（气象学专业论文）应用多普勒雷达数据估算暴雨过程雨量的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名：左婆 卜、1 2 日期：2 供壤年6 月、7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其它方法保存学位论文。 学位论文作者签名：蒋兽导师签名：j 务葛批 f ov 、，协 日期：洳年6 月7 日日期：秒略年石月了 日 中山大学硕士学位论文 应用多普勒雷达数据 估算暴雨过程雨量的研究 专业：气象学 硕士生：陈岩 导师：简茂球( 教授) 摘要 多普勒雷达是一种新型的气象观测设备，在防洪减灾中具有4 个方面的功 能，包括对中小尺度的雷暴天气系统进行监视、估测高分辨率的降雨量、进行中 小尺度的数值降雨预报和在恶劣气象条件下进行降雨定量探测。广州市多普勒雷 达是国内最早建设的雷达之一，但在防洪减灾中还没有发挥出其潜在的优势。 本研究以流溪河流域为例，探讨应用广州市多普勒雷达测雨回波数据进行流 溪河流域降雨估算的方法，以广州0 6 年7 月暴雨期间流溪河流域的降雨资料通 过线性回归方法拟合出适合本流域的雷达回波雨量估算方程，并以0 5 年6 月暴 雨期间流溪河的降雨资料对求出的雷达回波雨量估算方程进行了验证。结果显 示雷达回波雨量估算方程对于累积降雨量的估算结果优于逐小时雨量的估算， 同时也显示对于1 0 毫米以上尤其是1 5 毫米以上降水强度的雨量估算与雨量计估 算值较为接近，而且呈现出降雨强度越大其误差越小的现象，即对于暴雨过程的 估算效果较好。另外，我们还将流域按地形高度分为8 个子流域，对两场暴雨数 据进行回归演算，由此得到适应不同姿流域的雷达和回波数据雨量估算方程， 并对两场暴雨的累积降雨量进行估测及校正，误差在1 3 8 4 以内。 关键词：雷达回波，暴雨，降雨定量估算 2 中山大学硕士学位论文 apreiimin arys tu d yo nqu a n tita tiv e d re ciplta tio nes tim a tio no th e a v y 一 rainu sin gd o p plerra d are c h o 1 m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：y a nc h e n s u p e r v is o r ：p r o f m a o q i uji a n a b s t r a c t d o p p l c rr a d a r ，an e w k i i l do fe ( 1 u i p m e n tf o ro b s e r v a t i o n ，h 嬲a 罂e a tp o t e n t i a lf o r m o i l i t o r i n gm es e v e r ew e a m c rs u c ha sh e a v yr a i n s ，t h l m d e r s t o m s ，t r - o p i c a lc y c i o n 豁 a 1 1 ds oo n e s p e c i a l l y i ti sap o w e r m lt o o lt od e t e c ta n dc h a s et l l em e s o s c a l e c o n v e c t i v es v s t e m s t h ed 甜v e dd a t aa r ea l s ou s e 如lt oc o n d u c tt l l eq u a n t i t a t i v e p r e c i p i t a t i o ne s t i m a t i o n ( q p e ) ，t op e r f o m lt h ef i n e s c a l en u m 鲥c a ls i m u l a t i o na r l dt 0 p r o v i d eh i 曲r e s o l u t i o nd a t af o rm ed e c i s i o nm a l ( i n g a l m o u g l lt h ed o p p l e rr a d a r h a sb e e ne q u i p p e di ng u a n g z h o uc i t ys i n c e2 0 0 0 ，i ti ss t i l lf 打舶mi t s 如up o t e n t i a l i t su s e m l n e s ss h o u l db ee x p l o r e dm o r e ，s oa st of o n ) l ，a r do u rc a p a c i t yw h e nf a c i n g w i n lm e 丘e q u e n th e a v yf l o o d si ng u a n g d o n gp r o v i n c e 1 1 1t l l i ss t u d y m eo b s e r