微波鏈路降水測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展綜述

劉西川，高太長(zhǎng)，宋堃，劉磊，印敏

（國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的降雨測(cè)量對(duì)水文預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事行動(dòng)保障等活動(dòng)都有著重要意義[1]。目前，業(yè)務(wù)上常用的降雨測(cè)量手段主要有雨量計(jì)、天氣雷達(dá)、測(cè)雨衛(wèi)星等[2]。其中，雨量計(jì)作為一種點(diǎn)測(cè)量方式，雖然可以準(zhǔn)確地測(cè)量地表降雨量，但雨量計(jì)密度有限，空間代表性差[1]；天氣雷達(dá)根據(jù)空中雨區(qū)的回波反演降雨，無法準(zhǔn)確地代表地表降雨量[3]；測(cè)雨衛(wèi)星受云體影響，測(cè)量的結(jié)果也無法真實(shí)代表地表降雨量[4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出利用微波鏈路傳播過程中的雨致衰減反演地表降雨。商用微波鏈路目前在全世界范圍內(nèi)廣泛分布，與現(xiàn)有雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等專用測(cè)雨儀器相比，其分布密度更加廣泛，能夠在雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等無法架設(shè)的地方成為一種有效的降雨測(cè)量手段[5-7]。

微波在雨區(qū)的傳播過程中，微波傳輸能量會(huì)由于雨滴對(duì)微波的散射、吸收等效應(yīng)而衰減損耗，這種類型的微波衰減稱之為微波雨致衰減，簡(jiǎn)稱微波雨衰。微波雨衰的大小既與微波的頻率、偏振方式有關(guān)，也和雨滴形狀、降雨類型、降雨強(qiáng)度等因素有關(guān)[8]。通過在微波鏈路發(fā)射端和接收端提取發(fā)射功率和接收功率，差分計(jì)算微波傳播的總衰減，采取特定的雨衰提取算法即可得到微波雨衰，進(jìn)而利用微波雨衰與雨強(qiáng)之間的關(guān)系反演得到路徑雨強(qiáng)。微波鏈路測(cè)量降水的優(yōu)點(diǎn)主要有：1）是微波鏈路的基站高度較低，鏈路傳輸貼近地表，直接作用于地表真實(shí)降水，反演結(jié)果代表性高；2）是微波鏈路分布廣泛，特別是在城市等雨量計(jì)無法大量組網(wǎng)分布的地區(qū)，利用微波鏈路可以進(jìn)行雨強(qiáng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；3）是利用現(xiàn)有的微波通信鏈路開展降雨探測(cè)，無需額外研制、增加測(cè)量設(shè)備，測(cè)量成本低；4）是多頻段微波鏈路還可以反演雨區(qū)的雨滴譜分布情況，探測(cè)雨區(qū)的微物理結(jié)構(gòu)。目前，利用微波鏈路探測(cè)降雨逐漸成為國際上的研究熱點(diǎn)，在國內(nèi)外開展了廣泛研究。

1 微波鏈路降水測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 單頻微波鏈路測(cè)量路徑平均雨強(qiáng)

對(duì)于某一個(gè)頻率的微波鏈路，雨致衰減A 與降雨強(qiáng)度R 之間的關(guān)系一般服從式（1）[9]：

式中：A 為鏈路雨致衰減率，dB/km；R 為路徑平均降雨強(qiáng)度，mm/h；a、b 為雨衰冪律系數(shù)，其值與微波的頻率、雨滴譜分布、溫度、相對(duì)濕度等因素有關(guān)。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）基于大量統(tǒng)計(jì)資料和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算了不同頻率下的a、b 值，在通信領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[10]。在已知雨衰關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過測(cè)量微波鏈路傳輸雨衰，就可反求得到路徑平均降雨強(qiáng)度。由于不同類型的降水會(huì)帶來不同的衰減，雨衰冪律系數(shù)a、b 往往呈現(xiàn)極為復(fù)雜的變化，因此，通過實(shí)測(cè)結(jié)果修正雨衰模型參數(shù)來提高反演精度，是單頻微波鏈路反演降水的主要研究方向。

