一種基于WRF模式的雨衰減短期預(yù)報(bào)方法初探

張守寶 王景偉 呂兆峰 盧昌勝 韓杰

(1.中國電波傳播研究所,青島 266107;2.中國人民解放軍 69089部隊(duì),庫爾勒 841000)

一種基于WRF模式的雨衰減短期預(yù)報(bào)方法初探

張守寶1王景偉2呂兆峰1盧昌勝1韓杰1

(1.中國電波傳播研究所,青島 266107;2.中國人民解放軍 69089部隊(duì),庫爾勒 841000)

將氣象中應(yīng)用廣泛的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式應(yīng)用到雨衰減區(qū)域短期預(yù)報(bào)中,基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF獲得未來一段時(shí)間降雨強(qiáng)度和雨頂高度的空間分布,結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)如頻率、極化角和仰角等,利用電波傳播算法獲得雨衰減的空間分布. 利用實(shí)測降雨數(shù)據(jù)對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示:預(yù)報(bào)雨衰減和實(shí)測雨衰減基本符合,特別是二者隨時(shí)間的變化趨勢非常一致.

WRF模式;雨衰減;短期預(yù)報(bào);數(shù)值天氣預(yù)報(bào);空間分布

DOI 10.13443/j.cjors.2016090901

引 言

隨著無線電信息系統(tǒng)使用頻段向Ka和EHF頻段擴(kuò)展,降雨的影響越來越嚴(yán)重,暴雨時(shí)甚至能引起數(shù)十分貝的衰減導(dǎo)致系統(tǒng)中斷,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性. 國內(nèi)外對于Ka/EHF頻段的雨衰減研究主要集中在統(tǒng)計(jì)建模方面,也提出了很多統(tǒng)計(jì)模型[1-5]．我國直播衛(wèi)星“中星9號”上行頻率為18 GHz,雨衰減無論對于平時(shí)的業(yè)務(wù)運(yùn)行還是保障諸如“奧運(yùn)會(huì)”和“國慶閱兵”等重大活動(dòng)的可靠直播都有影響. 另外,2015 年11月世界無線電通信大會(huì)(WRC15)將第五代(5th-Generation, 5G)通信使用的頻段劃分在24.25～86 GHz. 其通信距離在幾百米到幾千米,雨衰減的影響不可忽視. 上述每一種場景均需要了解未來一段時(shí)間(幾十分鐘到幾十小時(shí))雨衰減的時(shí)空分布和變化趨勢,為系統(tǒng)操作人員提前做出預(yù)案提供技術(shù)決策信息,因此需要建立雨衰減區(qū)域短期預(yù)報(bào)方法.

近年來,隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展,第五代中尺度模式(Fifth Generation Mesoscale Model, MM5)、天氣研究與預(yù)報(bào)(The Weather Research and Forecasting,WRF)模式等數(shù)值模式被廣泛應(yīng)用于降雨等中尺度天氣現(xiàn)象的預(yù)報(bào)和研究,也可以為雨衰減的區(qū)域預(yù)報(bào)提供無線電氣象參數(shù)[6-10]. 2006 年英國BATH大學(xué)的Duncan D.H利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式進(jìn)行了雨衰減的預(yù)報(bào)[11],使用降尺度算法對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式獲得的降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而預(yù)報(bào)雨衰減空間分布. 2014年張馭龍分析了將數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式應(yīng)用到雨衰減預(yù)報(bào)中需要解決的問題[8].

盡管國外在利用數(shù)值模式進(jìn)行傳播衰減方面進(jìn)行了較為深入的研究,但是傳播衰減的分辨率依然無法滿足無線電系統(tǒng)的應(yīng)用需求．本文利用中尺度數(shù)值模式WRF首次在國內(nèi)進(jìn)行雨衰減短期預(yù)報(bào)研究,分析比較預(yù)報(bào)值和實(shí)測值的誤差，為將來進(jìn)行更加準(zhǔn)確的區(qū)域預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ).