v a t i o n a lt l l e o qo fd o p p l e rr a d a r 锄di t sd e t e c t i o no fn l e s e v e r ew e a m e ra r ei n 仃o d u c e da tf i r s t s e c o n d t om a k eu s eo ft l l ee c h od a t af 如m g u a n g z h o ud o p p l e rr a d a ra n dr a i n f 乱ld a t a 自o mm er a i ng a u g e s ，w ec a r 巧o u tm e o p ef o rt 1 1 eh e a 、，y 阳i 1 1c a s e s w ef o c u so nt w oc a s e so fs e v e r en o o dt h a to c c l l r 川 o v e rl i l l ) 【ir i v e rb a l s i ni nj u l l e2 0 0 5a 1 1 dj u l y2 0 0 6 t 0c l 撕母m er e l a t i o nb e 咐e 瑚【d a re d l oa n dp r e c i p i t a t i o n ，al i n e a rr e 星，e s se q u a t i o ni sd e r i v o du s i n gm em e m o do f l e a s ts q u a u r e s t h ec a l i b r a t i o na j l dv a l i d a t i o no ft h ed e r i v e de q u a t i o na r ec o n d u c 锄 l l s i n gt l l ed a t ai nj u n e2 0 0 5 ，w h i l et l l ed i r e c ta p p l i c a t i o ni sf o rj u n e2 0 0 6 7 r h er e s u l t s h o w st l l a tm ed e r i v e dt o t a l 锄o u n to fr a i n f a nf b mq p ei sf 撕d ys i m i l a rt ot l l a t o b s e e d ，w i m2 0 r e l a t i v ee r r o rf o ra l ls t a t i o n s a n da 星r o o de s t i m a t i o ni so b t a i n 。d w h e nt 1 1 er a i l lr a t ei sl a r g e rt l l a j ll om mh o u r 1 ，w i t l lad e s i r a b l er e s u l tf o rt h er a i nr a t e o f15m mh o u r 1 i ts 协o n 西ys u g g e s t s ，m el a r g e rr a i nr a t ei s ，t l l es m a l l e re r r o r0 1 l r e s t i m a t i o nb e c o m e s f u r t h e m o r e ，w ed i v i d et h er i v e rb a s i ni n t o8s u b d o m a i 璐 a c c o r d i n gt 0m e i re l e v a t i o n s t h er e 哐乒e s s i o na n a l y s i sa n dc a l i b r a t ev a l i d a t i o na r c p e r f o m e ds o a st 0d e r i v et 1 1 er e 西o n a lr a d a re c h o - p r e c i p i t a t i o ne q u a t i o nf o re a c h s u b d o m a i n t h er e t r i e v e dp r e c i p i t a t i o ni sf 0 u r l dt 0c x o e 。dt l l eo b s e r v c dw i t l ln l e r e l a t i v ew i t hr e l a t i v ee 仃0 rw i 廿_ l i n13 8 4 k e y1 i o r d s ：r a d 缸e c h 0d a h 铭y ym 沁q u a 而t a t i v ep r e c i p i t a t i o n 豁t i m 撕 3 中山大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 我国多普勒雷达的简介及其应用研究意义 1 1 1 我国多普勒雷达的简介 我国最早应用多普勒天气雷达是2 0 世纪8 0 年代中期由南京气象学院及中 国气象科学院从美国e e c 公司引进的g 蝴s 雷达，其后的十几年时间里，在我 国的北京、上海、厦门、福州、湛江、汕头、合肥等地市气象局先后安装了国产 的多普勒天气雷达；从1 9 8 9 年开始，中国民航在广州、北京、珠海、上海、三 亚、海口、赣州、景德镇等民用机场陆续引进安装多普勒雷达。