2005 年開始，Minda 等[11]研究了微波雨衰與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)微波雨衰的提取方法進(jìn)行了溫度修正，開展了50 GHz 頻段的微波鏈路反演路徑降雨的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)反演結(jié)果與實(shí)際降雨值偏差在15%以內(nèi)，初步驗(yàn)證了微波測(cè)雨方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Messer[6]提出了利用蜂窩通信鏈路網(wǎng)反演降雨，分析了基于微波雨衰模型測(cè)雨方法的可行性，開展了基于ITU 雨衰模型的微波鏈路雨強(qiáng)反演實(shí)驗(yàn)，雨強(qiáng)真實(shí)值與反演值的相關(guān)性達(dá)到了0.8 以上。Thurai 等[12]基于實(shí)地雨滴譜分布優(yōu)化微波雨衰參數(shù)，分析了鏈路偏振方式對(duì)微波雨致衰減的影響，并開展了基于20 GHz 水平偏振與垂直偏振鏈路的微波雨衰測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果比ITU 雨衰模型的反演結(jié)果更為精確。2013 年開始，高太長(zhǎng)等[13-16]在國內(nèi)首次開展了微波鏈路降水測(cè)量技術(shù)研究，并開展了15～20 GHz頻段微波鏈路反演降雨的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，分別建立了支持向量機(jī)和非球形雨滴衰減模型的雨強(qiáng)反演模型，結(jié)果如圖1 所示[15]。此外，中國科學(xué)院大氣物理研究所韓瑽琤等研究了北京地區(qū)毫米波雨區(qū)傳播特性[17]，基于此研究了雨強(qiáng)反演方法，并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[18]。成都信息工程大學(xué)的高清泉等[19]開展了23、25、38 GHz頻段的微波鏈路反演降水實(shí)驗(yàn)，探討了頻段、分辨率等對(duì)降水反演效果的影響。

1.2 雙（多）頻/雙偏振微波鏈路測(cè)量降水

當(dāng)一條路徑上存在兩個(gè)不同頻段或偏振方式的微波鏈路時(shí)，可以利用差分方式處理兩條鏈路衰減，進(jìn)而通過建立差分衰減與路徑平均雨強(qiáng)的關(guān)系反演得到雨強(qiáng)[20]，具體公式為：

式中：A1、A2為兩條鏈路的微波雨衰，dB/km；系數(shù)k 和α 為冪律系數(shù)，一般通過實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料擬合得到。

Jameson[21]研究發(fā)現(xiàn)，38 GHz 與25 GHz 的差分衰減對(duì)雨滴譜分布、雨滴形狀、雨滴溫度的變化都不敏感，9、25、38 GHz 三頻差分衰減適用于降雨測(cè)量。Ruf 等[22]提出了利用35 GHz 雙偏振微波鏈路測(cè)量降水的方法，不僅可以根據(jù)水平偏振和垂直偏振的差分衰減來減小反演效果對(duì)儀器因素的敏感度，而且還降低了譜分布和溫度變化對(duì)反演效果的影響。Rincon等[23]研究了基于8.35、8.45、25.35、38.025 GHz 的多頻雙偏振微波鏈路反演降水的方法，利用不同頻率的衰減和偏振特性及其組合的差分衰減和差分相移來反演雨強(qiáng)。Hardaker 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，19.77 GHz 與12.502 GHz 頻段的差分衰減受雨滴形狀和雨滴譜分布的影響較小，且與降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。Holt 等[25]通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明了雙頻微波鏈路相對(duì)單頻鏈路降水反演誤差更小，并驗(yàn)證了在未知雨滴形狀、雨滴譜分布和溫度的情況下，13.9 GHz/22.9 GHz 和13.5 GHz/24.1 GHz 這兩對(duì)頻段反演結(jié)果具有較小的不確定度?；谏鲜鼋Y(jié)論，D′ Amico[26]提出了利用13.5 GHz 和24.1 GHz 兩個(gè)頻率的差分衰減來提高雨強(qiáng)反演精度的方法，并研究了非降水因素對(duì)反演的影響及其消除方法。Upton 等[27]分別在英國西北的博爾頓地區(qū)使用17.6 GHz/12.8 GHz、22.9 GHz/13.9 GHz 的兩組雙頻微波鏈路實(shí)現(xiàn)了降雨觀測(cè)，對(duì)降水反演效果進(jìn)行了理論分析，與雨量計(jì)進(jìn)行對(duì)比，其觀測(cè)誤差在15%以內(nèi)。

微波雨衰理論表明，雨致衰減與雨滴譜存在如下關(guān)系[8]：

圖1 基于南京地區(qū)實(shí)測(cè)雨滴譜的雨衰關(guān)系及雨強(qiáng)反演結(jié)果

式中：D 為雨滴等體積直徑，mm；Cext為雨滴消 光截面，mm2，與粒子尺度D、微波頻率f 和偏振狀態(tài)有關(guān)；N(D)為雨滴譜分布，mm-1·m-3。

