X波段測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)在鄱陽(yáng)湖降雨監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

摘要：鄱陽(yáng)湖湖盆內(nèi)存在雨量站分布不均、密度較低的問(wèn)題，而X波段測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)在解決遙測(cè)站少、面雨量計(jì)算代表性不足方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?；谯蛾?yáng)湖湖盆區(qū)周邊34個(gè)地面雨量站觀測(cè)資料，選取鄱陽(yáng)湖2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降水過(guò)程，評(píng)估了X波段測(cè)雨雷達(dá)降水量估計(jì)產(chǎn)品的可靠性與準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：測(cè)雨雷達(dá)與地面雨量站在累計(jì)降雨量方面的相關(guān)性較好，相關(guān)性系數(shù)為0.870 2。同時(shí)，短時(shí)（1，3，6 h）降雨時(shí)段下比對(duì)遙測(cè)站點(diǎn)雨量和對(duì)應(yīng)的雷達(dá)監(jiān)測(cè)雨量，在累計(jì)時(shí)段和雨量達(dá)到一定等級(jí)后兩者相關(guān)性明顯提升，但測(cè)雨雷達(dá)在短時(shí)段降雨的監(jiān)測(cè)中具有一定的局限性。整體而言，X波段測(cè)雨雷達(dá)對(duì)降雨過(guò)程的監(jiān)測(cè)能力較好，能夠更好地呈現(xiàn)流域降雨的時(shí)空分布。

關(guān) 鍵 詞：面雨量監(jiān)測(cè)；測(cè)雨雷達(dá)；定量估算；雷達(dá)產(chǎn)品；鄱陽(yáng)湖

中圖法分類號(hào)：TV125 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.014

0 引言

鄱陽(yáng)湖位于江西省北部，地處長(zhǎng)江中下游南岸，是一個(gè)吞吐型、季節(jié)性湖泊，也是中國(guó)最大的淡水湖和國(guó)際重要濕地之一。鄱陽(yáng)湖匯集江西省的贛江、撫河、信江、饒河、修河等五大河流來(lái)水，經(jīng)調(diào)蓄，于湖口注入長(zhǎng)江，構(gòu)成以鄱陽(yáng)湖為匯聚中心的完整輻射水系。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖湖區(qū)降水量，對(duì)于確保鄱陽(yáng)湖的“一湖清水”以及防汛抗旱、水資源管理具有極其重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，鄱陽(yáng)湖湖區(qū)地面降雨量采用傳統(tǒng)的雨量筒或雨量計(jì)設(shè)備獲得，受限于雨量站分布不均、密度較低，目前的雨量數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映降雨的空間分布，從而導(dǎo)致湖區(qū)面雨量精度不高^［1-3］。因此，雨量筒和雨量計(jì)等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在面雨量監(jiān)測(cè)方面受到限制。

與地面雨量站單點(diǎn)監(jiān)測(cè)相比，測(cè)雨雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感手段，可獲取精確、大范圍、高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)降雨量信息，可有效防止局部強(qiáng)降雨漏測(cè)風(fēng)險(xiǎn)^［4-6］。近年來(lái)，中國(guó)研發(fā)了多種以雷達(dá)為核心的新型高分辨率局地面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)^［7］。例如，韓文宇等利用C波段多普勒雷達(dá)對(duì)甘肅省天水市2013年的兩場(chǎng)降雨資料反演風(fēng)場(chǎng)、回波與降水之間的關(guān)系，并檢驗(yàn)發(fā)生冰雹和大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的預(yù)警條件^［8］。此外，賀芳芳等基于自動(dòng)氣象站、S波段雷達(dá)回波資料研究了上海市暴雨面雨量計(jì)算方法，并建立上海地區(qū)暴雨面雨量自動(dòng)化查詢計(jì)算系統(tǒng)^［9］。傳統(tǒng)的S和C波段天氣雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)、成本高，在探測(cè)遠(yuǎn)距離的近地面降雨時(shí)效果難以滿足使用要求^［10］。相比而言，X波段測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)具有分辨率高、掃描盲區(qū)小、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，同時(shí)多極化天線在高精度降水測(cè)量、降水結(jié)構(gòu)探測(cè)及降水粒子相態(tài)反演方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)^［11-13］。高山等采用西安市Ｘ波段全固態(tài)測(cè)雨雷達(dá)估測(cè)的降水?dāng)?shù)據(jù)同周邊6個(gè)地面氣象觀測(cè)站降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析了測(cè)雨雷達(dá)在西安市的探測(cè)效果和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性^［14］。以上研究表明，X波段雷達(dá)面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效防止局部強(qiáng)降雨漏測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，在面雨量檢測(cè)上更加精確，但上述研究多集中于雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)或特定區(qū)域的初步應(yīng)用，對(duì)于X波段雷達(dá)在不同時(shí)間尺度下的監(jiān)測(cè)性能、空間分布特征精細(xì)刻畫的全面評(píng)估尚顯不足。