同时，通过引进 吸收、合作开发，我国目前已具备生产多普勒天气雷达的能力。根据国外发展多 普勒天气雷达的成功经验和我国“七五”、“八五 科技攻关取得的成果，1 9 9 4 年中国气象局制定了我国新一带天气雷达发展规则，确定了我国的新一代天 气雷达为多普勒天气雷达。 1 9 9 7 年中国气象局在认真调研和研讨的基础上，制定了我国新一代天气 雷达监测网站点布局方案，计划到2 0 1 0 年，将建成中国新一代天气雷达监测网 ( c h i n a n e w w b a t h e r r a d 褂c i n r a d ) ( 图1 一1 ) 。对新一代天气雷达站网的总体 建设思路是在多雨的我国东部和中部地区装备s 波段( 雷达发射电波频率范围介 于2 0 0 0 4 0 0 0 兆赫称为s 波段) 、西部少雨地区装备c 波段( 雷达发射电波频率 范围介于4 0 0 0 8 0 0 0 兆赫称为c 波段) 的多普勒天气雷达系统，组成探测空间 相互衔接的监测网。到目前为止，我国组网雷达已有近1 0 0 部。 新一代多普勒天气雷达采用了目前世界先进的雷达技术、多普勒技术、计 算机技术、微电子技术及图像处理等高新科技成果，从而使其具有以往天气雷达 所不具备的先进功能。过去的常规天气雷达的探测原理是利用云雨目标物对雷达 所发射电磁波的散射回波来发现它们，并测定其空间位置、强弱分布、垂直结构 等；新一代多普勒天气雷达除了具备常规天气雷达的这种功能外，它的重大改进 5 中山大学硕士学位论文 是利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，并通过这种速度 信息来推断降水云体的风速分稚、风场结构特征、垂直气流速度等。它具有良好 的多普勒测速能力，对暴雨、冰雹、龙卷风等灾害性天气有很强的监测和预警能 力，包括了灾害性天气的绝大部分的监测和预警内容；多普勒雷达还具有良好的 定量测量回波强度的性能，可以定量估测火范围降水，突破了常规雷达只能定性 估测降水的局限。伞天候的探测能力和十分丰富的反映人气层云雨生消演变过程 的动态信息，大大增强了新一代天气雷达对中小尺度天气系统的探测和预警能 力，并为开展短时灾害性天气系统及洪涝灾害的监测和预警，数值预报，定时、 定点的精确天气预报奠定了坚实基础。 西抄 图卜1 新一代天气雷达分布图 新一代多普勒天气雷达是功能强大的智能型多普勒天气雷达，除了实时地提 供各类降水天气的回波图像分布信息外，还具备准实时地对各类灾害性天气进行 识别、追踪的能力，对冰雹、龙卷气旋、飑线、强切变线等恶劣天气，提供多种 监测、预警产品。定量测量大范围降水是新一代天气雷达系统的主要功能之一， 该系统结合少量地面雨量站网，能对2 0 0 公里半径范围内的降水量分布和区域降 水量进行较准确地估测，在水文和防汛中发挥着重大作用【1 1 。 6 中山大学硕士学位论文 1 1 2 多普勒雷达应用研究的意义 广州市北依南岭，濒临南海，地处热带、亚热带季风气候区，水汽十分丰沛。 受冷暖空气的交替影响，天气复杂多变，暴雨、洪涝等气象灾害频繁出现，而且 时间跨度长。每年从3 月份起进入雷雨大风活跃期，4 月份起进入前汛期，频频 南下的冷空气与低纬暖湿空气相遇，常造成暴雨、大暴雨和雷雨大风、冰雹等强 对流天气。而后汛期的7 叫月份则是热带气旋的活动盛期，直接导致大暴雨等 灾害性天气的发生。 每年由气象灾害造成的经济损失一般占自然灾害总损失的6 0 以上，近年广 东全省年平均气象灾害损失达1 8 0 多亿元，占全省同期国内生产总值的3 4 ， 远高于发达国家和地区。而且经济越发达的地区，灾害性天气造成的损失就越大。 广州市境内河流流域面积小，河短流急，汇流时间非常短，一般仅几小时， 如果出现局地性强暴雨或雨区范围覆盖在某集水面积上，就会造成严重的洪涝灾 害。如1 9 9 7 年5 月，从化、花都局部地区山洪爆发、造成长堤出险，堤围溃决， 水闸破坏，农田受浸，民房倒塌，直接经济损失高达6 2 亿元。依据目前的雨量 站网密度和观测设备及手段所获得的信息，难以对暴雨天气进行准确、及时的定 量预报。 新一代数字气象雷达多普勒雷达，可以在任何气象条件下，对各类气象 信息进行数字化测报，其空间分辨率达到1 平方公里，其覆盖范围为以雷达为中 心，半径为4 6 0 公里的圆形区域，测报的时间间隔为6 分钟。这在进行降雨观测 时，相当于1 平方公里就有1 个雨量站，其测报的降雨可以充分反映降雨的空间 分布。因此，多普勒雷达在探测灾害性天气时有明显的优势。 国产新一代多普勒雷达，是在美国n e 黜的技术基础上，结合相关技术 生产的具有中国自身特色的c 腿a d 新一代多普勒数字气象雷达。