1 雨衰減預(yù)報(bào)流程

本文基于WRF模式構(gòu)建用于雨衰減的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng). 根據(jù)雨衰減預(yù)報(bào)的實(shí)際需要設(shè)定中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)、區(qū)域大小、網(wǎng)格格點(diǎn)距、地形分辨率，同時(shí)設(shè)定物理參數(shù)化方案、預(yù)報(bào)時(shí)長、積分步長等參數(shù),應(yīng)用美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center of Environmental Prediction,NCEP)提供的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global Forecaster System,GFS)產(chǎn)品來驅(qū)動(dòng)WRF模式,利用三維變分同化(three Dimensional Variational,3DVAR)技術(shù)同化多源氣象觀測數(shù)據(jù),形成高質(zhì)量的初始場,來保障預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度. 為滿足降雨傳播預(yù)報(bào),WRF模式采用3重嵌套網(wǎng)格,3層網(wǎng)格的水平分辨率分別為18 km、6 km與2 km. 為了更好地描述大氣邊界層結(jié)構(gòu),有利于降雨模擬預(yù)報(bào),垂直方向分為不等距的57層. 另外,在WRF模式的不同物理參數(shù)化方案中選用一些有利于降雨預(yù)報(bào)的方案,在保持其他參數(shù)和背景場數(shù)據(jù)不變的情況下,改變其中一種或幾種方案,結(jié)合雨衰減實(shí)測數(shù)據(jù),選擇效果較好的降雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)的參數(shù)方案. 模式初步選用YSU大氣邊界層方案,而微物理方案采用適合高分辨率模擬的Lin方案. 同時(shí),預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用并行計(jì)算技術(shù)以加速預(yù)報(bào)過程,結(jié)果輸出間隔為10 min. 表1給出了某次雨衰減過程預(yù)報(bào)模式的詳細(xì)設(shè)置.

表1 WRF模式參數(shù)設(shè)置

通過數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式得到降雨強(qiáng)度的三維空間分布,運(yùn)用差值方法得到關(guān)心區(qū)域電波鏈路上的降雨強(qiáng)度和雨頂高度,然后基于無線電信息系統(tǒng)的參數(shù),如工作頻率、電波極化角以及通信仰角,利用ITU-R P.838[12]雨衰減率計(jì)算方法得到區(qū)域的雨衰減分布,預(yù)報(bào)流程如圖1所示.

圖1 地空鏈路雨衰減預(yù)報(bào)流程

具體傳播鏈路的雨衰減短期預(yù)報(bào)流程如圖2所示.

利用降雨強(qiáng)度、雨頂高度、頻率、仰角等參數(shù)計(jì)算雨衰減,其中雨頂高度由模式所得溫度三維場計(jì)算得到,插值溫度T0位于第i層和第i+1層之間:兩層的高度分別為Pi、Pi+1;溫度分別為Ti、Ti+1,插得的溫度層高度Z0為

圖2 鏈路雨衰減短期預(yù)報(bào)流程

(1)

令T0=0℃,得到該點(diǎn)的海拔高度即為雨頂高度.

2 模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測對比

選擇一次降雨事件驗(yàn)證雨衰減的預(yù)報(bào)精度,WRF數(shù)值模式的具體設(shè)置見表1. 首先對地面觀測降雨強(qiáng)度和預(yù)報(bào)降雨強(qiáng)度進(jìn)行比較．其次對觀測和預(yù)報(bào)的降雨衰減進(jìn)行比較．

利用上述預(yù)報(bào)方法對北京地區(qū)2014年6月19日夜間到6月20日凌晨發(fā)生的一次降雨過程進(jìn)行研究.對仰角為28.3°和頻率為30 GHz的星地鏈路雨衰減進(jìn)行預(yù)報(bào),所得降雨強(qiáng)度空間分布如圖3所示,雨衰減預(yù)報(bào)結(jié)果如圖4所示.

同時(shí)段在北京沙河雨量計(jì)觀測獲得積分時(shí)間為10 min的站點(diǎn)降雨強(qiáng)度,將其與預(yù)報(bào)降雨強(qiáng)度對比,結(jié)果如圖5所示. 從圖中可以看出,數(shù)值模式WRF預(yù)報(bào)的降雨強(qiáng)度和觀測降雨強(qiáng)度整體上符合得較好．在本次降雨事件中,預(yù)報(bào)降雨量為31.77 mm,觀測降雨量為26.4 mm．相對誤差為16.9%,可見利用WRF進(jìn)行降雨量的預(yù)報(bào)能獲得較好的精度．降雨強(qiáng)度的預(yù)報(bào)結(jié)果和觀測結(jié)果之間的均方根誤差為1.19 mm/h．將觀測降雨強(qiáng)度應(yīng)用于ITU-R P.618[14]中得到星地鏈路雨衰減計(jì)算獲得觀測雨衰減. 針對本次降雨事件來說,雨衰減的觀測值和預(yù)報(bào)值的相對誤差為0.21 dB．可以看出采用數(shù)值模式預(yù)報(bào)的雨衰減和實(shí)測降雨獲得的雨衰減盡管在個(gè)別時(shí)段預(yù)報(bào)差距較大,但整體變化趨勢較為一致.

