雷达降雨观测精度分析与应用研究

李杰

摘   要：在雷达技术不断发展成熟的背景下，雷达测雨系统也在不断改进优化。为确定雷达降雨观测精度，本文以雷达降雨观测为研究对象，从雷达降雨观测系统运行原理、系统建设等方面，阐述了雷达自动面雨量观测系统研究现状。并结合具体雷达面雨量自动观测系统应用项目，对雷达降雨观测精度的应用效果进行了进一步研究。

关键词：雷达降雨观测  观测精度  雷达自动面雨量观测系统

中图分类号：P412.25                               文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0130-02

1  雷达降雨观测原理

雷达降雨观测主要是依据气象雷达回波强度，推算降雨强度、降雨量。雷达降雨观测具有大面积、遥测特点，现有雷达降雨观测方法主要是依据雷达波衰减系数、降雨强度间关系，或者根据气象雷达方程平均回波功率、降雨粒子谱间关系，计算出降雨粒子谱分布规律[1]。

2  雷达降雨观测系统建设

以往天气雷达系统主要采用C波段，对大气圈云体、风进行观测，最大观测半径在300km左右。虽然观测半径较大，但是精度较低，最终观测所获得的数据仅可用于预报参考，无法用于水资源量统计数据。因此，在后续研究过程中，相关科研人员利用X波段测雨雷达、翻斗雨量计等数据采集设备。配合数据传输设备及外部能源辅助设备，构建了区域降雨自动观测系统。区域降雨自动观测系统空间分辨率在90.0m×90.0m以上。同时利用相关模型处理测雨雷达输出结果，可对其进行校准，获得每一小块雨强数据，保证水文预测预报、水资源分析等应用需求的充分满足。

3  雷达降雨自动观测系统在某项目中的应用

3.1 雷达降雨观测系统整体框架

2018年，某地科研单位结合水利应用需求，根据产学研结合思路，开发了适用于我国实际需求，且具有自主知识产权的高分辨率雷达降雨自动观测系统。并在某地进行了应用实验，该雷达降雨自动观测系统主要运用X波段测雨雷达进行降雨测量，测量半径在30km以上，测量面积在4000km2左右，最终测量雷达输出数据为90.0m×90.0m范围内降雨强度。

该雷达降雨观测系统主要包括信息采集层、数据处理层、信息传输层、信息应用层四层架构。其中信息采集层主要包括测雨雷达、φ20.0cm翻斗雨量计、滴谱仪等几个模块。其主要负责降雨信息的自动采集。

数据处理层主要包括处理软件、处理计算机两个模块，其可以在初步处理信息采集层自动收集的信息的基础上，对超出标准的数据进行校准[2]。

信息传输层主要依托GPRS无线网络，在现场处理完毕的降雨数据、中心接收站点间建立高效信息传输通道。

信息应用层除接收硬件设备以外，还包括信息储存软件及处理软件。其可以为远程信息接收、存储、应用、处理等功能的实现提供依据。

3.2 雷达降雨观测系统组成及性能

在实际运行过程中，该雷达降雨观测系统主要由两组五台φ20.0cm的翻斗雨量计、一部X波段多普勒测雨雷达、四台滴谱仪、一个数据处理单元、一台计算机及若干个遥测雨量站组成。其中翻斗雨量计主要包括GPRS通信模块、数据接收处理模块、电源、φ20.0cm翻斗雨量计等几个模块。每组翻斗雨量计共五台，主要分布在90.0m×90.0m范围内四个角及中间位置;测雨雷达主要包括具备DSU功能的数字中频信号处理器、2.40m天线、终端监控系统、天线罩、交流伺服系统及可变中频数字接收机、磁控管发射机几个模块构成;滴谱仪除采集器、发射机以外，还包括通信设备、电源、控制器、运算器、接收机等几个模块;数据处理单元主要由衰减订正、雨量反演模型及控制软件构成[3]。

在实际应用过程中，雷达降雨观测系统可以每间隔五分钟提供一组半径36km范围内的小时雨强、累积降雨量。每组降雨量格点数据量为502400个。同时每五分钟可更新以往1，3，6h累积面余量，并生成水文报表文件。

3.3 雷达降雨观测系统运行效果

2018年5～10月上旬雷达降雨观测系统PRS-11在某地投入试运行，连续运行150多天，经历了该地主汛期，累积获得两万多组雷达雨量及雨量站数据、滴谱仪数据。在获得上述数据之后，相关研究人员首先对雷达降雨观测系统与单个雨量站数据进行了对比分析，得出结果如下。

2018年5月20日雷达降雨观测系统在某地现场联合调节成功后，当天下午15：00输出第一组雨量信息为5.8mm/h，该地水文局雨量站实际测量数据为5.8mm/h，两者测量信息较一致。在5月25～27日降雨阶段，该地某雨量站18cm直径雨量计降雨测量值、雷达降雨观测系统相关性在0.79。其中雷达降雨观测系统测量过程降雨量为49.22mm，0.5mm精度翻斗雨量计为50.22mm，两者相对偏差在4%以内。

其次，相关研究人员对雷达降雨观测系统与雨量计组、滴谱仪进行了对比分析，主要研究过程如下：

为进一步确定雷达降雨观测系统测量精度，分别在该地A、B两个地区设置了两套雨量计阵组，A、B两地距离为4.8km。每一套雨量计阵组均包括一套滴谱仪、翻斗式雨量计。其中翻斗式雨量计测量精度为0.50mm、滴谱仪测量范围为0.001～1200mm/h[4]。

2018年9月25日18：00至26日8：00，雷达降雨观测系统在A地测得降雨量为23.56mm，滴谱仪测得降雨量为25.32mm，五个翻斗雨量计测得该地面平均雨量为23.34mm，雷达降雨观测系统与雨量计平均差在百分之一以内。同时期雷达降雨观测系统在B地测得降雨量为32.25mm，滴谱仪测得降雨量为36.25mm，五个翻斗雨量计测得面平均雨量为32.52mm。雷达降雨观测系统、雨量计间平均绝对值相差在7%以内。雷达降雨观测系统、雨量计组、滴谱仪数据对比结果。

最后，由于雷达降雨观测系统可以每间隔五分钟提供一次36km扫描半径内空间分辨率为90.0m×90.0m数据，整体测量密度在现有雨量站测量密度以上，且对比数据偏差在一个较大值。据此，为确定雷达降雨观测平均面雨量精度，该地研究人员选择雷达扫描半径范围内C、D两个地区，分别在C、D之间不同海拔区域设置甲乙丙丁四个雨量站。最终得出在2018年7月6日7：00～11：00降雨过程中，雷达降雨观测系统测得C、D间评卷降雨量为25.42mm，甲乙丙丁四个雨量计采集的雨量数据平均量在21.22mm，两者偏差在-16.53%。

4  结语

综上所述，通过对上述3个模块所采集数据进行对比分析，可得出雷达测雨具有获取数据量大、获取数据精度高、雷达测雨稳定性好的优良特点。因此，在降雨观测时，相关人员可进一步加强对雷达降雨观测系统研究，逐步完善雷达降雨观测系统性能，保证雷达降雨观测系统优势的充分发挥。

参考文献

[1] 王洪，雷恒池，杨洁帆.微降水雷达测量精度分析[J].气候与环境研究，2017，22（4）：392-404.

[2] 吴琼，仰美霖，窦芳丽.GPM双频降水测量雷达对降雪的探测能力分析[J].气象，2017，43（3）：348-353.

[3] 吕博.边界層风廓线雷达测风精度分析[J]. 沙漠与绿洲气象，2019，13（1）：99-104.

[4] 吴亚昊，刘黎平，周筠珺，等.雨滴谱的变化对降水估测的影响研究[J].高原气象，2016，35（1）：220-230.