三峡库区天气雷达拼图及降水估测系统.doc

三峡库区天气雷达拼图及降水估测系统徐卫立 陈良华 李波 张俊 （三峡梯调通信中心，湖北省宜昌市 443133）摘要：在三峡梯调通信中心建立三峡库区天气雷达资料共享平台，将重庆、万州、宜昌三地的天气雷达基础资料和产品数据实时传输至三峡梯调通信中心；利用复合扫描、三维组网、雷达定标技术，进行库区雷达拼图；并结合现有的地面雨量站观测数据，实现对三峡库区的暴雨监测、降水估算和短时降水预报。关键词：三峡库区；雷达拼图；降水估测；复合扫描；雷达定标1. 引言 三峡库区位于长江上游，有其独特的地形地貌特征，受青藏高原和西南涡的影响，多暴雨洪水，对三峡库区的航道安全、水利枢纽的防洪度汛有着重大的影响1。由于常规资料的时空分辨率较低，只能对强降水过程做定性化的分析，尚不能很好满足定量降水估测的需求。新一代天气雷达实行全天时连续工作体制,可以对天气系统进行实时的监测，能较为准确的反应大气中水的含量,比卫星云图具有更高的分辨率和观测时次2，有必要利用雷达的高时空分辨率来提高三峡库区的强降水估测和洪峰预报。 2009年4月-10月，三峡梯调中心与重庆市气象台联合开发，完成三峡库区天气雷达拼图及降水估测系统建设。该系统可以利用重庆、万州和宜昌已有的3部多普勒雷达观测资料，对三峡库区的降水回波进行无缝拼图，并结合地面自动气象站的雨量计资料对三峡库区的强降水过程进行无缝观测和定量降水估算，为三峡水利枢纽的防洪度汛、运行调度和汛后蓄水提供重要的决策依据。2. 系统基本构成 三峡梯级调度中心“三峡库区天气雷达拼图资料接收及相关应用”系统主要包含中心服务器、数据采集站、计算服务器、综合显示平台、网络传输系统、WEB产品发布系统等6个方面的内容，其整体架构如图1。2.1. 中心服务器 中心服务器建在三峡梯调中心，主要负责重庆、万州、宜昌的三部多普勒天气雷达产品数据、拼图产品、降水估测产品和三峡梯调中心各个水文测站雨量计资料的存放、管理等工作。中心服务器主要包括MySql数据库、中心服务器系统软件和服务器管理软件，服务器的运行和管理完全通过服务器管理软件进行控制，增加了服务器的安全性，服务器采取开机即自动运行的方式，方便操作。2.2. 数据采集站 数据采集站主要负责重庆、万州和宜昌三地的多普勒雷达数据采集以及三峡梯调中心各个水文测站雨量计数据的采集。数据采集站定时采集新一代多普勒天气雷达数据和雨量计数据，并进行质量控制，将处理后的数据，通过网络自动上传到三峡梯调中心。2.3. 计算服务器 计算中心主要负责向中心服务器申请资料，进行雷达拼图、降水估测、面雨量估算和2h降水预报等工作，并将生成的产品上传到中心服务器，由中心服务器分发到各个业务系统。2.4. 综合显示平台 综合显示平台主要负责产品调阅，业务处理等工作，其工作流程是定时从中心服务器上下载预报产品，并进行分析、处理和再加工。最后将处理结果返回到中心服务器，由中心服务器分发到其他的业务系统。业务系统支持多用户，一个服务器可以连接多个用户，一个用户也可以连接多个服务器。2.5. 网络传输系统 网络传输系统主要负责三峡库区天气雷达拼图和定量估测降水所需要的雷达数据，通过网络传输系统，将重庆、万州和宜昌三部多普勒天气雷达探测到的实时数据和产品数据，通过网络传输到三峡梯调中心指定服务器上，再由数据采集站上传到中心服务器进行统一管理。2.6. WEB产品发布系统 WEB产品发布系统主要将图像产品包括雷达拼图、各站组合反射率因子、回波顶高、风廓线、估算降水和短时降水预报，实时的在三峡梯调中心服务器上进行显示；WEB页面功能上能够满足用户方便、快捷地浏览各类雷达产品，对于单幅图像能够前后翻页、动画播放。