(cè)和預(yù)報(bào)降水的技術(shù)展望傳統(tǒng)的洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)依靠的是在關(guān)鍵河道和集水區(qū)布設(shè)稠密的雨量計(jì)站網(wǎng)估計(jì)降水分布，這種方式存在很多困難和問(wèn)題：a)成本問(wèn)題。雨量計(jì)只能在點(diǎn)上精確測(cè)量降水，降水是具有高度空間分布特性的物理量，因此，一個(gè)雨量計(jì)所能代表的區(qū)域非常有限，要準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)流域 上的降水分布必須布設(shè)非常稠密的雨量站網(wǎng)，目前在我國(guó)還不現(xiàn)實(shí)；b)系統(tǒng)維護(hù)。在人口稠密的發(fā)達(dá)地區(qū)，人員和技術(shù)支持不成為問(wèn)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(hù)相當(dāng)困難；c)質(zhì)量效率問(wèn)題。雨量站通常有人工站和自動(dòng)站，人工站的人為讀數(shù)錯(cuò)誤，自 動(dòng)站的數(shù)據(jù)傳

14、輸錯(cuò)誤，以及將所有雨量站數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到區(qū)域水情中心的時(shí)效等都是問(wèn)題。和傳統(tǒng)的雨量計(jì)網(wǎng)估計(jì)降水分布不同，遙感估計(jì)降水可以實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)廣大范圍內(nèi)的降水 分布，無(wú)論在成本、維護(hù)還是時(shí)效上都大大優(yōu)于雨量站網(wǎng)方式，因此，遙感估計(jì)降水在洪災(zāi)監(jiān) 測(cè)預(yù)報(bào)中有很好的應(yīng)用前景，尤其是雷達(dá)估測(cè)降水，一直是災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的有力工具。為了更有效地解決雷達(dá)測(cè)雨存在的問(wèn)題，不少新的探測(cè)和資料處理技術(shù)目前正在研究和實(shí) 驗(yàn)中。有些已用于業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如前面提到的多普勒雷達(dá)。由于降水粒子的形狀為橢圓形，而且 雨滴水平與垂直軸的比值與雨滴的大小成正比，據(jù)此科學(xué)家研制出雙偏振雷達(dá)，通過(guò)測(cè)量降水 粒子在水平和垂直方向?qū)﹄姶挪ǚ瓷鋸?qiáng)度及相位的差異判斷雨滴分布從而計(jì)算降水率。這種方 法目前還處于研究階段， 但已顯示出其在定量測(cè)量降水中的優(yōu)勢(shì)。另外，垂直指向雷達(dá)的應(yīng)用、多波段多參數(shù)技術(shù)應(yīng)用以及垂直累計(jì)液態(tài)