但是，国产 多普勒雷达是一种新型装备，在我国投入应用还只有几年时间，对多普勒雷达定 量探测降雨的应用，在国内的研究还刚刚起步，特别是广州多普勒雷达定量探测 降雨的应用几乎处于空白状态。广州多普勒雷达能否用于流域降雨定量探测是一 个迫切需要研究确定的问题。 7 中山大学硕士学位论文 1 2 国内外研究及应用现状 1 2 1 多普勒雷达在防洪预警中的作用 多普勒雷达在防洪预警中的作用主要包括如下4 个方面： 1 2 1 1 可对中小尺度的雷暴天气系统进行监视 能对中小尺度的灾害性天气( 局地强暴雨、冰雹龙卷、雷暴大风等) 进行 有效监视，这种中小尺度天气系统生成演变快，生命史短，有的从生成到消散只 有十几到几十分钟，其大小从十几到几十平方公里，因此常规气象观测网常常捕 捉不到这些天气过程和天气现象，更难用常规气象观测网的观测数据对它进行预 警和预报。多普勒雷达探测周期为6 分钟，因此可对这类天气系统进行探测，从 而提高短期和短时天气监测及预报的能力。但此方面的应用主要限于定性分析。 1 2 1 2 可估测高分辨率的降雨量 地面雨量站的架设受到流域自然条件及成本的限制，不可能建设的太多， 因而其测报的雨量分辨率往往在几百平方公里，对于人烟稀少的高山地区，分辨 率甚至达到上千平方公里，即在上千平方公里范围内只有一个雨量站。广州市的 流溪河流域约2 3 0 0 平方公里范围内有2 0 个雨量站，相当于约在1 0 0 平方公里范 围内只有一个雨量站。而多普勒雷达可估测1 平方公里左右的降雨量，相当于1 平方公里左右就有1 个雨量站。 7 ，n = 上k 丛二= 刁e 7 a 0卜黼降雨 f 0+n 。 00 八 、 巡 0 0 a 1 0 土 l 图卜2 多普勒雷达测雨分辨率示意图 8 中山大学硕士学位论文 图1 2 为多普勒雷达测雨分辨率示意图，对于图中的每个单元，多普勒雷达 均可提供具体的降雨量，相当于每个单元上均有一个雨量站。由于降雨分辨率的 提高，可以充分测报降雨的时空分布，对于广州市区域内中小尺度的雷暴降雨的 监测具有极人的优势，这是常规雨量站无法相比的。 1 2 1 3 可进行中小尺度的数值降雨预报 可根据多普勒雷达测报的降雨反射率，进行中小尺度的数值降雨预报，分辨 率达到l 平方公里，预见期为1 3 小时，1 小时的降雨有一定的精度，但预报时 效越长，精度越低，超过3 小时的预报一般没有参考价值。 1 2 1 4 可对恶劣气象条件下的降雨量进行探测 在恶劣，象条件下，尤其是大暴雨情况下，地面雨量站容易受剑干扰和破坏， 往往难以提供可靠的降雨量测报数据，给暴雨洪水的预报带来极大的困难。如在 暴雨期m ，般伴有大风，此时，雨量计彳i 能准确测雨，甚至可能发生设备损坏， 如图1 3 所示。但多普勒雷达的运行不受天气情况的影响，l i j 。对恶劣气象条件卜 的降雨量进行探测，因而可为暴雨洪水预报提供降雨依据，使暴雨洪水的预报成 为可能。 蚓卜3 雨量计不同大气情况下l ：作示意图 9 中山大学硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 最早的多普勒天气雷达是美国1 9 8 8 年开始建设的w s r 一8 8 d 雷达，简称下一 代天气雷达( n e x r a d ) 【2 1 。利用多普勒雷达进行降雨定量探测是美国下一代天气 雷达的一个重要任务3 】【4 】。美国是全世界多普勒天气雷达布设最多的国家，并且 设备制造和科学研究的水平也是首屈一指的，目前利用多普勒天气雷达定量估算 降雨的工作已进入业务化应用阶段【5 】，应用雷达估测降雨进行洪水预报已在部分 地区进入实际应用状态【6 】，对于大暴雨的估算已为防洪预警提供了有益的参考依 据【7 】【引。 国外许多学者对利用多普勒雷达进行降雨定量估算的研究工作较多，对提高 雷达降雨定量估算的精度提出了不少有效的方法。 j 锄e sa s m i t h 【9 1 等，分析总结多普勒雷达的误差主要受下列因素影响： 1 、雷达测距( 距离雷达的远近) ； 2 、不同雷达系统对同一地点的估测结果不同； 3 、对不同降雨类型的估测结果不同； 4 、雷达回波值有上界，大概为5 3 d b z ； 5 、由于远距离的波束冲塞而导致的偏大回波，高仰角的低反射，有降雨而 没有测到回波。 dlh 硎s o n 【1o 】等，提出了雷达测雨存在的问题： 1 ) 雷达本身的精度和稳定性( 尺a d a 厂c a 6 厂a f 0 力a n ds f a 6 嘶p 厂0 6 e m s ) 2 ) 灰尘杂物的影响( c 0 门招m 加a 的仃妙咖抬厂a 力da n a p r o p ) 3 ) 反射光束被阻挡( o c c “f f a 打翻) 4 ) 衰减( 月舢a 的仃) 5 ) 反射率因子的垂直变化( 妇哟f 0 ，7 s 仃仂e 怕所c a ，p 厂0 舶。厂厂e 加c 咖妙) 6 ) 雷达波束的漏测( 尺a d a 纳e a mo v e 融o o 砌gp r e 却始的疗) 为了解决这些问题，提高雷达估测降水的精度，国外许多学者，把雷达与雨量 计联合校正的方法应用于估测城市郊区的降雨，还有的联合雷达与雨量计实测数 据应用线性复原模型估测降雨，或者采用修正雷达回波反射率的垂直廓线的方法 来提高天气雷达的估测降雨的能力【9 】【l o 】【】【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。 