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多普勒天氣雷達(dá)估測降水及雨洪應(yīng)用研究進(jìn)展

2012-04-14 11:22:51陳垚森任啟偉徐會(huì)軍
水利信息化 2012年4期
關(guān)鍵詞:雨量計(jì)雜波波束

陳垚森 ,任啟偉 ,徐會(huì)軍

(1. 中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610;2. 廣東省水利水電技術(shù)中心,廣東 廣州 510635;3. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275)

0 引言

定量估測降水一直是天氣雷達(dá)應(yīng)用的主要目標(biāo)之一。從第二次世界大戰(zhàn)后雷達(dá)技術(shù)開始在氣象部門應(yīng)用,至今已有 60 多年的歷史了,隨著應(yīng)用研究的廣泛開展,雷達(dá)估測降水發(fā)展非常迅速。1959 年Battan[1]首次提出雷達(dá)氣象學(xué)概念,并對那一時(shí)期雷達(dá)氣象學(xué)的研究進(jìn)展和成果作了概述。由此,多普勒天氣雷達(dá)作為一種重要的技術(shù)手段逐步發(fā)展成為專門學(xué)科。在天氣雷達(dá)應(yīng)用研究的早期,就發(fā)現(xiàn)雷達(dá)估測降水的潛力,并對聯(lián)合雨量計(jì)的多普勒天氣雷達(dá)定量估測降水進(jìn)行了大量研究[2]。同時(shí),在雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及耦合水文模型應(yīng)用方面均取得較好研究成果。

隨著多參數(shù)雷達(dá)的迅速發(fā)展,利用雙波長和雙極化雷達(dá)提供的衰減、差分反射率因子等信息估算降水,以及用雙極化多普勒雷達(dá)的差分相移提供的信息估算降水,乃至用機(jī)載或者星載雷達(dá)探測降水等工作,也相繼開展起來??傊?,隨著雷達(dá)估測降水技術(shù)不斷進(jìn)步,應(yīng)用研究不斷深入,雷達(dá)估測降水的應(yīng)用價(jià)值將得到不斷提升。本文著重從雷達(dá)數(shù)據(jù)聯(lián)合雨量計(jì)的校正,雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中的回波衰減、波束阻擋、地物雜波、反射率垂直方向的變化 4 種控制方法,以及耦合水文的雷達(dá)測雨應(yīng)用等方面,對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究

天氣雷達(dá)可以探測大范圍降水,探測精度主要受雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、云雨衰減、大氣折射等因素影響。測量誤差是多普勒雷達(dá)的重要誤差來源,因此對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是提高多普勒雷達(dá)降水定量估算的重要途徑。

2000年Harrison[3]對雷達(dá)誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析,提出雷達(dá)誤差來源包括如下因素:1)雷達(dá)標(biāo)定與硬件穩(wěn)定誤差;2)地物回波及異常傳播(超折射);3)回波阻擋;4)波束衰減;5)滴譜分布假定誤差;6)反射率因子在垂直方向的變化(Vertical profile of reflectivity,VPR);7)波束充塞。本文對雷達(dá)回波阻擋、回波衰減、地物雜波、反射率因子在垂直方向上的變化等 4 種因素的相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)展簡要概述。

1.1 雷達(dá)回波衰減

雷達(dá)接收的電磁波隨降水強(qiáng)弱、探測距離遠(yuǎn)近呈現(xiàn)不同程度的衰減,主要原因是當(dāng)電磁波投射到大氣中的氣體分子或液態(tài)、固態(tài)的云和降水粒子上時(shí),有一部分能量被該粒子吸收,變成熱能或轉(zhuǎn)化成其它形式的能量;另一部分能量被粒子散射,削弱了原來入射方向的電磁波能量[4]。因此,雷達(dá)回波衰減,就是大氣粒子對電磁波吸收和散射 2 種作用的總和。然而,影響降水粒子對雷達(dá)回波衰減的因素有很多,各種因素彼此之間的關(guān)系也非常復(fù)雜。