本文基于鄱陽(yáng)湖中心蛇山島建設(shè)的X波段測(cè)雨雷達(dá)面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選取了2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降水過(guò)程，從不同時(shí)間尺度降雨量數(shù)值精度、降雨過(guò)程監(jiān)測(cè)及暴雨中心落區(qū)識(shí)別等多個(gè)維度比較雷達(dá)的監(jiān)測(cè)性能，以期全面評(píng)估雷達(dá)在降雨監(jiān)測(cè)中的綜合應(yīng)用能力，為鄱陽(yáng)湖湖區(qū)雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)，雷達(dá)測(cè)雨在區(qū)域降水量監(jiān)測(cè)、水量平衡分析、預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支撐。

1 鄱陽(yáng)湖測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

鄱陽(yáng)湖測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)包括1部X波段固態(tài)測(cè)雨雷達(dá)、4臺(tái)雨滴譜儀、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件、雷達(dá)應(yīng)用服務(wù)軟件以及附屬配套設(shè)備等。

（1）測(cè)雨雷達(dá)。該設(shè)備位于鄱陽(yáng)湖中心蛇山島上，來(lái)源于中科星圖億水（四川）科技有限公司生產(chǎn)的X波段雷達(dá)（HTRR-2000）。該X波段測(cè)雨雷達(dá)采用中頻相參脈沖多普勒體制，使用地型匹配掃描和垂直功率譜自動(dòng)探測(cè)方式，以5 min為探測(cè)周期，可定量測(cè)量半徑36 km范圍內(nèi)氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、平均徑向速度、譜寬及垂直功率譜參數(shù)，自動(dòng)獲取60 m×60 m分辨率的格點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)流域高分辨率格點(diǎn)雨量的精確測(cè)量。

（2）雨滴譜。4個(gè)雨滴譜監(jiān)測(cè)站分別位于雷達(dá)站周圍的韓家壟、下山村、南磯鄉(xiāng)和蓮湖鄉(xiāng)。該套設(shè)備主要包括激光雨滴譜儀、遙測(cè)終端機(jī)、通信模塊、供電和基礎(chǔ)設(shè)施。激光雨滴譜儀是由激光光學(xué)發(fā)射源產(chǎn)生的一組平行光速，位于接收端的透鏡光二級(jí)管可以測(cè)量光強(qiáng)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)雨滴穿過(guò)激光束時(shí)產(chǎn)生接收信號(hào)通過(guò)減小的振幅計(jì)算出雨滴直徑；通過(guò)減小信號(hào)的持續(xù)時(shí)間測(cè)得雨滴下降速度。根據(jù)所有雨滴直徑和速度的統(tǒng)計(jì)比例確定降雨類型，進(jìn)而修正雷達(dá)Z-R關(guān)系參數(shù)，提高雷達(dá)測(cè)雨精度。

1.2 系統(tǒng)功能

鄱陽(yáng)湖測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)接收雷達(dá)數(shù)據(jù)信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，將收集的資料進(jìn)行綜合加工處理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域面雨量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用。該系統(tǒng)主要功能包括信息采集、接收處理、存儲(chǔ)與共享、維護(hù)、查詢統(tǒng)計(jì)分析等功能。

產(chǎn)品輸出包括：①基本產(chǎn)品包括雨強(qiáng)，1，3，6 h及任意時(shí)段累計(jì)雨量，等值線分析等；②應(yīng)用產(chǎn)品包括降雨過(guò)程回放、24 h動(dòng)態(tài)雨量分布、區(qū)域降雨面積統(tǒng)計(jì)、雨量拼圖、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、專題圖制作等。

系統(tǒng)可根據(jù)基本雨強(qiáng)數(shù)據(jù)完成任意時(shí)段累計(jì)雨量、等值線、雨量拼圖、降雨過(guò)程回放、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、專題圖等成果的應(yīng)用（圖1～2），從而直觀反映區(qū)域降雨分布情況和過(guò)程。系統(tǒng)充分發(fā)揮了其面雨量監(jiān)測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，有效解決了單一地面雨量計(jì)可能遺漏區(qū)域暴雨中心的問(wèn)題，并避免了離散雨量站網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)面關(guān)系不完全匹配的現(xiàn)象。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用鄱陽(yáng)湖測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)降水估算產(chǎn)品數(shù)據(jù)（Quantitative Precipitation Estimation，QPE）。目前該系統(tǒng)在鄱陽(yáng)湖區(qū)設(shè)有1臺(tái)測(cè)雨雷達(dá)，覆蓋范圍為半徑36 km，輔助雨滴譜儀。地面雨量站數(shù)據(jù)為測(cè)雨雷達(dá)半徑36 km內(nèi)34個(gè)遙測(cè)雨量站同步觀測(cè)資料。從中選取鄱陽(yáng)湖2024年4月1～3日、4月13～14日、4月16～19日、5月3～4日、6月18～19日、6月24～28日6場(chǎng)強(qiáng)降水過(guò)程和地面雨量站監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析。