图1 系统整体架构图3. 系统的功能3.1. 雷达拼图3.1.1. 资料传送 通过对需要传输的雷达资料数据量进行估算，在重庆-三峡梯调中心之间选取了SDH专线方式，宜昌-三峡梯调中心之间选取了2M光纤直连方式，通信线路传输能力满足将各站天气雷达每6分钟一次观测形成的数据实时、完整地传送到三峡中心站的要求；万州雷达资料通过重庆市气象局收集后统一向中心站传送。数据传输采取FTP方式，中心站服务器分目录存储各站雷达资料，并配置了相应的目录维护程序。3.1.2. 雷达图无缝拼接 根据三峡水库调度需求，并结合三峡库区的地形特点，利用复合扫描制订了重庆、万州、宜昌三部多普勒天气雷达的探测波束遮挡图和雷达重叠区示意图；通过雷达定标技术，对三部雷达同步观测进行订标；通过三维组网拼图，最终实现三峡库区雷达图的无缝拼接。同时，系统具有自动生成组合反射率拼图和降水拼图的功能。 3.2. 降水估算和短时降水预报3.2.1. 降水估测 利用Z-R关系建立雷达探测到的反射率因子与降水率的关系，进行定量降水估测，并联合雨量计对降水估测进行校准。在这里采用平均校准法，将1个小时内每个时次（约6分钟左右1次）的雷达反射率因子（用于降水的反射率因子拼图）采用Z-I关系反演的瞬时降水率作为该时次前后约3分钟的平均降水率，累加后即得到小时降水。经过地面雨量计校准后，可以得到雷达雨量计联合测量的小时降水分布。对小时降水分布进行3小时、6小时累加，可得到3小时累积降水和6小时累积降水。 雷达作为一种主动遥感手段可以探测较大范围的瞬时降水分布，但和雨量计相比，精度较差，雷达联合雨量计估测面雨量可以充分利用两者的优点，改善水文模型的径流模拟结果3。根据三峡库区分区地图，将需要计算面雨量的流域边界进行数字化，以经纬度表示，叠加到雷达反演的降水场上，提取出位于流域内的降水场，将所有网格点的雨量进行累加，然后除以流域内的网格点数，可计算得到流域面雨量。 3.2.2. 短时降水预报 从天气雷达回波图上分析和预报降水时，需要对回波的移动进行跟踪。在得到回波运动估测场的基础上，进行定量降水预报时采用外推方法。 三峡库区天气雷达拼图及降水估测系统以最靠近预报制作时间的雷达反射率因子场为基础，根据所采用的Z-I关系反演出瞬时降水场，并根据前1小时的平均校准因子对所反演的瞬时降水场进行校准；以最靠近预报制作时间的两个时次的雷达反射率因子为基础得到TREC矢量场，利用TREC矢量场对校准后的瞬时降水场进行外推，可得到从预报制作时间开始的未来1小时和未来1-2小时的小时降水分布预报场。3.3. 产品的生成与发布 综合显示平台可供预报员方便、快速地调用、显示各类图像产品，分析三峡库区回波和降水情况。同时显示系统的底图可编辑，可以实现图像放大、缩小和漫游以及按时次进行前后翻页和动画的功能；所有图像产品实现自动存图。 WEB产品发布系统可以将三部雷达的四类基本产品图像、四类拼图产品生成后实时在三峡梯调通信中心网站上发布；网站查询可实现动画效果。 4. 系统技术实现 随着新一代天气雷达网的建成，有必要考虑用于定量估测降水的雷达拼图方案，这对地形复杂的地区尤为重要。为了最低限度降低山区地形的影响，在进行拼图时有必要进行适当的波束阻挡订正。另外，为了尽量探测到靠近地面的降水，还需要进一步考虑雷达波束中心与地面的距离。4.1. 复合扫描及雷达重叠区 为了得到所需的降水拼图方案，需要首先根据1:250000DEM（数字高程模型，Digital Elevation Model）数据计算三部雷达各仰角的波束遮挡系数及复合扫描图（图2），并找出雷达的重叠观测区（图3）。 