張培昌等[4]在 20 世紀(jì) 90 年代中期研究總結(jié)指出,影響雷達(dá)回波衰減的因素,除電磁波波長外,還包括大氣環(huán)境中雨滴的滴譜、相態(tài)、濕度、溫度、氣壓等諸多因素。

雷達(dá)測量降水的衰減問題研究可回溯到 1954年,當(dāng)時(shí) Hitschfeld 等[5]根據(jù)衰減系數(shù) k 和雷達(dá)反射率因子 Z 之間的關(guān)系,提出衰減訂正的解析解。此后,國內(nèi)外先后研究出多種衰減訂正方法,如在國內(nèi),呂達(dá)人等[6]在 1980 年提出用工作在同一波段的地基雷達(dá)和輻射計(jì)進(jìn)行同方向的聯(lián)合遙感,利用微波輻射計(jì)測得的較為穩(wěn)定的路徑總衰減(PIA)對起伏較大的雷達(dá)資料進(jìn)行衰減總量控制。到 1993年,劉錦麗等[7]根據(jù)這一方法所作的試驗(yàn)表明,利用微波輻射計(jì)的資料對雷達(dá)進(jìn)行訂正后,比僅用雷達(dá)效果明顯改善;但雷達(dá)回波垂直結(jié)構(gòu)的不均勻性表明,該方案仍存在原理上的局限性,有待進(jìn)一步改進(jìn)。而在國外,Winman 等[8]于 1990 年利用機(jī)載雷達(dá)和微波輻射計(jì),對一次降水進(jìn)行垂直方向的聯(lián)合探測,亦得到較好效果。進(jìn)入 21 世紀(jì)之后,趙小艷[9]提出基于 H-B 算法的 k-Z 關(guān)系衰減訂正法,得出這種訂正算法在雷達(dá)回波強(qiáng)度不大時(shí)具有很好訂正效果的結(jié)論。

1.2 波束阻擋校正

天氣雷達(dá)的低層探測仰角資料為定量測量降水提供了最有用的信息,但在山區(qū)往往由于部分或完全的波束阻擋而限制了對低仰角探測資料的利用,導(dǎo)致雷達(dá)探測降水的精度降低。雷達(dá)周圍的地形所造成的波束阻擋,增加了降水監(jiān)測估算的困難,也降低了雷達(dá)估測降水的精度。為了最大限度地減少山區(qū)地形對雷達(dá)應(yīng)用造成的影響,在定量估測降水中需要運(yùn)用適當(dāng)?shù)牟ㄊ钃跤喺桨赶ㄊ钃踉斐傻恼`差。

自天氣雷達(dá)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用以來,雷達(dá)波束阻擋計(jì)算及校正研究就一直未停止過,并隨 GIS 等技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生了越來越精確的算法。20 世紀(jì) 70 年代早期,Harrold 等[10]首先提出一種校正部分波束阻擋的簡單方法,隨后,該方法逐漸改進(jìn)并應(yīng)用于美國NEXRAD 降水處理系統(tǒng)。從 Harrold 等之后,很多研究都是從雷達(dá)可視化角度對波束阻擋進(jìn)行預(yù)測,如 Gabella 等[11]在 1998 年應(yīng)用一種幾何光學(xué)方法,計(jì)算最低仰角掃描時(shí)可能的阻擋。同時(shí),Smith[12]研究了可用的最低仰角數(shù)據(jù)。近年來,隨著 GIS 技術(shù)快速發(fā)展及高精度的 DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)越來越容易獲得,GIS 技術(shù)也被引入到雷達(dá)波束地物阻擋分析研究中。如,Krajewski 等[13]提出,應(yīng)用DEM 數(shù)據(jù)并結(jié)合 GIS 技術(shù)計(jì)算雷達(dá)波束在山區(qū)應(yīng)用的能量損失。

