基于雷達(dá)資料降水量的反演

廖彬武

（民航寧夏空管分局，寧夏　銀川　750000）

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基于雷達(dá)資料降水量的反演

廖彬武

（民航寧夏空管分局，寧夏銀川750000）

摘要：本文利用SA雷達(dá)基數(shù)據(jù)編寫程序?qū)邓窟M(jìn)行反演。從SA雷達(dá)基數(shù)據(jù)中得到反射率因子Z，利用反射率因子Z和降雨率R的關(guān)系，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式利用C++編寫程序反演降雨量；并在MFC編寫界面上利用不同顏色繪制降水強(qiáng)度及范圍。本設(shè)計(jì)對(duì)反射率、降水強(qiáng)度利用不同色表在MFC界面上進(jìn)行顯示，對(duì)SA雷達(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步應(yīng)用，使其更加直觀。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)基數(shù)據(jù)；Z-R關(guān)系；降水量反演

在雷達(dá)氣象方程中，平均接收功率與反射率因子Z成正比，再將理論和實(shí)際觀測相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)反射率因子Z和降水強(qiáng)度R存在一定關(guān)系。因此，可考慮用氣象雷達(dá)作為間接測量降水的工具。由于目前各個(gè)雨量站之間的距離一般有幾十公里，而降水地區(qū)的降水強(qiáng)度往往是不均勻的。因此，雨量站測量的降水強(qiáng)度因雨量站網(wǎng)密度過稀而缺乏代表性，所以很難準(zhǔn)確地計(jì)算出一定區(qū)域面積的降雨量。而氣象雷達(dá)卻能夠快速地獲得大面積的降水資料，估計(jì)雷達(dá)掃描范圍內(nèi)各點(diǎn)的降水強(qiáng)度和一定區(qū)域面積上的降水總量。因此，利用氣象雷達(dá)測量降水，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、天氣預(yù)報(bào)等方面都有一定意義。

1　雷達(dá)測量降水的方法—Z-R關(guān)系法

根據(jù)氣象雷達(dá)方程可以得出平均回波功率Pav和反射率因子Z成正比，反射率因子Z和降水粒子譜有關(guān)，而降水粒子譜又和降水強(qiáng)度R有關(guān)。因此，反射率因子Z和降水強(qiáng)度R具有一定的關(guān)系。根據(jù)理論分析與觀測、統(tǒng)計(jì)等方法可以得出關(guān)系Z=aRb。

Z=aRb中a、b的值與降水粒子譜的分布、降水粒子的下落速度有關(guān)。所以，Z-R關(guān)系法測量降水，因降水的類型、降水發(fā)展階段和所在地理位置的不同而不同。對(duì)于多數(shù)降雨而言，a的取值范圍為30～600，b的取值范圍為1～2。通常情況下，Z取200，b取1.6，由此可以得出Z、R的關(guān)系是Z=200R1.6。由氣象雷達(dá)測量出Z分布之后，便可以通過Z-R關(guān)系式計(jì)算得出R的分布。

早期雷達(dá)測量降水區(qū)內(nèi)各點(diǎn)降水強(qiáng)度，由于氣象雷達(dá)參數(shù)的標(biāo)定誤差、Z-R關(guān)系的不確定性、回波強(qiáng)度的測量誤差等影響導(dǎo)致其精度不高。當(dāng)所有因子采用極端情況下的條件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其最小可能誤差還有20%。而選擇S波段的10cm波長雷達(dá)這種不明顯衰減的雷達(dá)波，并按不同降水類型采用適當(dāng)?shù)腶、b因子，再用標(biāo)準(zhǔn)雨量計(jì)加以校準(zhǔn)，則測量到的降水強(qiáng)度的精度可顯著提高。對(duì)目標(biāo)區(qū)域、目標(biāo)時(shí)段內(nèi)大面積的降水量的回波強(qiáng)度進(jìn)行時(shí)空平均測量的實(shí)際效果比較好，而進(jìn)行單點(diǎn)測量的效果較差。利用反射率因子測量降水適用范圍較廣且較簡便，因此被廣泛采用用于測量降水。

2　降水量的反演

2.1降水量的反演的綜述

脈沖多普勒氣象雷達(dá)根據(jù)多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而成。當(dāng)降水粒子相對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，脈沖多普勒氣象雷達(dá)可以測到接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移。根據(jù)這個(gè)多普勒頻移不僅可以確定回波的位置和強(qiáng)度，還可以測定散射體相對(duì)雷達(dá)的徑向速度。在一定條件下可以利用這個(gè)徑向速度反演出大氣風(fēng)場情況、氣流垂直速度分布和湍流等。這對(duì)于研究降水的形成過程，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)警等都具有重要意義。