l o 中山大学硕士学位论文 1 2 3 国内研究现状 我国自1 9 9 8 年起才开始多普勒雷达系统建设，国内第一台多普勒雷达于 1 9 9 9 年在安徽省合肥市建成并投入运行，为s 波段多普勒雷达。我国在雷达建 设之初，投入运行的雷达不多，近年由于有多家厂商加入产品供应行列，雷达建 设的速度明显加快，到目前为此，我国已建成并投入运行共1 1 1 部多普勒雷达， 我国新一代多普勒雷达网已初具规模。 虽然多普勒雷达在我国投入业务运行的时间已有8 年左右，但多普勒雷达在 降雨定量估算及预报方面的应用主要还是停留在定性分析阶段，目前的主要应用 还是在灾害性天气监测预警方面，即根据多普勒雷达的回波图，定性判断灾害性 天气，如强风暴、暴雨、冰雹等的发展及运动方向，从而做出预警。在降雨定量 估算方面的应用还基本处于探索状态，在这方面的研究工作也才刚刚起步，所取 得的研究成果也不多见，真正的业务化应用还基本是空白状态。 本文对国内多普勒雷达在降雨定量估算方面的研究工作进行了一些调查，主 要是通过在网上及期刊上发表的论文进行了检索，了解到了国内在该领域的一些 研究及探索性的工作，现将其情况归纳如下： 我国在应用多普勒雷达进行降雨估算方面开展过一些研究工作，这些工作都 是由气象部门进行的研究性工作，基本上都还没有投入正式的业务化运行； 合肥多普勒雷达( s 波段) 是我国建设并投入运行的第一台多普勒雷达，于 1 9 9 9 年在安徽省合肥市建成并投入运行，在2 0 0 2 年对6 月2 7 日一2 8 日的暴雨过 r 1s 程进行降雨估算，与雨量站误差为2 2 3 2 。； 宜昌多普勒雷达( s 波段) 于2 0 0 1 年投入运行，对2 0 0 2 年的一次降雨进行 r 1 r 1 定量估算，发现区域降雨总量的估算误差为6 1 8 5 。； 兰州多普勒雷达( c 波段) 于2 0 0 2 年9 月投入运行。对2 0 0 2 年的一次降雨 r 1 7 的估计结果，2 小时的累积降雨量雷达低估降雨达到3 5 1 6 。 1 3 本文研究内容 在暴雨期间，各防汛、气象部门工作者总是想知道每时、每刻、每一点的降 中山大学硕士学位论文 雨情况，即获得在时间上、空间上分辨率较高的降雨量。但由于地面雨量站布设 成本、维护成本等多种现实性的原因，地面雨量站的布设密度还远远不能满足实 际工作的需要。倘若能寻求一种方式能有效的估测地面每一处的降雨，将对防汛 工作的决策起到极大的数据支持作用。本文拟建立雷达回波数据定量估算雨量的 方程，达到以雷达回波的高分辨率，结合地面现有雨量站的实测数据来定量估测 同一时期流溪河流域任一地点的降雨量。 在广泛收集了国内外相关研究成果的同时，充分了解和掌握了国内外本领域 的研究及应用现状，结合广州市2 0 0 6 年7 月以及2 0 0 5 年6 月两场暴雨期间的流 溪河流域实测雨量资料，对广州市多普勒雷达定量估测流域降雨的可行性进行了 研究。 本文对广州市0 6 年和0 5 年部分时段的雷达数据进行全面分析：通过对收集 到的各场次的广州多普勒雷达降雨回波进行了连续反演，在反复观察各数据的基 础上，对降雨回波探测数据存在的质量问题进行分析和归纳，针对存在的数据质 量问题采取相应的方法对数据进行处理。由广州市流溪河流域2 0 0 6 年7 月的暴 雨数据和同期雷达回波数据拟合出适合本流域不同雨量级别情况下的雷达数据 估测雨量方程。进而，以2 0 0 5 年6 月暴雨期间流溪河流域降雨过程为实例，对 雷达雨量定量估算方程进行验证。 1 2 中山大学硕士学位论文 第2 章多普勒雷达对雷暴天气的监视方法 2 1 多普勒雷达探测原理与方法 雷达的工作原理就是利用微波的反射现象来对目标进行探测。多普勒雷达 利用人工方法向雨区发射微波，再用仪器接收从雨滴上反射回来的电磁波，根据 接收到的信号的强弱，以及接收时间，进行降雨强度的估算。 多普勒雷达一般由微波发射机、天线、回波接收机和信号处理与显示器组 成，其一般结构如图2 1 所示。 图2 一l 多普勒雷达组成 雷达各部分的功能如下： 微波发射机：通过天线发射电磁波。 天线：发射和接受电磁波。 中山大学硕十学位论文 回波接收机：接收反射回到天线的电磁波。 显示器：信号处理与显示。 图2 2 为雷达探测降雨的原理示意图。发射机通过天线发射射频电磁能( 微 波波束) ，当电磁能被目标阻截时，一部分能量被反射回到天线( 称雷达回波) ， 被接收机接收并放大，由记录器记录显示。接收到的信号的强弱，反映了目标本 身的特性，而电磁波在雷达与目标之间传播所需要的时间，则反映了目标的相对 位置，从而实现了目标的探测和定位。 图2 2 雷达探测降雨的原理示意图 雷达探测降水的思想在1 9 4 1 年就已提出，在以后的十几年中发展很快，1 9 5 9 年l - j 巴坦( b a t t a n ) 在芝加哥提出雷达气象学，介绍了这一时期雷达气象学的进展 和研究成果。