當(dāng)大氣狀況改變(如波束有異常傳播情況),由于雷達(dá)波束傳播路線改變,波束阻擋也會(huì)變化。Fornasiero 等[14]通過對阻擋方程進(jìn)行改進(jìn),考慮具有多個(gè)不同傳播條件的大氣圈層模型,通過該模型不僅可處理較均勻的大氣狀況,也可考慮更復(fù)雜的情況,如雷達(dá)波束傳播存在超折射現(xiàn)象時(shí)。

國內(nèi)學(xué)者針對國產(chǎn)雷達(dá)波束阻擋問題,也提出一些阻擋校正算法。如邵末蘭等[15]在 20 世紀(jì) 90 年代伊始制作了在不同折射情況下,測站地物阻擋圖和等射束高度圖,并對不同折射情況下地面阻擋物對雷達(dá)探測能力的影響程度,采取“綜合治理”方法進(jìn)行校正。21 世紀(jì)初期,張亞萍等[16]提出平均值距離庫填充法,并利用以合肥雷達(dá)站為中心的 DEM資料,對平均與最大值法進(jìn)行比較,將波束距離處相應(yīng)波束區(qū)域劃分為 3l×31 的網(wǎng)格,以此計(jì)算雷達(dá)波束在該距離處的地物阻擋百分率;然后,利用山前的雷達(dá)回波值填入波束被阻擋的部分網(wǎng)格中估測降水。2010 年,任啟偉[17]提出基于俯角的天氣雷達(dá)波束阻擋率計(jì)算方法,并根據(jù)阻擋率對雷達(dá)回波進(jìn)行訂正。此方法應(yīng)用俯角的概念,采用高分辨率的DEM 數(shù)據(jù)計(jì)算精確的阻擋截面,同時(shí)計(jì)算多個(gè)仰角下的波束阻擋率,并根據(jù)波束阻擋的能量對波束阻擋進(jìn)行校正。

1.3 地面雜波

地面雜波包括雷達(dá)波束正常傳播下探測到的地物回波和異常傳播下探測到的超折射回波,一般指正常傳播情況下探測到的地物回波。通常低仰角的雷達(dá)波束受到建筑、樹木、山丘等的攔截,會(huì)散射一定的能量形成隨機(jī)的干擾信號,這些非氣象目標(biāo)造成的地面雜波會(huì)給雷達(dá)回波數(shù)據(jù)造成不同程度的污染,給降水估算帶來影響。地面雜波一般分布在低仰角掃描的數(shù)據(jù)、距離雷達(dá)站較近的位置等地方。對于雷達(dá)測雨的應(yīng)用,需要更精確的地表降水信息,因此希望應(yīng)用低層次仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)[18]。但雷達(dá)波束越低,受到地面雜波的影響越大,要提高降水估測的精度,就要對低仰角數(shù)據(jù)中的雜波進(jìn)行抑制。

一些研究通過對周圍地形、地表特征的分析,建立起地物與地物雜波的關(guān)系,預(yù)測雷達(dá)波束正常傳播下雜波的分布。如 Billingsley[19]及 Shnidman[20]對不同頻率的雷達(dá)在低仰角掃描時(shí)的雜波和不同地形進(jìn)行統(tǒng)計(jì),給出不同地物對各種頻率雷達(dá)形成的雷達(dá)剖面,以此作為地面雜波預(yù)測的參考數(shù)據(jù)。此外,雷達(dá)波束的傳播路徑受大氣狀況影響,地面雜波也因此發(fā)生改變。很多研究分析了大氣變化情況下的雷達(dá)地面雜波,如 Surgier 等[21]研究分析大氣變化情況下的相關(guān)特征,從雷達(dá)數(shù)據(jù)中探測雜波和異常傳播。任啟偉[17]提出從雷達(dá)周圍的地形環(huán)境出發(fā),采用高分辨率的 DEM 數(shù)據(jù),精確計(jì)算地物散射的雷達(dá)截面,對可能的地物雜波進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而達(dá)到抑制雜波的目的。