本文利用雷達(dá)資料反演降水量是使用雷達(dá)基數(shù)據(jù)讀出雷達(dá)回波強(qiáng)度dBZ，由dBZ轉(zhuǎn)化為反射率因子Z，再由已知并論證的Z-R關(guān)系式得出降水強(qiáng)度R。然后利用C++設(shè)計(jì)程序利用基數(shù)據(jù)即可求得降水強(qiáng)度，并在圖形界面上利用不同顏色繪制出降水強(qiáng)度及范圍。

2.2Z-R關(guān)系

反射率因子Z∶等效反射率因子Ze，定義為雷達(dá)接收到的由均勻分布的小水滴集中起來的后向散射回到雷達(dá)的能量。根據(jù)反射率因子Z可以估算降水率R，Z-R關(guān)系是反映雷達(dá)降雨反射率因子與降雨率關(guān)系的方程，一般形式為Z=aRb。其中，Z是雷達(dá)降雨反射率因于（單位為mm6/m3），R是降水強(qiáng)度（單位為mm/h），系數(shù)a和b除與雷達(dá)本身有關(guān)外，還與當(dāng)?shù)氐牡匦?，氣候及降雨成因有很大的關(guān)系。以下是針對(duì)不同降水的4個(gè)“典型”的表達(dá)式：①層狀雨，Z=200R1.6；②山雨，Z=30R1.71；③雷暴雨，Z= 486R1.37；④雪：Z=2 000R2［1］。

2.3多普勒雷達(dá)降雨定量估算方法

利用多普勒雷達(dá)估算流域降雨量，主要是根據(jù)雷達(dá)所測量的降雨回波率，通過Z-R關(guān)系，估算流域降雨量。確定了Z-R關(guān)系參數(shù)，并建立了雷達(dá)測雨單元與地面雨量單元的空間定位關(guān)系后，即可應(yīng)用實(shí)測的降雨率回波dBZ來估算降雨。在雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中，一般測量的是雷達(dá)回波強(qiáng)度，單位用dBZ來表示，其與降雨率反射率因子Z的關(guān)系為dBZ=101gZ。對(duì)于反射率的讀取，位于基數(shù)據(jù)129～588字節(jié)，且為單字節(jié)，編碼方式為（數(shù)值-2）/2.-32=dBZ。利用實(shí)測的降雨率回波dBZ來估算降雨具體方法為：①將實(shí)測的dBZ換算成反射率因子Z，計(jì)算式為Z= 10dBZ/10；②應(yīng)用Z-R關(guān)系反推R，得出R=（10dBZ/10/a）1/b。

3　程序?qū)崿F(xiàn)

程序?qū)崿F(xiàn)的流程見圖1。

圖1　程序流程圖

4　結(jié)論

新一代多普勒天氣雷達(dá)在我國逐步布網(wǎng)完成，其與常規(guī)天氣雷達(dá)相比有著許多的優(yōu)越性。多普勒天氣雷達(dá)可以提供中小尺度的多普勒回波資料。這些資料對(duì)降水的短時(shí)預(yù)報(bào)，監(jiān)測天氣變化，預(yù)報(bào)雷暴的發(fā)展和移動(dòng)等有重要作用，可以顯著提升短時(shí)天氣預(yù)報(bào)的效果。

本文對(duì)基于雷達(dá)資料的降水量反演的方法進(jìn)行了分析，并選取了適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)降水量進(jìn)行反演，并對(duì)相關(guān)公式的選取進(jìn)行了論證，最后用C++編寫程序?qū)走_(dá)基數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終在圖形界面上利用不同顏色繪制降水量強(qiáng)度與范圍。利用這種設(shè)計(jì)完成了對(duì)基數(shù)據(jù)的基本處理，使基數(shù)據(jù)反映的雷達(dá)探測結(jié)果更加直觀，對(duì)降水量的強(qiáng)度與范圍有了直觀表示。

參考文獻(xiàn)：

［1］曲延祿.雷達(dá)在氣象中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1979.

中圖分類號(hào)：P456.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）01-0151-02

收稿日期：2016-01-02

作者簡介：廖彬武（1987-），男，本科，助理工程師，研究方向：雷達(dá)維護(hù)維修。

Retrieval of Precipitation Based on Radar Data

Liao Binwu
（Ningxia Air Traffic Management Sub-Bureau of CAAC，Yinchuan Ningxia 750009）

Abstract:In this paper,we use the SA radar base data to write a program to carry out the inversion of precipitation.The reflectivity factor Z is obtained from the SA radar base data,based on the relationship between reflectivity factor Z and precipitation rate R,according to the empirical formula,the C++program is used to calculate the rainfall,and draw strength and range of precipitation on the MFC interface with different colors.This design display reflectivity and pre?cipitation intensity using different color tables on the MFC interface,and SA radar base data has conducted the prelimi?nary application,which makes it more intuitive.

Keywords:SA radar base data；Z-R relations；precipitation retrieval