N(D)一般服從Gamma 分布：

式中：N0和μ 分別為濃度和尺度參數(shù)；Λ 為形狀因子。

當(dāng)雙頻或（和）雙偏振微波鏈路獲取兩個(gè)或兩個(gè)以上衰減量時(shí)，就可以反演出雨滴譜分布中的三個(gè)未知量。

基于上述原理，Berne 等[28]利用26 GHz 的水平/垂直偏振微波通信鏈路，在雨滴譜服從Gamma 譜分布的假設(shè)下，研究了計(jì)算沿鏈路的平均雨滴譜分布參數(shù)的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與C 波段的天氣雷達(dá)相比具有良好的一致性，但在小雨的情況下，該方法的計(jì)算結(jié)果存在較大的不確定性。Rincon 等[29]在研究雨滴譜分布、傾斜角和擺動(dòng)等因素對(duì)35 GHz 微波雨衰影響的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)雙偏振參數(shù)反演譜分布參數(shù)μ 的方法。國內(nèi)方面，宋堃[30]提出了基于雙頻雙偏振鏈路的Gamma 譜分布三參數(shù)反演算法，基于微波雨衰理論、非球形散射理論和最優(yōu)化算法設(shè)計(jì)了雨滴譜反演流程，如圖2a所示。數(shù)值仿真結(jié)果如圖2b所示，Gamma譜分布函數(shù)中Λ、μ 和N0的反演結(jié)果與初始值的相關(guān)性均在0.76 以上，其中雨滴數(shù)密度N0反演結(jié)果的相關(guān)性達(dá)到0.99，從而驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

圖2 雙頻雙偏振鏈路聯(lián)合反演雨滴譜的流程及反演結(jié)果

1.3 基于微波鏈路網(wǎng)的降雨場(chǎng)反演

當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)交叉的微波鏈路構(gòu)成微波鏈路網(wǎng)時(shí)，可以利用微波衰減場(chǎng)反演得到區(qū)域雨強(qiáng)分布。2008 年，Messer[31]在ITU-R 微波雨衰模型的基礎(chǔ)上提出了利用反距離加權(quán)法反演區(qū)域降雨強(qiáng)度的方法，并在以色列利用22 條微波鏈路開展了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，Goldshtein[32]提出了微波雨衰信號(hào)的去噪方法，按照降雨強(qiáng)度的大小對(duì)噪聲進(jìn)行量化處理，并對(duì)反距離加權(quán)法進(jìn)行了修正。2011 年，Overeem等[33]提出了基于插值算法的降雨場(chǎng)反演方法，并開展了約2400 條微波鏈路組網(wǎng)實(shí)時(shí)反演荷蘭全境雨強(qiáng)分 布的實(shí)驗(yàn)。2013 年，Zohidov[34]采用層析和迭代算法，利用256 條頻率為18 GHz/23 GHz/38 GHz 的鏈路網(wǎng)實(shí)現(xiàn) 1368 km2范圍的區(qū)域雨強(qiáng)反演，相關(guān)性達(dá)到0.87。自2015 年起，瑞典氣象局與愛立信通信公司合作，利用商用微波鏈路的信號(hào)反演1 min 分辨率的區(qū)域雨強(qiáng)，與地面雨量計(jì)的相關(guān)性達(dá)到0.8。國內(nèi)方面，姜世泰等[13]從層析原理出發(fā)，提出了基于正則化算法和聯(lián)合迭代法的區(qū)域降雨強(qiáng)度反演方法，并通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，兩種方法的區(qū)域降雨強(qiáng)度反演值與真值的相關(guān)性達(dá)到了0.96，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。

2 微波鏈路降水測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 基于微波鏈路的天氣雷達(dá)衰減訂正

由于微波鏈路在近地面?zhèn)鞑?，覆蓋區(qū)域較大，與天氣雷達(dá)低仰角下掃描的對(duì)應(yīng)性較好，因此天氣雷達(dá)與微波鏈路之間可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。對(duì)于短波長(zhǎng)雷達(dá)，電磁波在雨區(qū)的強(qiáng)烈衰減會(huì)嚴(yán)重降低雷達(dá)回波，導(dǎo)致降水強(qiáng)度低估，因此往往需要進(jìn)行衰減訂正。微波鏈路可以準(zhǔn)確獲取特定頻段的路徑衰減，因此將微波鏈路應(yīng)用于天氣雷達(dá)的實(shí)時(shí)衰減訂正，可以有效提高天氣雷達(dá)衰減訂正的效果，進(jìn)而提高雷達(dá)定量估計(jì)降水的精度。