目前,識(shí)別和抑制地面雜波的主要方法有: 應(yīng)用雜波圖、根據(jù)雜波與降水回波的特征統(tǒng)計(jì)濾除雜波、應(yīng)用多普勒雷達(dá)徑向速度區(qū)分地面雜波,應(yīng)用雙極站點(diǎn)雷達(dá)濾除雜波等。采用這些方法,可分析雷達(dá)回波信號并抑制地面雜波。

1.4 折射率的垂直廓線校正

垂直廓線(VPR)被認(rèn)為是天氣雷達(dá)降水估測過程中最主要的誤差來源[22]。垂直方向的大氣運(yùn)動(dòng),如雨滴的相互作用、上升氣流、向下氣流、蒸發(fā)、云層下雨滴的聚集、地形增強(qiáng)、降雨深度的變化及亮帶等,均被認(rèn)為是垂向回波變化產(chǎn)生的原因。大氣層中的降水有產(chǎn)生、增長、蒸發(fā)及相變等過程,也會(huì)導(dǎo)致水汽凝結(jié)體的雷達(dá)反射回波變化。通常天氣雷達(dá)只能探測特定高度,也即垂直廓線的某部分。對于水文方面的應(yīng)用研究,輸入降雨-徑流模型的是落在地表的降水。因此,雷達(dá)定量估測降水,需要對垂直廓線誤差校正以獲得實(shí)際到達(dá)地表的降水。

垂直廓線的誤差可根據(jù)對垂直廓線的校正予以消除。通過生成垂直廓線,可確定回波垂向的梯度及地面降水特征,進(jìn)而校正垂直廓線,得到接近地面的雷達(dá)回波。最早的 VPR 研究,可追溯到 20 世紀(jì)70 年代。Harrold 等[23]在 1975 年首先嘗試校正從雷達(dá) PPI(Plan Position Indicator)圖上觀測到的亮帶。該方法假定垂向降水在水平方向上均勻分布,但由于計(jì)算系統(tǒng)數(shù)值的不穩(wěn)定性,僅從視覺去除亮帶,在精度上沒有太大提高。Smith[24]在 1986 年提出的方法與之前的 VPR 校正方法相比有了較大提高。首先,該方法通過對 2 個(gè)不同高度的雷達(dá)波束探測的降水強(qiáng)度探測亮帶;然后,建立 1 個(gè)典型的 VPR 模型,并用雷達(dá)波束的能量剖面作為權(quán)重,計(jì)算 VPR校正的因子。該方法最終應(yīng)用到英國氣象局的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。Kitchen 等[25]在 1994 提出一種方法,特點(diǎn)是建立參數(shù)化的廓線模型。應(yīng)用高分辨率(0.28 m)的 Chilbolton 的 S 波段雷達(dá)獲得的大量RHI(Range Height Indicator)資料,歸納出典型的VPR 模型;然后,根據(jù)每個(gè)像元(5 km×5 km)的雷達(dá)實(shí)測、地面氣溫和紅外云圖數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)決定VPR 的一些局部特征并實(shí)施地面降水校正。

針對雷達(dá)反射率因子垂直廓線,國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些研究。杜秉玉等[26]利用同一 Z-R(雷達(dá)回波與降雨強(qiáng)度)關(guān)系下地面降水與雷達(dá)回波強(qiáng)度的空間最佳匹配思想進(jìn)行了反演降水的試驗(yàn)。史銳等[27]對反射率垂直因子與降水類型之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,通過均勻、不均勻的降水和超短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)實(shí)測資料,分析這些降水情況下的反射率因子垂直廓線,找出不同雨型與反射率因子垂直廓線的關(guān)系。吳翠紅等[28]總結(jié)了雷達(dá)回波垂直廓線的主要算法,著重對 MVPR(平均垂直廓線)的生成方法作了細(xì)致探討,形成 4 種生成算法,并對其進(jìn)行了比較分析;通過在長江流域的實(shí)例研究表明,應(yīng)用VPR 校正雷達(dá)估算地面降水的技術(shù)是可行的,具有一定效果,對進(jìn)一步提高雷達(dá)定量測量降水有積極意義。