由图2可见，重庆雷达和万州雷达除了在雷达位置附近选取较高仰角外，一般用最低仰角（0.5）的数据，但重庆雷达覆盖范围的西部和万州雷达覆盖范围的东南部以次低仰角（1.5）资料为主；宜昌雷达西部和北部受到了严重的波束遮挡，有的扇区的复合扫描仰角达到了2.4。由于雷达波束中心的高度随距离增加而增大，当仰角为2.4时，在距离雷达100km左右的地方雷达波束中心的高度已在4km以上，在距离雷达230km左右的地方雷达波束中心的高度更是高达12km以上，根本无法代表地面降水。而万州雷达东部受到的波束遮挡相对较小，在宜昌和万州两部雷达的重叠观测区（图3），在进行定量估测降水时以万州雷达资料为主反演的降水与地面实际降水会更接近一些。但是，若距离万州雷达太远，即使仰角较低，波束中心仍然可能较高，在进行拼图时就需要总体考虑具体哪部雷达探测的资料更靠近地面。这就是拼图时需要DEM数据的原因。图2 重庆、万州、宜昌雷达复合扫描图图3 重庆、万州和宜昌雷达的重叠观测区示意图4.2. 雷达定标 由于雷达硬件等方面的原因，每部雷达观测的同一目标物或多或少的存在一些偏差，为了去除偏差，需要对雷达进行定标。 选取2009年6月19日-20日一次大范围降水过程作为定标依据，分别选择万州、宜昌等距离线左右1km范围内5km高度6月19日16:08-23:51共73个体扫资料，4km高度19日16:40-23:51共67个体扫资料，万州、重庆等距离线左右1km范围内5km高度19日16:33-20日03:49共106个体扫资料，4km高度19日16:27-20日03:49共107个体扫资料进行对比。由对比可知，万州雷达的反射率因子值明显高过宜昌雷达（图4左）。经过对比订正，将万州雷达的反射率因子减弱显示，这样得到的反射率因子拼图更具有一致性，天气系统也更具有连续性（图4右）。如果把3部雷达同时定标，若以重庆雷达为标准进行定标，则万州雷达的反射率因子可减小约3.5dBz左右（可调参数），宜昌雷达反射率因子可增加约8dBz左右（可调参数）。以上可调参数还需要根据今后更多的应用经验和数据对比进行调整。图4 万州、宜昌雷达定标前（左）、后（右）5km高度拼图4.3. 三维组网拼图方案 在得到单部雷达复合扫描图的基础上，就可以进行用于定量估测降水的反射率因子拼图。在选取位于两部以上雷达同时覆盖区域的距离库的反射率因子值时，取两部或三部雷达中该距离库处的波束中心距离地面高度最低的雷达的测值（图5）。当只有其中两部雷达的资料时，按照降水拼图原则得到相应的拼图方案。若只有一部雷达资料，则采用单部雷达复合扫描方案。图5 雷达三维组网拼图方案5. 系统应用情况2010年5月投入应用以来，系统运行稳定：重庆、万州和宜昌三部气象多普勒雷达数据及其产品的传输、处理及时完整；中心服务器管理系统工作正常，系统关键进程、硬盘容量及气象资料到达率监视程序运行正常，且能实现系统的自动维护和产品的自动删除功能；雷达拼图处理程序运行正常稳定，能够实时动画演示三峡库区雷达最新图像资料；雷达降水估测处理程序运行正常稳定，能实时生成1小时降水估测、3小时降水估测、降水预报和面雨量估算产品，并及时上传到中心服务器，在客户端自动下载显示。三峡库区天气雷达拼图及降水估测系统的建成使用，已成为三峡梯调中心对三峡库区暴雨监测、降水估算和短时降水预报的决策依据之一。参考文献：1王仁乔,李才媛,王丽,等.六大流域强降水面雨量气候特征分析.气象,2003,29（7）:38-42.2刘雪涛,沃伟峰,赵思亮.FOSE系统中的新一代天气雷达拼图及单站产品制作，气象科学,2007,27（4）