2005 年，Kr?mer 等[35]和Rahimi 等[36]分別利用17.5 GHz 和10.5 GHz 的雙頻微波鏈路獲取的衰減信息，采用前向迭代算法和后向迭代算法對(duì)X 波段雷達(dá)徑向反射率因子進(jìn)行了衰減訂正。2008 年，Kr?mer等[37]利用雙頻微波鏈路對(duì)C 波段雷達(dá)進(jìn)行了衰減訂正，除了對(duì)沿微波鏈路路徑上的衰減進(jìn)行訂正外，還可以實(shí)現(xiàn)其他徑向上的基礎(chǔ)訂正。國內(nèi)方面，薛楊[38]研究了基于前向迭代逐庫訂正算法的天氣雷達(dá)衰減訂正模型，并在南京地區(qū)開展了利用微波鏈路進(jìn)行天氣雷達(dá)衰減訂正的個(gè)例研究。結(jié)果表明，訂正后雷達(dá)定量估計(jì)降水的精度得到有效提高。在此基礎(chǔ)上，薛楊提出了基于微波鏈路網(wǎng)的雷達(dá)區(qū)域衰減訂正算法[39]，并通過數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了算法的有效性，如圖3 所示。張鵬等[40]針對(duì)微波鏈路僅能夠在沿徑向上進(jìn)行衰減訂正的問題，提出了基于任意取向微波鏈路的雷達(dá)衰減訂正算法，利用X 波段雷達(dá)進(jìn)行了衰減訂正實(shí)驗(yàn)，訂正后降雨效果有明顯提升。

圖3 微波鏈路網(wǎng)進(jìn)行雷達(dá)區(qū)域衰減訂正后的雨強(qiáng)反演結(jié)果

2.2 微波鏈路聯(lián)合雨量計(jì)、天氣雷達(dá)重構(gòu)降雨場(chǎng)

微波鏈路測(cè)雨技術(shù)逐漸引起廣泛關(guān)注，在美洲、歐洲、亞洲和非洲等地已有廣泛研究，并開始通入實(shí)際應(yīng)用?；诂F(xiàn)有的商用微波鏈路網(wǎng)，開展大尺度降雨觀測(cè)是其最直接的應(yīng)用。2008 年開始，Messer[31]、Overeem 等[33，41-43]先后在荷蘭、巴西等地利用商業(yè)微波鏈路監(jiān)測(cè)降雨，結(jié)果顯示，與雷達(dá)觀測(cè)資料相比，微波鏈路獲取的雨強(qiáng)資料更為精細(xì)，與雨量計(jì)測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性更高。Cummings 等[44]利用17.6 GHz 和22.9 GHz 兩條單頻微波鏈路，采用平均校準(zhǔn)方法對(duì)雷達(dá)降雨場(chǎng)進(jìn)行了訂正。2013 年，Bianchi 等[45]基于變分法和高斯-牛頓迭代法，將微波鏈路數(shù)據(jù)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，重構(gòu)得到Zurich 地區(qū)的二維降雨場(chǎng)，同化前后的區(qū)域雨強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差由1.44 mm/h提高到1.11 mm/h。Liberman[46]基于最優(yōu)權(quán)重法，將微波鏈路數(shù)據(jù)與雨量計(jì)數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，重構(gòu)得到以色列的二維降雨場(chǎng)，聯(lián)合重構(gòu)所得雨強(qiáng)相對(duì)偏差在ˉ6%，優(yōu)于雷達(dá)單獨(dú)觀測(cè)值。國內(nèi)方面，薛楊[47]在對(duì)微波鏈路、雨量計(jì)與天氣雷達(dá)觀測(cè)資料進(jìn)行匹配的基礎(chǔ)上，采用平均訂正因子校準(zhǔn)法研究了微波 鏈路-雨量計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn)雷達(dá)估測(cè)降雨場(chǎng)的方法，并開展了微波鏈路聯(lián)合雨量計(jì)、天氣雷達(dá)重構(gòu)降雨場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，與雷達(dá)原始估測(cè)的雨強(qiáng)相比，微波鏈路-雨量計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn)后區(qū)域各網(wǎng)格雨強(qiáng)均明顯增加，誤差明顯減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