2 雷達(dá)聯(lián)合雨量計(jì)校正

雷達(dá)估測與雨量站觀測降水的本質(zhì)區(qū)別在于采樣方式不同。雨量站觀測的是特定時(shí)期內(nèi)落在地表某處的累積降水,雷達(dá)觀測的是雷達(dá)波束體積內(nèi)的大氣瞬時(shí)回波。由于雷達(dá)估測降水與地面實(shí)際降水的時(shí)空不一致性,Z-R 關(guān)系變化、雷達(dá)參數(shù)調(diào)整、暴雨時(shí)的衰減等因素都能引起雷達(dá)累積雨量的誤差,而雨量計(jì)能在點(diǎn)上精確估測降水。大量研究表明,即使是經(jīng)過質(zhì)量控制和誤差分析處理的雷達(dá)資料,用地面雨量計(jì)測值實(shí)時(shí)校準(zhǔn)相應(yīng)雷達(dá)的估測結(jié)果仍十分必要。綜合 2 個(gè)系統(tǒng)的資料,能獲得雨量計(jì)站點(diǎn)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和雷達(dá)較大空間探測區(qū)域內(nèi)的降水?dāng)?shù)據(jù)。

張培昌等[29]總結(jié)提出單點(diǎn)校正法、平均校正法、空間校準(zhǔn)法、距離加權(quán)法、卡爾曼(Kalman)濾波校準(zhǔn)法,以及變分校正法等利用雷達(dá)聯(lián)合雨量計(jì)進(jìn)行雷達(dá)定量估測降水的方法。張利平等[30]提出基于流域雨量計(jì)實(shí)測降雨量與對應(yīng)的雷達(dá)探測降雨量作相關(guān)分析的校準(zhǔn)方法,并認(rèn)為該種聯(lián)合法計(jì)算的網(wǎng)格降水空間變異特性明顯,與雷達(dá)探測的降水分布相一致,能很好地體現(xiàn)出 1 個(gè)區(qū)域降水的空間變異性,獲得更高空間分辨率的降水分布。田付友[31]在平均和距離加權(quán)等校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上,提出局地平均校準(zhǔn)方法,此法在具體校準(zhǔn)過程中既考慮了降水的局地一致性,同時(shí)又利用了校準(zhǔn)雨量計(jì)單點(diǎn)估測降水準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

在聯(lián)合雨量計(jì)校準(zhǔn)的估測方法研究方面,雨量計(jì)在點(diǎn)上能較精確地測量降水,校準(zhǔn)的目的是盡可能縮小雷達(dá)和雨量計(jì)在雨量站點(diǎn)上測量的偏差,用客觀分析方法在空間上提取校準(zhǔn)場,從而得到降水分析場。Brandes 在 20 世紀(jì) 70 年代中期引入Brandes 客觀分析方法估測降水[32];到 80 年代初期,Koistinen 等[33]加入距離因子對 Brandes 的方法進(jìn)行了改進(jìn);2 a 之后,Collier 等[34]提出分區(qū)域校準(zhǔn)方法,引入與降水類型有關(guān)的校準(zhǔn)因子。通常,聯(lián)合雨量計(jì)校準(zhǔn)方法適用于業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用,與不用雨量計(jì)校準(zhǔn)的方法相比更具穩(wěn)定性。用于業(yè)務(wù)的雷達(dá)估測降水系統(tǒng),以美國 NEXRAD 的降水處理子系統(tǒng)(Precipitation Processing Subsystem,PPS)算法[35]為代表,該算法充分考慮了各種誤差因子的影響,是一種綜合算法,可提供不同時(shí)間空間尺度的降水分布。

