張 宇

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

雷達(dá)在水文預(yù)報(bào)應(yīng)用中的研究進(jìn)展

張 宇

(吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉 133000)

吉林省在進(jìn)行水文情況預(yù)測(cè)時(shí)，會(huì)應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)，雷達(dá)可以對(duì)雨區(qū)進(jìn)行跟蹤，了解暴雨走向及降雨量的變化。在分析雷達(dá)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)國內(nèi)雷達(dá)預(yù)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，對(duì)未來雷達(dá)測(cè)雨的前景和發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

雷達(dá)；水文預(yù)報(bào)；應(yīng)用；研究進(jìn)展

在進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的時(shí)候，需要獲得準(zhǔn)確的水文觀測(cè)資料，這樣才能對(duì)降雨時(shí)空分布、下墊面特征及人類活動(dòng)等有準(zhǔn)確的掌握。在水文觀測(cè)資料中，降水?dāng)?shù)據(jù)至關(guān)重要，降水?dāng)?shù)據(jù)發(fā)生變化就會(huì)對(duì)徑流總量、洪峰流量及洪峰出現(xiàn)的時(shí)間產(chǎn)生影響，降水分布不均勻也會(huì)影響水文模型，因此，應(yīng)注重水文預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提升，從而更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)降雨。目前，預(yù)測(cè)降雨的工具主要是雨量計(jì)，但是由于其具有空間局限性，不適合大范圍的降雨預(yù)測(cè)，也不能將降雨的空間分布反映出來，因此，雨量計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，與真實(shí)的水文模型之間的差異性也比較大。隨著遙感技術(shù)的出現(xiàn)，許多水文工作都將雷達(dá)技術(shù)和水文預(yù)報(bào)工作相結(jié)合，大大提升了水文預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

1 雷達(dá)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

雷達(dá)作為一種主動(dòng)式的遙感設(shè)備，其在測(cè)試中具有分辨率高、測(cè)試準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能夠獲得較大面積的降水信息，因此，將雷達(dá)應(yīng)用于災(zāi)害性天氣、短時(shí)天氣及降水天氣等預(yù)報(bào)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。雷達(dá)可對(duì)降水、警戒災(zāi)害、降水能力等進(jìn)行評(píng)估，短時(shí)間內(nèi)獲得大范圍的降水信息。吉林省內(nèi)分布著松花江、遼河、鴨綠江等河流，降水量十分豐沛，因此需要做好水文預(yù)報(bào)、水庫儲(chǔ)水及江河流域的短時(shí)預(yù)報(bào)，雷達(dá)在這個(gè)過程中就發(fā)揮了十分重要的作用。

1.1 雷達(dá)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的原理

雷達(dá)工作時(shí)會(huì)通過天氣發(fā)出電磁波，當(dāng)電磁波碰到降水或一些云目標(biāo)時(shí)，一部分的電磁波就會(huì)發(fā)生反射，雷達(dá)接收到這些反射的電磁波時(shí)，就會(huì)對(duì)信號(hào)波的輕度進(jìn)行處理，再確定降水和云存在的位置，做出水文預(yù)報(bào)。雷達(dá)能夠計(jì)算電磁波發(fā)射時(shí)間和脈沖接受信號(hào)之間的時(shí)間差，根據(jù)電磁波傳輸?shù)乃俣扔?jì)算云雨區(qū)和雷達(dá)之間的距離。雷達(dá)還可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)來獲得雷達(dá)和目標(biāo)物之間的方位角和仰角，確定目標(biāo)物的空間位置，因此雷達(dá)除了能對(duì)降水和災(zāi)害天氣進(jìn)行預(yù)測(cè)外，還能對(duì)降水情況進(jìn)行定量測(cè)試。

1.2 雷達(dá)水文測(cè)試中反射因子和降水強(qiáng)度之間的關(guān)系

雷達(dá)氣象方程能夠計(jì)算目標(biāo)物對(duì)電磁波的散射能力，通過回波的強(qiáng)度對(duì)降水區(qū)的物理情況進(jìn)行判斷，如下所示：

在公式中，雷達(dá)反射因子Z是根據(jù)平均接收功率計(jì)算出來的。由于降水粒子并不是均勻分布的，因此可以將Z用以下公式表示：

Z=ARb

該公式中，A和b都是由滴譜資料獲得的常數(shù)，確定降水區(qū)的反射因子，就能準(zhǔn)確計(jì)算降水強(qiáng)度。在具體應(yīng)用過程中，由于吉林省不同季節(jié)的降水類型并不一樣，因此不能根據(jù)一次的滴譜數(shù)據(jù)對(duì)其他時(shí)期的降水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，還需要根據(jù)具體情況來確定Z-R的關(guān)系。

2 雷達(dá)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

利用雷達(dá)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的研究最早始于20世紀(jì)40年代，但是具體應(yīng)用則是從20世紀(jì)90年代開始的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)處理接收降水回波的效率大大提升，雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)也為降水時(shí)空分布提供了新的信息來源。目前，美國、英國及日本已將雷達(dá)測(cè)量水文應(yīng)用到實(shí)踐中，我國近年來也加緊了雷達(dá)氣象事業(yè)的發(fā)展，開發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品。