2.2 數(shù)據(jù)處理

X波段測(cè)雨雷達(dá)采用Z-R關(guān)系來(lái)進(jìn)行定量降水估測(cè)^［15-16］，具體表達(dá)式如下。

根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度dbz和反射率因子Z關(guān)系式，將dbz轉(zhuǎn)換為Z。

dbz=10lgZ（1）

利用天氣雷達(dá)對(duì)降水信息進(jìn)行反演，主要依據(jù)反射率因子Z與降雨強(qiáng)度R的關(guān)系。

Z=A×R^b（2）

式中：Z為反射率因子；R為降雨強(qiáng)度；A，b為反演參數(shù)。

2.3 評(píng)估方法

以實(shí)際降雨過(guò)程為例，對(duì)比遙測(cè)雨量站與雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)計(jì)算的數(shù)據(jù)。

（1）從測(cè)雨雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的40處遙測(cè)雨量站點(diǎn)選定比測(cè)分析的站點(diǎn)和降水時(shí)段。

（2）根據(jù)選定站點(diǎn)收集所在位置9個(gè)60 m×60 m格網(wǎng)雨量數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出對(duì)應(yīng)格網(wǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)段的1，3，6 h的降雨量和累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)，并通過(guò)格網(wǎng)雨量取平均值推算給定區(qū)域的雷達(dá)雨量。

（3）以遙測(cè)雨量站1 h降水量觀測(cè)為基準(zhǔn)，選擇點(diǎn)、面兩種形式，按1，3，6 h和累計(jì)過(guò)程降雨，對(duì)不同降雨量級(jí)的降雨量、降雨強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)遙測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析；同時(shí)，評(píng)估各站點(diǎn)的累計(jì)面平均雨量和格網(wǎng)面平均降雨量關(guān)系；最后，對(duì)測(cè)雨雷達(dá)和雨量計(jì)累計(jì)面平均雨量和空間分布情況進(jìn)行對(duì)比分析。

3 結(jié)果分析

3.1 不同歷時(shí)降雨量監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1.1 1 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程的1 h累計(jì)降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測(cè)雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)比對(duì)4 319個(gè)，絕對(duì)差區(qū)間為0～37.1 mm，全部樣本比測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.282。其中10 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)132個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.282 4；15 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)54個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.316 0（圖3）。

3.1.2 3 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程的3 h累計(jì)降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測(cè)雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)比對(duì)1 380個(gè)，絕對(duì)差區(qū)間為0～32.6 mm，全部樣本比測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.564 7。其中10 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)201個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.487 4；20 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)38個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.412 7（圖4）。

3.1.3 6 h降雨量比較

選取2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程的6 h累計(jì)降雨量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測(cè)雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共計(jì)比對(duì)757個(gè)，絕對(duì)差區(qū)間為0.01～44.60 mm，全部樣本比測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.594。其中30 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)39個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.555 6；50 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)9個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.685 7（圖5）。

3.2 累計(jì)降雨量比較

對(duì)6個(gè)場(chǎng)次降雨過(guò)程的累計(jì)降雨量進(jìn)行分析，評(píng)估一個(gè)降雨過(guò)程各遙測(cè)站點(diǎn)的累計(jì)降雨量和測(cè)雨雷達(dá)相應(yīng)區(qū)域監(jiān)測(cè)累計(jì)降雨量之間的關(guān)系，綜合分析測(cè)雨雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。對(duì)比情況詳見(jiàn)表1。

選取2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程的累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中測(cè)雨雷達(dá)和地面雨量站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)204個(gè)，絕對(duì)差區(qū)間為0.1～149.8 mm，全部樣本比測(cè)數(shù)據(jù)線性相關(guān)系數(shù)為0.870 2。其中100 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)70個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.607 7；150 mm以上比測(cè)數(shù)據(jù)65個(gè)，線性相關(guān)系數(shù)為0.602 4（圖6）。