2002 年,Krajewski 等[36]根據(jù) 2 種產(chǎn)品由于采樣方式不同指出,為減少隨機(jī)偏差,雷達(dá)估測和雨量站觀測降水都需要考慮延長對比的時(shí)間尺度,即累積到一定時(shí)間再作對比。隨后,St-Hilaire 等[37]研究指出,對下墊面研究區(qū)域上的雨量站進(jìn)行加密,可提高雷達(dá)估測降水?dāng)?shù)據(jù)的精度;雖然雷達(dá)估測降水能提供足夠精度的降水輸入數(shù)據(jù),依然需要通過相關(guān)應(yīng)用來檢驗(yàn)。2006 年,Kalinga 等[38]研究認(rèn)為,僅利用雨量站校準(zhǔn)雷達(dá)(WSR-88D III)降水產(chǎn)品是不夠的,還需配合徑流的模擬結(jié)果,以及與實(shí)測流量之間的比較分析評價(jià)雷達(dá)降水產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 雷達(dá)定量估測降水的耦合應(yīng)用

雷達(dá)可探測較大范圍的降水分布,是高時(shí)空分辨率降水?dāng)?shù)據(jù)的重要來源。在氣象雷達(dá)研究的初期,水文學(xué)家就意識(shí)到雷達(dá)提供地面降水信息的潛力。最早在 20 世紀(jì) 70 年代,英國的西北雷達(dá)項(xiàng)目(United Kingdom's North West Radar Project)就建立起該國第 1 個(gè)自動(dòng)雷達(dá)站,開始提供實(shí)時(shí)降水信息,該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是耦合天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)到洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)中[39]。從此,耦合多普勒天氣雷達(dá)的應(yīng)用研究在國內(nèi)外逐步發(fā)展。

3.1 雷達(dá)估測降水在洪水預(yù)報(bào)模型中的應(yīng)用

Finnerty 等[40]在 20 世紀(jì) 90 年代后期分析了Sacramento 水文模型中的時(shí)空尺度(分辨率)對雷達(dá)獲取降水資料的敏感性,結(jié)果表明,地表徑流、壤中流和補(bǔ)給的基流對時(shí)空尺度最敏感,蒸(散)發(fā)和河道入流的組分也較敏感,同時(shí),提出改進(jìn)該模型參數(shù)的方法。雷達(dá)估測降水存在誤差,結(jié)果是否能提供足夠精度的降水輸入數(shù)據(jù),仍需要驗(yàn)證。許多研究都認(rèn)為,通過水文模型模擬應(yīng)用,是檢驗(yàn)雷達(dá)降水精度的有效方法。Borga[41]用 1 個(gè)集總式水文模型對比雷達(dá)校正前后模擬的效果,認(rèn)為借助于水文模擬并對比實(shí)測徑流過程,仍是評價(jià)雷達(dá)數(shù)據(jù)產(chǎn)品適用性的可行方法。Hossain 等[42]對雷達(dá)數(shù)據(jù)用于水文模型中的不確定性進(jìn)行了敏感性分析,結(jié)果表明對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)校正是必要的,并認(rèn)為因使用雷達(dá)數(shù)據(jù)引起徑流預(yù)報(bào)的不確定影響,接近于使用地面密集雨量站網(wǎng)數(shù)據(jù)。Cole 等[43]應(yīng)用集總式和分布式水文模型,對雨量站觀測、雷達(dá)估測降水進(jìn)行比較,認(rèn)為校正雷達(dá)降水是分析雷達(dá)降水精度的主要方法。近年來,英國生態(tài)和水文研究中心(CEH)的很多研究成果已在洪水預(yù)報(bào)警報(bào)業(yè)務(wù)部門應(yīng)用,主要有水文雷達(dá)試驗(yàn)(HYREX)[44]、河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)(RFFS)[45]。由 RFFS 和 HYRAD(水文雷達(dá)系統(tǒng))共同組成的實(shí)時(shí)降水與河流預(yù)報(bào)系統(tǒng)己在泰晤士流域等多個(gè)洪水預(yù)報(bào)中心進(jìn)行日常業(yè)務(wù)應(yīng)用[46]。