在水文預(yù)報(bào)過程中，降水量是十分重要的變量，水文測(cè)試需要獲得一個(gè)面上的降水情況，而雨量計(jì)只能測(cè)試單點(diǎn)的降水情況，而且在測(cè)試區(qū)域會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)降水的情況，這樣雨量計(jì)測(cè)量的結(jié)果就不具有普遍性。雷達(dá)反演降水技術(shù)的不斷發(fā)展，為面雨量的測(cè)試指明了新的研究方向，目前國內(nèi)外利用雨量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì)降水主要應(yīng)用的是平均校準(zhǔn)法(系數(shù)法)、最優(yōu)Z-R法，最優(yōu)插值校準(zhǔn)法等。這些方法的預(yù)測(cè)效果十分顯著，但在具體的變分計(jì)算過程中，對(duì)雨量站分析方案和變分參數(shù)的調(diào)整要求較高，對(duì)雨量站的密度也有較高的要求，因此實(shí)際應(yīng)用效果受到限制。目前，如何將雷達(dá)探測(cè)信息和雨量計(jì)實(shí)測(cè)信息結(jié)合起來，成為各國主要的研究方向。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

外國利用雷達(dá)技術(shù)對(duì)水文情況進(jìn)行預(yù)報(bào)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了多年，美國和英國建立了雷達(dá)和雨量計(jì)聯(lián)合估計(jì)降水模型。大量的模型模擬表明，雷達(dá)和雨量計(jì)聯(lián)合估計(jì)降水模型對(duì)降水類型的依賴性過大，對(duì)大范圍內(nèi)的降水改進(jìn)并不明顯，只有對(duì)流性的降水預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。而降水空間分布情況對(duì)雷達(dá)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有主要影響，如果能對(duì)降水空間分布變化進(jìn)行更加準(zhǔn)確的描述，改變水文預(yù)報(bào)模型，就能大大提升水文預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。國外在降水時(shí)空分布對(duì)徑流影響這方面進(jìn)行了較為廣泛的研究。Pessoa等對(duì)5場(chǎng)暴雨進(jìn)行研究，用5min、10min和30min的雷達(dá)測(cè)得降雨累計(jì)。結(jié)果表明，水文研究對(duì)時(shí)間的分辨率是比較敏感的。Giannoni等人在研究中發(fā)現(xiàn)，在觀測(cè)降水洪峰流量的過程中，1h的流量觀測(cè)值和實(shí)測(cè)值相差不大，而3h的流量觀測(cè)值和實(shí)測(cè)值之間則有一定的差異，實(shí)測(cè)值比觀測(cè)值少25%。Wilson等人在研究中發(fā)現(xiàn)，降水空間變化和水文過程線之間存在著一定關(guān)系，空間降雨模式出現(xiàn)差錯(cuò)，就會(huì)對(duì)水文預(yù)報(bào)過程產(chǎn)生明顯的影響，洪峰流量和洪峰出現(xiàn)的時(shí)間也有誤差，而局部對(duì)流性降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的影響更大。Pessoa等在研究中用不同分辨率的雷達(dá)對(duì)降水情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同分辨率的預(yù)測(cè)結(jié)果是不一致的。Borga研究了雷達(dá)水文預(yù)報(bào)誤差和徑流模擬，結(jié)果表明，不同雷達(dá)誤差對(duì)徑流模擬的印象不同。Collischonn等人利用定量進(jìn)行降水預(yù)報(bào)，提升了預(yù)報(bào)精度。目前，美國、英國對(duì)雷達(dá)水文預(yù)報(bào)的研究已經(jīng)向全面化的方向轉(zhuǎn)變，基于雷達(dá)測(cè)試的水文和數(shù)值預(yù)報(bào)模式COST717計(jì)劃也已經(jīng)完成，未來雷達(dá)預(yù)報(bào)水文的準(zhǔn)確性將大大增加。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比發(fā)達(dá)國家，我國雷達(dá)在水文建設(shè)中的應(yīng)用較晚，20世紀(jì)50年代，中國氣象科學(xué)研究院才引進(jìn)了英國的X波段、DECCA雷達(dá)。近年來，我國雷達(dá)測(cè)雨的研究取得了重要進(jìn)展。2001年，任立良和劉新仁利用雷達(dá)對(duì)淮河流域進(jìn)行流量測(cè)量，取得了較好的成果。劉曉陽等人在研究中發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)測(cè)雨比雨量計(jì)的模擬方法更具優(yōu)勢(shì)。許繼軍等人在研究中發(fā)現(xiàn)，降雨信息的缺失是導(dǎo)致水文預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的根本原因，因?yàn)榧质∮性S多山區(qū)，雨量站比較稀疏，測(cè)量的結(jié)果就更加不準(zhǔn)確。在探究過程中，只選擇小流域進(jìn)行研究，因此，要提升雷達(dá)水文預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，就要使降雨空間分布和分布式水文模型相吻合。高波等人在研究中指出，可以將天氣雷達(dá)、氣象衛(wèi)星及水情自動(dòng)遙測(cè)信息與常規(guī)的水文信息結(jié)合起來，進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)和蓄水時(shí)間的選擇。

3 結(jié)語

目前，我國利用雷達(dá)進(jìn)行水文預(yù)報(bào)的研究和國外相比差距較大，主要還集中于長(zhǎng)江流域和淮河流域的研究，對(duì)吉林省松花江的水文預(yù)報(bào)研究比較少，未來，吉林省要加強(qiáng)相關(guān)研究。隨著我國新一代雷達(dá)網(wