天气雷达在降水测量中的作用论文_ 杨海平

天气雷达在降水测量中的作用论文_ 杨海平

摘要:天气雷达通过天线发射经过调制后的脉冲式电磁波束,电磁波在空中碰撞到降水水滴或是其他云目标,一部分电磁波会被碰撞粒子后向散射回雷达天线。雷达天线收集到从云或雨后向散射回来的电磁波信号,通过对该回波信号强度、时间间隔的分析计算,可确定降水或云的构造以及它们的各项特性。

关键词:电磁波、降水粒子 、遥感

1 雷达降水测量原理

天气雷达通过天线发射经过调制后的脉冲式电磁波束,电磁波在空中碰撞到降水水滴或是其他云目标,一部分电磁波会被碰撞粒子后向散射回雷达天线。雷达天线收集到从云或雨后向散射回来的电磁波信号,通过对该回波信号强度、时间间隔的分析计算,可确定降水或云的构造以及它们的各项特性。依照电磁波在空气中传播的速度和发射与接收脉冲信号的时间间隔就可计算得出目标物到雷达的直线距离;再通过雷达天线扫描转动经过的方位角和雷达天线仰角以及目标物至雷达的距离,依此可以计算出目标物在空间中位置。还可以对返回的电磁波信号强度进行测量,用雷达气象方程式来计算出目标物对电磁波的散射能力。针对降水粒子时,可以将气象方程式简化为如下的样式:

公式中:是指被接收到的平均功率;C是由雷达本身影响决定的雷达方程常数,它与雷达机的发射功率、发射波长、雷达天线增益、发射波束宽度等固定参数有关;是降水粒子相态的构造函数,同降水粒子的介电常数有关,通常情况下水的数值是0.93,冰的是0.18;r是被探测物到雷达的距离;Z是被探测物的雷达反射因子,相当于单位体积中降水粒子直径6次方的累加和数,表示为,常以为基准的分贝表示,记为dBz,可以应用气象雷达方程式根据平均接收功率求取。因为降水粒子的直径不是均一性分布,在实际使用场景中通常用它的一般形式:

公式中A和b为经验常数,根据降水类型和地理环境位置的不同而不同。在各种已知的Z~R关系式中,A在16.6~730范围内浮动,b在1.16~2.87范围内浮动。所以,测定出降水团的反射率因子Z,就可以计算出降水强度R和它的分布。

2雷达测量降水应用介绍

天气雷达自其出现以来,估测降水量一直是它的重要应用目的。按照不同的研究目标和研究方向,雷达估算降水量的方法大体上可以分成2类:一类是通过雨量计单点上的精确测量结合雷达估测降水的强度;一类是直接使用Z和R的关系来计算降水强度和估算降水分布。前面一种适合在短时场景中应用,后面一种更加适合在长时段气候场景中应用。

结合雷达与雨量计共同测量降水量的方法基于对雨量计在单点上精确测量降水的认知,校准雨量计可以尽可能缩小雷达和雨量计在观测站点上测量的误差,用客观分析方法在空间中提出校准场,以此进一步得到一个降水分析场。Brandes(1975)引入“Barnes客观分析法”估算降水量,Kiostinen和Puhakka通过加入距离因子对Brandes的方法进行了改进,Coller提出了科学的分区域校准方法,引入了与降水类型相关的校准因子。在国内,气象局组建的新一代天气雷达网也大都采用了这种方式方法,一样的提供了雨量计测量值的参数输入接口,用于拟合反演计算出本地最佳的雷达方程经验系数,这一算法也可以不断进化完善。

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另一个方法是使用雷达回波的统计学特征和降水之间直接建立函数关系,这样就能避免使用雨量站资料,这种方法在缺少地面观测站或者进行大规模气候研究时很有帮助。早在几十年以前,Byers就知道在对流风暴体积和它的降水量之间存在很强的相关,大于某各阈值的雷达回波面积和面积平均雨强有很强的相关特性。Resonfeld经过对该阈值与强度分布的敏感性分析后认为深对流云系造成了更强的降水,对应一个大的阈值和斜率,也告知了按照回波顶高不同的分类统计可以获得更好的相关性,就这样产生了新算法“HART法”。Cheng等使用英国雷达网对锋面降水而不单单是对流性降水进行验证并进一步改进了这一方法,这种方法的优点是仅从大于某个阈值的降水局部面积比率就可以计算出面平均雨强,这对卫星估算降水有很大借鉴意义。

不论使用哪种降水估算方法,降低估算误差是同一个追求目标,也是天气雷达在灾害性天气探测预报中的关键所在。为了削减它的误差影响,需要逐一地消除各个因素的影响。这就需要一方面订正ZR关系式。另一方面提高雷达性能来探测收集更多云的物理信息。这样双极化偏振雷达就出现了,它除了能获得云雨团中强度信息外还能探测到云雨粒子的相态信息。因此,双极化偏振雷达可以用来确定雨滴谱,并且能够有效地改善区域降雨量的测量能力和改进预警预报能力。

3 天气雷达降水探测展望

传统的大暴雨监测预报依靠的是在关键观测点和集水区布设稠密的雨量计站网估计降水分布,这种方式存在很多现实困难和问题:1、经济效益问题。雨量计只能在点上精确测量降水,降水是具有高度空间分布特性的物理量,因此,一个雨量计所能代表的区域是非常有限的,要准确测量一个区域内的降水分布情况是必须布设非常密集的雨量计站点网,目前在实际操作上还不现实;2、维护维修问题。即使在人口稠密的发达地区和城市,虽然人员支援能力和技术支持能力不是问题,但也很难做到及时维护维修所有雨量计,更何况是那些人口密度低、技术人员数量欠缺的地方特别是在郊区、海上、山区等,雨量计的维护保养和维修都是相当的困难;3、工作效益问题。雨量测量站大致有人工站和自动站两种,人工站存在的人员读数误差,自动站存在的因为未及时保养维护产生的计量误差,以及将所有雨量测量站的数据及时传送到地区内的统计中心的网络建设等等的问题。

与传统的雨量计站网方式估测降水分布不同,遥感方式估测降水分布可以实时的连续的监控广大地区范围里的降水情况分布,不论是在经济效益、维护难度还是工作效率上都很大的好于雨量计布设站网的方式,所以,遥感方式估测降水量在大暴雨观测预报中会有可以预估的较好应用前景,特别是指雷达估测降水,一直以来都是灾害性天气现象观测预报的有效手段。

相比较于进行降水的测量,利用雷达探测资料进行短时降水预测预报的水平提高的就慢了。目前在这方面提升预报水平的方法有,一种是“多种探测资料的综合应用”,即在应用雷达资料的同时将之和自动观测站资料、雨量计资料、气象卫星、探空观测资料和模式输出的成果等综合集成并且加入人的预报经验与之融合,采用人机深度交互的方式产生终端预报产品。二是雷达资料与科学数值模型的组合,使用中尺度的数值模式与雷达资料的互相作用成为的应用,模式输出种类的雷达外推方法一定会高效地在各方面提高短时预报的质量。

参考文献:

[1]李柏 《天气雷达及其应用》 气象出版社;

[2]焦中生 沈超玲 张云 《气象雷达原理》 气象出版社

论文作者: 杨海平

论文发表刊物:《科技中国》2018年3期

论文发表时间:2018/8/6

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