在國內(nèi),雷達(dá)估測降水在洪水預(yù)報(bào)模型中的應(yīng)用潛力日益受到關(guān)注,并取得一些研究成果。劉金濤等[47]將雷達(dá)測雨、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入流域洪水預(yù)報(bào)中,建立基于分布式水文模型的洪水預(yù)報(bào)模型,已被應(yīng)用到淮河南岸最大支流史灌河流域,建立的基于柵格單元的分布式水文模型很好地解決了雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)與水文模型的耦合問題。李致家等[48]以雷達(dá)估測的降水?dāng)?shù)據(jù)為分布式水文模型的降水?dāng)?shù)據(jù)輸入,基于柵格單元內(nèi)的分布式產(chǎn)流模型,結(jié)合淮河史灌河流域蔣家集站水文資料進(jìn)行洪水預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)結(jié)果表明,采用由雷達(dá)測得的降水?dāng)?shù)據(jù)作為輸入的洪水預(yù)報(bào)過程與采用地面雨量計(jì)數(shù)據(jù)的洪水預(yù)報(bào)過程精度相當(dāng)。許繼軍等[49]利用雷達(dá)測雨數(shù)據(jù)作為分布式水文模型的輸入,對宜昌氣象雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)的 2 個(gè)小流域(清港河、香溪)做示例研究,結(jié)果表明,雷達(dá)測雨能捕獲降水的空間分布,與分布式水文模型的耦合,是提高流域洪水預(yù)報(bào)精度的有效途徑之一。劉曉陽等[50]運(yùn)用雷達(dá)聯(lián)合少量雨量計(jì)方法估測流域面雨量對史灌河流域獲取的水文觀測資料和 TOPMODEL 進(jìn)行降雨徑流模擬,經(jīng)過1500 h 時(shí)間序列比較試驗(yàn)表明,雷達(dá)估測和雨量計(jì)測量的面雨量均能較好地模擬每小時(shí)流域出口蔣集的出流量;數(shù)值試驗(yàn)還表明,雷達(dá)估測面雨量在某一時(shí)段上的均值誤差作為 1 個(gè)指標(biāo)可較好地反映其應(yīng)用于降水徑流模擬時(shí)的精度。張亞萍等[51]以淠河上游的佛子嶺閉合流域的 6 個(gè)子流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,用地面雨量計(jì)和雷達(dá)–雨量計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn) 2 種方法進(jìn)行流域面雨量計(jì)算,將 2 種方法計(jì)算的面雨量作為TOPMODEL 降水-徑流模型的輸入,并對模型輸出結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明,雷達(dá)估測降水精度是否高于單獨(dú)用地面雨量計(jì)計(jì)算的精度,在一定程度上取決于用于校準(zhǔn)的地面雨量計(jì)數(shù)目;不同方法計(jì)算的某一子流域面雨量的差別越大,則水文模型輸出的該子流域徑流的差別也越大。

3.2 雷達(dá)測雨在城市洪澇監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

根據(jù)信息源和降水估算的原理不同,暴雨監(jiān)測方法通常有 3 種:地面自動(dòng)站雨量計(jì)監(jiān)測、多普勒天氣雷達(dá)估測、氣象遙感衛(wèi)星估算。雷達(dá)測雨數(shù)據(jù)可較好地反映城區(qū)降水的時(shí)間空間分布,為城市內(nèi)澇預(yù)警延長預(yù)見期。國內(nèi)外在該領(lǐng)域也做了大量的研究與應(yīng)用嘗試,且綜合應(yīng)用雷達(dá)測雨、水文氣象耦合、多源降水信息融合、數(shù)字高程模型和基于專家經(jīng)驗(yàn)的人機(jī)交互智能模式等,已成為國際上城市實(shí)時(shí)暴雨洪澇防御的研究和發(fā)展方向[52],為城市防洪排澇調(diào)度和減災(zāi)決策提供技術(shù)支持。