2.3 暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警

由強(qiáng)降雨導(dǎo)致的山洪、泥石流、城市內(nèi)澇等自然災(zāi)害危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此及時(shí)、準(zhǔn)確的暴雨預(yù)警機(jī)制意義重大。雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等常規(guī)測(cè)雨設(shè)備在山地、城市等地形復(fù)雜區(qū)域無法廣泛組網(wǎng)觀測(cè)，會(huì)造成災(zāi)害預(yù)警不及時(shí)而帶來重大損失。在這些地區(qū)存在廣泛分布的微波鏈路，逐漸有研究開始將微波鏈路降雨觀測(cè)技術(shù)引入災(zāi)害預(yù)警中。2012 年，Abrajano 等[48]提出利用微波鏈路建立暴雨監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，基于壓縮感知原理和鏈路衰減信息對(duì)暴雨雨團(tuán)位置進(jìn)行定位，并開展了26 GHz 微波鏈路網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)暴雨的數(shù)值仿真。2013 年，David 等[49]提出了通過分析雨量計(jì)和微波鏈路得到的區(qū)域雨強(qiáng)來預(yù)測(cè)雨團(tuán)移動(dòng)方向的方法，并利用以色列南部沙漠地區(qū)7 條17～19 GHz 微波鏈路和雨量計(jì)開展暴雨預(yù)警實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，與雨量計(jì)相比，微波鏈路測(cè)雨結(jié)果能夠提前至少40 min 預(yù)警暴雨來臨。

圖4 微波鏈路網(wǎng)絡(luò)、雨量計(jì)與天氣雷達(dá)等的 位置分布及實(shí)驗(yàn)結(jié)果[47]

3 結(jié)語

微波鏈路測(cè)量降水作為非專業(yè)大氣探測(cè)的典型代表，在空間分辨率、覆蓋范圍等方面可以成為專業(yè)大氣探測(cè)手段的補(bǔ)充，是公共氣象服務(wù)的一種有效手段。目前，微波鏈路降水測(cè)量技術(shù)尚處于研究階段，為了推動(dòng)其發(fā)展和成熟，應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面開展研究。

1）當(dāng)前，微波鏈路反演降水的精度還不能和雨量計(jì)等專業(yè)降水測(cè)量手段相比，但可以充分發(fā)揮其面測(cè)量這一優(yōu)勢(shì)，以色列、荷蘭等國家的實(shí)踐已經(jīng)展示出了微波鏈路在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。下一步應(yīng)重點(diǎn)研究微波鏈路與雨量計(jì)、天氣雷達(dá)等專業(yè)大氣探測(cè)手段的聯(lián)合，進(jìn)一步提高區(qū)域降水的測(cè)量精度，滿足強(qiáng)降水、城市內(nèi)澇、泥石流等相關(guān)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警的需求。

2）現(xiàn)有研究大部分利用10～40 GHz 頻段微波鏈路，對(duì)于10 GHz 以下的分布范圍更廣的低頻鏈路利用率較低。其原因在于低頻鏈路雨衰量級(jí)較低，易被強(qiáng)噪聲背景干擾，導(dǎo)致有效信號(hào)提取困難。應(yīng)重點(diǎn)研究低頻微波鏈路雨衰信號(hào)的提取和降水反演方法，進(jìn)一步滿足公共氣象服務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確氣象信息的要求。

3）當(dāng)前研究主要集中在基于鏈路衰減信息的降雨測(cè)量，而實(shí)際上，水汽、霧、氣溶膠等同樣對(duì)鏈路有衰減作用，目前已有一些在這方面的研究，但都是處于探索階段。應(yīng)重點(diǎn)研究大氣多種要素對(duì)微波鏈路傳播的吸收、衰減和去極化等效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，深入挖掘微波鏈路測(cè)量潛力，拓展微波鏈路測(cè)量要素。

4）微波鏈路涉及到通信、廣播、電力、氣象等多個(gè)行業(yè)，從海量微波鏈路信號(hào)中提取氣象信息，不僅需要相關(guān)的氣象理論基礎(chǔ)，還需要信號(hào)處理、通信工程等交叉學(xué)科領(lǐng)域和大數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等新興手段。應(yīng)推動(dòng)多學(xué)科交叉、多部門合作，充分發(fā)揮微波鏈路大氣探測(cè)的效益，提升公共氣象服務(wù)水平。