毕节雷达观测与倒天河水库雨量监测能力分析

聂祥 蒋基勇 吴姗 万汉芸 柯莉萍 张艳

摘  要：毕节倒天河水库蓄水量的多少直接关系到七星关城区城市生活用水的供给方式、防洪调度决策措施的制订等，水库蓄水信息、降雨过后水库蓄水增加信息是防汛抗旱工作中的重要决策依据之一，分析毕节雷达观测条件与倒天河水库雨量监测能力的关系，将更加有助于开展好基于雷达探测的水库降雨量估测，同时对人工增雨过后的效益评估也具有重要意义。本文根据毕节新一代天气雷达与七星关区倒天河水库水位的位置关系并结合毕节雷达探测模式和净空条件进行分析，结果表明：集雨区距离毕节雷达最远处为22km，最近处只有大约4.5km;毕节雷达在集雨区方向有一定的遮挡角;在不考虑雷达高度与水库高度差异的情况下，雷达探测到集雨区上空的高度不高，最高只达到7.3km;水库位于雷达西部，介于255～319°之间，大体呈长方形的样式;根据位置、净空条件和观测模式等几个方面综合情况表明，采用3.4仰角的基本反射率因子或者组合反射率因子（CR37号产品或CR38号产品）作为反演降水的第一手资料是合适的，也是切实可行的，课题组在后期的分析应用中将主要采用37号组合反射率因子产品。

关键词：雷达观测;水库;雨量监测

中图分类号：S16                                  文献标识码：A                                          DOI：10.11974/nyyjs.20181032055

引言

毕节新一代多普勒天气雷达（CINRAD/CD）从2005年建成并投入运行以来，在气象防灾减灾工作中发挥了越来越多的重要作用，尤其在冰雹、暴雨（短时强降水）、大风等强对流天气监测预报以及人工影响天气工作中作用越来越突出，是毕节市县（区）气象预报服务、人工影响天气、防汛减灾工作中不可或缺的工具之一。随着我国经济社会的发展，对气象服务需求的增加，雷达的应用和服务领域在不断扩展。当前，利用天气雷达进行面雨量预报研究，是顺应我国防汛抗旱和气象防灾减灾需要的又一项重要举措，并将会发挥其越来越重要的作用。利用雷达回波资料进行水库面雨量估计就是其中的一项研究内容，在此基础上可以进一步分析水库蓄水量增加情况，便于党政部门根据天气和降水情况进行决策调度。但是，由于雷达探测模式、各地雷达的净空环境、雷达到水库的远近等对雷达的探测应用能力都有不同，因此各地在开展雷达面雨量预报研究前，一般都需要进行雷达探测能力分析。本文将根据毕节雷达与水库的位置关系并结合毕节雷达探测模式和净空条件进行分析，以便在后期的应用工作中合理充分地用好毕节天气雷达观测资料。

1     位置关系

本文所指的毕节雷达，专指2005年建成并投入使用的“毕节新一代多普勒天气雷达”（下同），其类型为CINRAD/CD，是国家局根据各地是否临海、临江等情况选定的标准型号。每次体扫完成后要生成25种产品供业务使用。毕节雷达位于七星关旧城区的东北面，海拔高度大概1600米。而毕节市倒天河水库及集雨区（本文简称集雨区，下同）大体位于七星关旧城区的西北面，海拔高度一般为1500～1700m。关于毕节雷达和集雨区二者的位置关系，聂祥等[1]进行了大量的工作，研究结果表明：集雨区距离毕节雷达最远处22km，最近处仅为4.5km，面积大约为125km2，正好处于毕节雷达的西部;按照雷达的方位规则，以正北方向为0°顺时针递增，集雨区介于255～319°之間，大体呈长方形的样式。图1给出了集雨区与雷达的位置关系（图中圆圈中心位置为毕节雷达所在处，字母A所在的曲线区域为集雨区，以雷达为中心的圆圈每圈距离为15km，图中其它曲线为县区边界。）