3.3 空間分布比較

3.3.1 實(shí)測(cè)降雨過(guò)程空間分布

以2024年4月1～3日、4月13～14日鄱陽(yáng)湖兩場(chǎng)強(qiáng)降水過(guò)程為例，圖7給出了兩次降水過(guò)程的遙測(cè)站累計(jì)實(shí)測(cè)降水分布。2024年4月1～3日鄱陽(yáng)湖發(fā)生大暴雨，暴雨主要集中在中部大部分區(qū)域，最大降雨量為鄱陽(yáng)站的254 mm（圖7（a））。2024年4月13～14日鄱陽(yáng)湖強(qiáng)降水，累計(jì)雨量大、短時(shí)雨強(qiáng)大，暴雨主要集中在南部，最大降雨量為鄱陽(yáng)站的84 mm（圖7（b））。

3.3.2 雷達(dá)產(chǎn)品性能評(píng)估

雷達(dá)定量估算降水產(chǎn)品計(jì)算的累計(jì)降水分布結(jié)果表明（圖8），測(cè)雨雷達(dá)能夠相對(duì)準(zhǔn)確地刻畫出兩次降水過(guò)程的主要空間分布特征，QPE產(chǎn)品估測(cè)的兩次強(qiáng)降水中心基本一致，但估測(cè)的強(qiáng)降水區(qū)范圍和整體雨量均較遙測(cè)站實(shí)測(cè)雨量偏大。

總體來(lái)說(shuō)，測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋區(qū)域面雨量和暴雨中心的連續(xù)監(jiān)測(cè)，雷達(dá)QPE產(chǎn)品可獲得大范圍降水的強(qiáng)度以及累計(jì)量，直觀反映雨區(qū)范圍，為降水監(jiān)測(cè)預(yù)警提供快速更新的面雨量分析依據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)鄱陽(yáng)湖湖盆區(qū)內(nèi)雨量站分布不均、密度較低導(dǎo)致湖區(qū)面雨量精度不高的問(wèn)題，本文以鄱陽(yáng)湖實(shí)際降水過(guò)程評(píng)估了X波段測(cè)雨雷達(dá)累計(jì)降水量估計(jì)產(chǎn)品在面降雨量、暴雨中心落區(qū)監(jiān)測(cè)中的可靠性與準(zhǔn)確性，得到如下結(jié)論：

（1）基于X波段測(cè)雨雷達(dá)的雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)自動(dòng)接收雷達(dá)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，將收集的資料進(jìn)行綜合加工處理，生成雷達(dá)回波拼圖、流域面雨量定量估算、格點(diǎn)化的估算降雨等多種雷達(dá)應(yīng)用產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)定量估算降水產(chǎn)品的查詢、制作并顯示。

（2）短時(shí)（1，3，6 h）降雨時(shí)段下比對(duì)遙測(cè)站點(diǎn)雨量和對(duì)應(yīng)的雷達(dá)監(jiān)測(cè)雨量，在雨量達(dá)到一定等級(jí)后相關(guān)性明顯提升，但測(cè)雨雷達(dá)在短時(shí)段降雨的監(jiān)測(cè)中具有一定的局限性。綜合2024年4～6月6場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程的累計(jì)降雨量進(jìn)行分析，遙測(cè)雨量和雷達(dá)雨量的相關(guān)性較好，全部樣本數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)為0.870 2，反映出雷達(dá)測(cè)雨累計(jì)降雨量的成果質(zhì)量較好，具有較明顯的規(guī)律。后續(xù)通過(guò)增加樣本資料優(yōu)化算法進(jìn)一步提升測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)面雨量精度，進(jìn)而推算出湖區(qū)面雨量。

（3）X波段測(cè)雨雷達(dá)QPE產(chǎn)品能夠刻畫出兩次降水過(guò)程的主要空間分布特征，測(cè)雨雷達(dá)暴雨中心和降雨分布與遙測(cè)站監(jiān)測(cè)情況較為一致，表明測(cè)雨雷達(dá)對(duì)降雨過(guò)程的監(jiān)測(cè)能力較好，能夠展現(xiàn)流域降雨的時(shí)空分布。

綜上，與傳統(tǒng)的區(qū)域面雨量監(jiān)測(cè)方法相比，X波段測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)在面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)方面具備科學(xué)性、可行性和實(shí)用性，且在空間連續(xù)性、降雨演進(jìn)、監(jiān)測(cè)密度、維護(hù)工作量等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)生成的產(chǎn)品數(shù)據(jù)能夠滿足區(qū)域降水監(jiān)測(cè)的要求，有利于精準(zhǔn)開(kāi)展流域面雨量監(jiān)測(cè)和水資源管理工作。未來(lái)將進(jìn)一步通過(guò)不同的降水類型驗(yàn)證X波段雷達(dá)QPE的適用性，評(píng)估X波段雙極化測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)在降水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度方面的可靠性，為全國(guó)大規(guī)模測(cè)雨雷達(dá)應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

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（編輯：謝玲嫻）