现在，世界各国都先后建立了雷达气象观测系统，在降雨观测方面 取得了巨大进展，目前最先进的雷达为多普勒雷达。 2 2 广州市多普勒雷达简介 广州市多普勒雷达站建于广州市番禺南村镇大镇岗山上，于2 0 0 0 年1 2 月建 成，是我国建设的第2 台新一代多普勒天气雷达。该雷达是由北京敏视达公司生 产的c i n r a d s a ( w s r 9 8 ) 型号、s 波段新一代多普勒天气雷达。雷达中心所 1 4 中山大学硕士学位论文 处的位置为东经1 1 3 。2 11 8 ”、北纬2 3 。o 1 4 ”，图2 3 为广州多普勒雷达站外观 图。 笳鑫 图2 3 广州多普勒雷达站外观图 广州多普勒雷达的探测范围为以雷达站位置为中心，半径为4 6 0 k m 的圆形 区域，如图2 4 所示，其最佳探测半径为2 3 0 k m ，完全覆盖了流溪河流域的全部。 流溪河流域距雷达的距离在2 0 一1 5 0 k m 范围，是雷达的理想覆盖范围。 中山人学硕十学位论文 j y 一 图2 4 广州多普勒雷达2 3 0 公里半径的覆盖范围 2 3 研究区域及数据收集分析整理 2 3 1 流溪河流域简介 本文以广州市流溪河流域作为t 要研究应用区域对象。 流溪河发源于从化巾吕几1 桂峰山，流经从化市、花都区和白云区，在江村和 南岗口与白坭河相汇注入珠江，干流伞长1 5 6 公里，流域总面积2 3 0 0 平方公里。 流溪河从2 0 世纪5 0 年代后期开始，先后经过3 次流域规划和治理，建成了以流 溪河水库为龙头，包括黄龙带水库及大坳和李溪拦河坝为骨干的防洪体系，改变 了本区域洪、涝、旱灾频繁发生的局面，促进了农业生产和国民经济的发展。图 2 5 为流溪河流域简图，图2 6 为流溪河流域基于d e m ( 数字高程) 生成的i 维 地形图。 1 6 中山大学硕士学位论文 图2 5 流溪河流域示意图 图2 6 基丁d e m 生成的流溪河流域二维地形图 1 7 中山大学硕士学位论文 从图中可以看出，流溪河流域是一个长条形流域，流域从上至下可分成上游、 中游和下游三段，上游为良口坝以上部分，主要为流溪河及黄龙带水库库区部分。 上游主要为山地，植被良好，人类活动较少。中游为良口坝以下、太平场以上部 分，地势较平坦，人类活动相对活跃。太平场以下至白坭河汇合处为下游，该部 分地势较平坦，人类活动多，流域植被较少。 2 3 2 流域内雨量站分布 流溪河流域现有地面雨量站是雷达参数校正的主要依据。市三防办信息采 集系统在流溪河流域共建有雨量站2 0 个，各雨量站的相关信息如表2 1 ，在流域 上的分布如图2 7 所示。从图中可以看出，在流域的上游部分，雨量站较少，只 有黄龙带水库内三个和流溪河水库一个雨量站，且都集中在坝址附近，其代表性 有限，流域的中下游也不多，但相对分散一些。 表2 1 市三防办信息采集系统工程在流溪河流域的雨量站点的设置情况及其相关信息 雨量站序号雨量站名经度纬度 1联星1 1 3 。4 3 ，4 7 5 9 ”e2 3 o 4 9 4 4 3 0 n 2 枫木朗 1 1 3 。4 6 2 7 7 3 ”e2 3 。4 9 2 7 2 6 1 、丁 3 黄龙带1 1 3 。4 4 2 1 0 l ”e2 3 。4 5 5 2 9 4 n 4流溪河1 1 3 。4 6 9 8 5 ”e2 3 。4 5 2 1 8 ”n 5良口坝上11 3 。4 3 4 0 9 9 ”e2 3 。4 3 海4 1 2 n 6 温泉 1 1 3 。3 8 1 3 0 9 ”e2 3 。3 8 ，4 7 0 n 7 南人1 1 3 。4 4 6 9 1 ”e2 3 。3 8 3 2 6 0 1 q 8 街口 1 1 3 。3 5 1 6 9 9 ”e2 3 。3 3 6 9 8 t n 9 棋杆 1 1 3 。2 9 8 。2 3 ”e2 3 。3 3 5 7 。3 2 r n 1 0 风凰1 1 3 。4 0 4 6 7 5 ”e 2 3 。3 1 2 9 6 n 1 1 大坳上1 1 3 。3 3 1 0 6 3 ”e2 3 。3 0 5 7 5 6 1 、丁 1 2 太平场 1 1 3 。2 8 1 3 6 3 ”e2 3 。2 6 4 2 8 飞呵 1 3 鹿颈坑 1 1 3 。2 8 2 5 5 1 ”e2 3 。2 5 4 0 7 6 1 呵 1 4 蟾蜍石1 1 3 o 2 1 1 4 2 3 ”e 2 3 o 2 9 3 6 3 8 1 、丁 1 5 九湾潭 1 1 3 o 2 4 1 9 3 3 ”e2 3 。2 8 1 8 5 6 n 1 6 李溪上 1 1 3 。2 0 2 7 8 5 ”e2 3 。2 4 8 4 8 ”n 1 7 东华上 1 1 3 。1 8 3 7 0 9 ”e2 3 o 2 2 5 1 4 4 1 町 1 8 铜锣湾 11 3 。2 5 。5 7 0 1 ”e2 3 。1 8 3 6 0 8 n 1 9 人和上1 1 3 。1 7 4 6 8 7 ”e2 3 。1 9 5 6 4 8 t n 2 0和龙1 1 3 。2 1 5 0 3 5 ”e2 3 。