圖3 預(yù)報(bào)的2014年6月20日00時(shí)(北京時(shí)間,下同)降雨強(qiáng)度(單位:mm/h)空間分布

圖4 2014年6月20日00時(shí)仰角為28.3°頻率為30 GHz預(yù)報(bào)雨衰減(單位:dB)空間分布

圖5 降雨強(qiáng)度的預(yù)報(bào)值和觀測值比較

總體上,基于WRF的雨衰減短期預(yù)報(bào)方法能夠很好地預(yù)報(bào)出鏈路雨衰減的變化趨勢. 由于WRF模式的中尺度特性,因此在特定鏈路上可能存在時(shí)間和空間上的誤差,導(dǎo)致雨衰減在預(yù)報(bào)數(shù)值上與實(shí)測差距較大,需要根據(jù)地域特征設(shè)置模式參數(shù)以改進(jìn)預(yù)報(bào)精度.

3 結(jié) 論

本文在國內(nèi)首次利用WRF模式進(jìn)行雨衰減空間分布短期預(yù)報(bào). 對比結(jié)果顯示:預(yù)報(bào)值和實(shí)測值整體趨勢符合得較好. 未來,可通過優(yōu)化WRF的參數(shù)設(shè)置與提高降雨參數(shù)和雨頂高度的時(shí)空分辨率等手段來提高預(yù)報(bào)精度. 本文提出的雨衰減短期預(yù)報(bào)技術(shù)可應(yīng)用于星上資源動(dòng)態(tài)分配和系統(tǒng)中斷預(yù)警等方面.

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張守寶 (1985—),男,山東人,工程師,主要從事雨衰減、大氣波導(dǎo)的監(jiān)測、數(shù)值預(yù)報(bào)及數(shù)據(jù)同化等方面的研究.

王景偉 (1981—),男,內(nèi)蒙古人,工程師,主要從事系統(tǒng)分析與建模仿真研究.

呂兆峰 (1989—),男,山東人,碩士,主要研究方向?yàn)橛晁p區(qū)域變化、雨衰減短期預(yù)報(bào)研究.

盧昌勝 (1983—),男,甘肅人,高級工程師,長期從事毫米波大氣傳播特性、太赫茲大氣傳播特性方面的研究.

Short-term prediction method of rain attenuation based on WRF model

ZHANG Shoubao1WANG Jingwei2LYU Zhaofeng1LU Changsheng1HAN Jie1

(1.ChinaReasearchInstituteofRadiowavePropagaiton,Qingdao266107,China;2.Unit69089,PLA,Kuerle841000,China)

In this paper, the numerical weather prediction model is applied to regional rain attenuation forecast. The future rainfall rate and rain height of the top of the spatial distribution are obtained by WRF model. Then, parameters of the earth-space links such as frequency, polarization angle and elevation angle are applied to calculate the spatial distribution of rain attenuation. The results show that the forecast of rain attenuation agrees well with the rain attenuation based on the practical measurement, particularly in the variation trends over time.

WRF; rain attention; short-term prediction; numerical weather prediction; space distribution

2016-09-09

國家自然科學(xué)基金(No.61401410;No.61471329;No.61179003)

10.13443/j.cjors.2016090901

P456

A

1005-0388(2017)01-0028-04

聯(lián)系人： 張守寶 E-mail: zhb11zhb@163.com

張守寶, 王景偉, 呂兆峰, 等. 一種基于WRF模式的雨衰減短期預(yù)報(bào)方法初探[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2017,32(1):28-31.

ZHANG S B, WANG J W, LYU Z F, et al. Short-term prediction method of rain attenuation based on WRF model[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):28-31. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016090901