早在 20 世紀(jì) 90 年代,日本已建立耦合氣象雷達(dá)預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度和分布的、基于分布式水文模型的城市暴雨洪水管理模型;美國也在同期將耦合雷達(dá)的內(nèi)澇治理工作提升到業(yè)務(wù)化水平,并提出最佳管理措施;同一時(shí)期,英國基于 HYRAD,采用 SUDS(可持續(xù)城市排水系統(tǒng))以防治城市暴雨洪澇[53]。Gabriele 等[54]通過地面雨量計(jì)與天氣雷達(dá)聯(lián)合觀測,研究美國北卡羅來納州夏洛特城市的暴雨洪水,結(jié)果表明,雷達(dá)測雨能提供城市景觀的特大洪水響應(yīng)的區(qū)域信號變化相應(yīng)的降雨信息,以此掌握城市暴雨洪水中的極端性、時(shí)空變異特征,為城市化進(jìn)程中特大內(nèi)澇洪水響應(yīng)提供技術(shù)支撐。Enrique等[55]將雷達(dá)的臨近預(yù)報(bào)與分布式水文模型的時(shí)空耦合模式應(yīng)用于美國俄克拉何馬城區(qū)(盆地)的暴雨洪水研究中,結(jié)果表明,基于雷達(dá)的持久性預(yù)測的城區(qū)降水,在城市暴雨洪水演變過程的防治預(yù)警中具有強(qiáng)大優(yōu)勢。

雷達(dá)測雨在城市洪澇監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用研究起步較晚,國內(nèi)目前還處在初始階段。劉志雨[56]在我國城市暴雨徑流變化成因分析中,提出建立地面自動(dòng)雨量站與氣象雷達(dá)所測降水之間的數(shù)據(jù)融合模型,兼得兩者對城市暴雨洪水監(jiān)測的優(yōu)勢,以獲得能較好反映空間變異性且具有較高精度的降水?dāng)?shù)據(jù)信息。潘安君等[57]將雷達(dá)估測降水的最優(yōu)化方法應(yīng)用于分布式城市洪水模型中,認(rèn)為天氣雷達(dá)能通過云團(tuán)的移動(dòng)趨勢預(yù)測數(shù)小時(shí)后的暴雨動(dòng)態(tài),在城市洪水預(yù)報(bào)預(yù)警中具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

至今為止,雷達(dá)測雨應(yīng)用研究仍處于發(fā)展階段,但空間和時(shí)間高分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)的水文學(xué)應(yīng)用已顯示出雷達(dá)測雨的巨大潛力,特別是在大范圍的流域和無雨量站的地區(qū),雷達(dá)測雨的優(yōu)越性更明顯??梢姡走_(dá)測雨技術(shù)在水文學(xué)上具有廣泛的應(yīng)用前景。

雖在聯(lián)合雨量計(jì)校正雷達(dá)估算結(jié)果和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的研究均取得不少進(jìn)展,但目前雷達(dá)探測降水的應(yīng)用瓶頸仍是精度不夠。因此,如何提高雷達(dá)估算結(jié)果的精度,將是未來很長一段時(shí)間雷達(dá)探測降水應(yīng)用研究的重要課題。

多普勒天氣雷達(dá)探測降水,無論是在流域水文模型中,還是在城市內(nèi)澇監(jiān)測預(yù)警方面,要提高應(yīng)用效果,都必須考慮到不同區(qū)域位置、降水類型和強(qiáng)度等因素。只有如此,多普勒天氣雷達(dá)資料的優(yōu)勢才能得以充分發(fā)揮,技術(shù)和資料也才能在城市暴雨、流域等洪水預(yù)報(bào)領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。

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