1 7 1 4 9 0 q 中l l i 大学硕士学位论文 图2 7j 州f i 三防办雨量站在流溪河流域上的卒问分布图 2 3 3 流溪河流域地面雨量站降雨数据收集 现广州市一防办雨最数据自动采集系统采集的雨量数据分辨率为o 5 毫米， 当达到下列条件之一即自动将数据上传：1 ) 雨量数据变化o 5 毫米时，2 ) 每逢 o o 分、1 5 分、3 0 分、4 5 分系统会自从专一次甲安数( 也就是说即便雨量没自 变化，系统也会以每1 5 分钟的频率上传一次半安数，以便判断系统是否j f 常运 行) 。 由j ：2 0 0 6 年7 月以及2 0 0 5 年6 月的暴雨在流溪河流域形成了较人的洪水 过程，其暴雨过程较有代表性，而且通过数据分析发现这两年尤其是这两个降水 过程的数据质量较高，几乎无数据缺失。小文主要以这两场暴雨与同期的雷达数 据为依据进行雷达数据质量控制及降雨估算及预报方法研究。对流溪河流域的暴 雨数据，主要整理2 0 0 5 以及2 0 0 6 年数据。本文首先对流溪河流域2 0 0 5 年及2 0 0 6 年汛期各月暴雨的发q i 情况进行了分析。 流溪河流域的汛期集中在每年的4 9 月份，主要的人暴雨也发生在此期间。 本文以h 为区段，以广州市三防办前期数据库巾的降雨数据为基础，下而以2 0 0 5 1 9 中山大学硕士学位论文 年为例，分别绘出了上述2 0 个雨量站汛期6 个月的逐日降雨量演变过程，如图 2 8 所示。 ( a )4 月 ( b ) 5 月 中山大学硕士学位论文 ( c ) 6 月 ( d ) 7 月 ( e ) 8 月 2 1 中人学硕十学位论文 ( f ) 9 月 图2 8 流溪河流域2 0 0 5 年4 9 月份2 0 个雨鼙站的逐h 降雨量演变过程。 从图2 8 给出的降雨量演变过程可以总结出如下特点： 1 ) 流域内的降雨有较强的同步性，即当发g i 降雨时，基本上是全流域性的。 2 ) 2 0 0 5 年流溪河流域发生了幸l i 干场强降雨。其中，4 月2 5 2 6 同雨量很大， 最大达到1 0 0 m m ；5 月份发生多个暴_ | 、| ：过程，大部分过程的降雨都在4 0 m m 以上； 6 月份也发生多个暴雨过程，特别是6 月1 2 日一2 4n 问发生连续的降雨，大部分 的降雨都在4 0 m m 以上，部分达到6 0 一9 0 m m ，并引发了洪水；7 月份的降雨有所 减少，大部分过程的降雨都在4 0 m m 以下；8 月的降雨也不少，其中，8 月2 1 日一2 4 同m 发生连续的降雨，最大降雨超过7 0 m m ，部分达到6 0 9 0 m m ；9 月份 的降雨较少，仅有一次降陌过程的最大降雨达到3 0 m m ，其它均在l o m m 以下。 这些数据为雷达参数校正提供了充分的数据。同时也分析了历年来的雨量数 据，发现流溪河流域降雨强度均不超过1 0 0m r r u ，h 。 2 3 4 广州市多普勒雷达数据收集 广州市多普勒雷达数据每六分钟传回一次数据，每一时刻均有9 个扫描层 次，其仰角分别为：o 6 2 。，1 5 0 。，2 4 8 。，3 4 5 。，6 0 2 。，9 7 9 。，1 4 6 7 。， 1 9 3 8 。每一个层次的反射率值均按照雷达扫描的角度排列，共3 6 0 度( o 3 5 9 ) ： 2 2 中山大学硕士学位论文 即正东方向为零度，按逆时针方向旋转。每个角度上共有4 6 0 个雷达反射率数值 ( d b z ) ，空间步长为1 公里，亦即每个扫描角度的最长扫描距离为4 6 0 公里，分 辨率可达1 公里。 由于广州多普勒雷达降雨回波率数据占用存贮空间大，一天就有1 3 5 g 。本 次针对研究需要收集了2 0 0 5 和2 0 0 6 年广州多普勒雷达降雨回波率数据的部分时 段数据。结合流溪河流域0 6 年7 月和0 5 年6 月暴雨期间的实测资料，作为雷达 降雨分析的依据。 2 3 5 多普勒雷达空间与地面测雨单元的定位 为了将多普勒雷达测量的降雨回波率与地面单元的降雨关联起来，必须建立 雷达空间与地面测雨单元的对应关系，如图2 9 所示。 图2 9 雷达空间与地面测雨单元的对应关系图 多普勒雷达各单元空间一般以极坐标进行定位，任一单元的空间坐标可描述 成以雷达所在的位置为中心，以相对于正东方的方位角为角度，以距雷达中心 点的距离r 为长度的极坐标p ( q ，r ) 。雷达中心点的坐标一般以经纬坐标来表示， 即以( x o ，y o ) 表示，本文中，x 0 = 1 1 3 。2 1 1 8 ”，y o = 2 3 o 1 4 ”。 在本文中，任一雷达单元的极坐标以该单元中心点的坐标来表示。由于多普 勒雷达各单元的降雨回波率是以矩阵的格式存贮的，为了便于读取数据，对每个 单元以二维矩阵的格式进行编码，即构造一个3 6 0 4 6 0 的二维矩阵( i ，j ) ，与( q ， r ) 的对应关系为： 中山大学硕士学位论文 ，= 1 + i n t ( 口) t ，= 1 + i n t ( ，) ( 2 1 ) 地面雨量单元( 雨量站) 的空间坐标以经纬坐标来表示，即x k ，y 。分别表示 第k 个地面雨量单元中心点( 雨量站) 的经度和纬度( 图2 9 ) 。 