2     雷达净空条件

雷达净空条件主要包括周围地物的遮挡情况和周围的电磁干扰情况，但是需要考虑工作的方便快捷，需要兼顾交通、通讯、用水用电等基本情况。毕节雷达建设按照中国气象局统一部署，于2004年3月由省市气象局组织专人严格按照选址原则对雷达站址的地理位置、气候条件、通信条件、电磁环境以及站址基础设施进行了综合性实地考察，先后备选了潘家大山、灵峰寺和营盘山，经过省市气象部门反复论证以及无线电管理部门对电磁环境的监测和分析，最后选定于七星关城区的营盘山上，这里离城区较近，有现成的公路，具备水电等基础设施。雷达天线架设在独立的山顶雷达楼上，高出地面30m左右，海拔高度达到1598.0m，塔楼四周宽阔，无近距离遮挡，四周绿色山峦起伏，难以再建高大建筑物，有效避免了其它高于天线的建筑物带来的遮挡。即各个方面的条件能满足要求：四周遮挡角较小，气候适宜，交通和通信条件优越，站址周围无明显电磁干扰信号。 建成后的雷达验收报告表明，在0.5仰角扫描层中有少量孤立的山体部份遮挡，1.45仰角扫描层中也有部分孤立的山体遮挡，2.4以上仰角扫描层中几乎无任何遮挡物存在，净空条件良好。但是由于水库集雨区离雷达较近，低仰角遮挡的作用比较大，毕节雷达在255～319之间低仰角有一定的遮挡。

3     探测模式

一般来说，雷达观测分为平显（PPI）、高显（RHI）和体扫三种方式，但是现在业务上都是使用体扫方式[2]，尤其是后期安装或生产投入使用的雷达。根据中国气象局对新一代天气雷达的管理规定，雷达有多种体积扫描模式，主要的有VCP11、VCP21、VCP31、VCP32和其它自定义模式，其中VCP31、VCP32和其它自定义模式主要用于科研分析，目前在业务上都是采用VCP21模式，或者是采用VCP21模式与VCP11模式的交替形式（这在我国各省的要求有所差异），毕节雷达主要采用VCP21模式，对应的扫描仰角分别是：0.50、1.45、2.40、

3.35、4.30、6.00、9.90、14.60、19.50°共计9层。

毕节雷达所在处与水库集雨区海拔高度的差异大约为100m[3]，在不考虑雷达所在处与水库集雨区海拔高度差异的情况下，通过计算可得出：雷达能探测到集雨区最远处的高度最高为7.344km。为了具体分析集雨区到雷达不同距离的分布情况，课题组把集雨区以500m×500m的空间范围作为一个点分别进行统计，结果表明，7～20km之间每个距离档的点数都在25个以上，每个距离档所占面积达到总面积的1.25%以上，总计达到总面积的88.18%;其中10～11km范围的点数都在40个以上，对应距离档所占面积达到总面积的2.00%以上，总计达到总面积的9.33%;图2给出了水库集雨区对于雷达不同距离的点数分布。

4     监测能力分析

通常认为，获取估测降水的反射率因子的最佳高度是雷达以上1km高度。一般而言，在不考虑地形的情况下，根据文献[2]，在用雷达进行降水估测时通常的做法是：从一个体扫的反射率因子中提取反射率因子时，在距雷达0～20km范围内采用3.4°仰角的资料，20～35km范围内采用2.4°仰角的资料。

对于本项目的研究而言，4.5～20km范围都是用3.4°仰角的资料，似乎采用3.4°仰角的资料是合理的，对应的集雨区高度都在0.26～1.29km范围。

但是作为山区，雷达净空条件是否完全满足呢，毕竟雷达低仰角观测的结果是很容易受到周围孤立山体部分遮挡的影响，尤其近距离的区域。

为此。本文随机抽取了任意时次（本次为2018年8月16日17：08）同一个体扫的对应各层低仰角资料与组合反射率资料进行分析和比较，在0.5°仰角的ppi图上（图3A），遮挡相当明显，尤其是北部方位;在1.5°仰角的ppi图上（图3B），遮挡仍然相当明显，尤其是北部方位，但是在西南部这个方位明显改善;而在2.5°仰角的ppi图上（图3C），遮挡明显的地方有限，但是西部方位还是受到較大影响的;只有在3.4°仰角的ppi图上（图3D），遮挡情况才不明显，几乎看不出有遮挡情况;比较3.4°仰角的ppi图和组合反射率因子图（R37，图3E），二者差异不明显，二者差异不大。

在0.5～2.5°仰角之间都有不同程度的遮挡，仰角越高遮挡越小，在3.4°仰角上，遮挡已经不明显了。在近距离区域， 3.4°产品与组合反射率因子（R37）产品的差异是不明显的。换一句话说，对于使用毕节雷达估测倒天河水库的降雨量情况，使用3.4°仰角的基本反射率因子产品与使用组合反射率因子产品，其差异是不明显的，在开展降雨率转换时，采用雷达第37号产品（CR37）或者第38号产品（CR38）来进行也是适宜的，而且切实可行。

参考文献

[1]聂祥，柯莉萍，万汉芸. 毕节市倒天河水库集雨区边界分析研究[J]. 江西农业，2017（06）：61.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京： 气象出版社，20016（1）：44.

[3]莫世江，张鹏飞，丁卫红.毕节市倒天河水库水质分析[J]. 贵州教育学院（自然科学），2006（04）：71-73.