根据雷达探测原理，地面雨量单元的经纬坐标与多普勒雷达各单元的极坐标 间存在如下关系。 踟( z 。) = & 以( k ) 跏( k ) + ( ) ( k ) ( k 一以) 跏( ) ：生喾坠篓掣 ( 2 - 2 ) 1 一2 ( z t ) = z i 尺 其中，r 为地球半径，z 。为各地面雨量单元( 地面雨量站) 到雷达中心点的 弧线距离所对应的弧度。 根据上述公式，可计算出各地面雨量单元与多普勒雷达空间单元的对应关 系，即每个地面雨量单元( x y 。) 与唯一一个多普勒雷达空间单元( q 。，r k ) 相对应。 也可利用上述公式，计算确定各个地面雨量计与雷达单元的空间对应关系， 即地面雨量计位于哪一个雷达单元中，计算结果列于表2 2 。在计算中要特别注 意地面雨量单元与雷达点的相对位置，以便正确确定方位角q 。 从表2 2 可以看出，各雨量站距雷达中心的距离从3 卜l o l k m ，方位角从6 卜9 9 度，属于较理想的雷达覆盖范围。 表2 2 地面雨量计与雷达单元的空间对应关系表 雨量站名r q 雨量站名 ra 联星 9 96 7 大坳上 6 07 0 枫木朗 1 0 16 5 太平场 4 97 6 黄龙带 9 36 5 鹿颈坑 4 97 5 流溪河 9 36 3 蟾蜍石 5 49 0 良口坝上 8 96 5 九湾潭 5 28 4 温泉 7 66 8 李溪上 4 49 2 南人8 16 1 东华上 4 29 6 街口 6 56 9 铜锣湾 3 57 7 棋杆 6 47 8 人和上 3 79 9 凤凰 6 6 6 0和龙3 l 8 8 中山人学硕士学位论文 2 3 6 多普勒雷达数据质量问题及数据处理方法 原始雷达降雨i 口i 波数据一般都存在一些质量问题f 1 8 】，通过对多时段广i 市雷 达降雨同波迸彳质量分析，从而找出存在的问题，并采用相应的方法对数据进行 质量控制足应刚雷达进行降雨估测的基本要求【l 9 1 。 本j i ：作通过刈收集到的各场次广州多普勒雷达降雨回波进行了连续反演，在 反复观察各数据的基础上，对广州多普勒雷达降雨同波探测数据存在的质量问题 进行了分析和归纳。针对流溪河流域的资料，发现广州多普勒雷达降雨回波测量 的数据质量问题主要有不同层体= f 1 ( 即指雷达进行一次全面的探测扫描过程) 数 据的不同，数据短缺、异常点( 含异常传播、雨量增长、水平位移和衰减) 和异 物回波。基本 ：包括了多普勒雷达常规误差的各个方面。下面具体分析各种数据 质量i 、u j 题。 2 3 6 1 不同层体扫数据的分析比较 广州市多普勒雷达在进行降雨探测时，可连续进行9 个不同仰角的体扫，囚 此降雨回波有9 层的资料，图2 1 0 显示的足2 0 0 5 年6 月2 1 二f7 时1 6 分体手_ i 的 9 层数据。 中山大学硕士学位论文 中山大学硕士学位论文 色标对比卡( 单位：d b z ) 图2 1 02 0 0 5 年6 月2 1 日7 时1 6 分广州市多普勒雷达1 9 层体扫回波资料 从图2 1 0 不难发现，随资料层数的增加( 亦即仰角的增加) ，雷达探测到 的信息逐步减少，并且强度也逐步减轻，第l 层数据较完整，前1 4 层数据基本 还可以用，第5 层及以后的数据较少，基本不能用，第9 层则基本没有数据。 出现上述情况的主要原因，经分析认为是第4 层后的体扫高度较高，难以全 部扫射到有效降雨。根据上述结果，本文在以后的分析计算工作中，考虑到第1 层数据较全，由于仰角低且到地面垂直距离小，则雨滴在下降过程中特性发生的 变化小，故后面的研究均以第1 层资料为计算依据。 2 3 6 2 数据短缺及处理方法 通过对雷达资料的分析发现，广州市多普勒雷达资料沿轴向整体短缺的情况 比较严重，图2 1 1 列出了一些数据短缺的回波图。 另外，还发现，在一场暴雨过程中，部分体扫中出现单独的一个或若干个单 元数据丢失的情况，即其测值为2 5 5 ，而其它体扫数据正常。 2 7 中山大学硕士学位论文 ( 1 ) 0 5 年6 月5 日3 时1 0 分( 3 ) 0 5 年6 月2 1 日l 时3 4 分 ( 2 ) 0 5 年6 月5 日3 时2 2 分( 4 ) 0 5 年6 月2 1 口1 时5 3 分 图2 一1 1 广州市多普勒雷达资料短缺示意图 ( 示意图单位以及颜色请参照图2 1 0 的色标对比卡) 上述情况说明广州多普勒雷达存在设备不稳定的情况，使部分体扫数据丢 失。在业务运行中，应该将这部分丢失的数据进行插补延长。 对于上述短缺数据，本文采用短缺数据的插补延长方法( 分径向插补和单点 插补的方法) 。 径向插补方法：通过线性插值方法进行插补延长。具体做法是在一条直线上， 已知x 。、x ：，它们的值分别为( x 。) 、厂( x ：) ，要求两点问的某一点的值厂( x ) ， 则可由下列公式求得 2 8 中山大学硕士学位论文 x x 厂( 工) = 厂( x 1 ) + 厂( 石2 ) 一厂( 工。) 】 ( 2 3 ) x 2 一石l 单点短缺数据插补方法：单点短缺数据本文通过对其周围有效点的值求平均 值的方法进行插补。 2 3 6 3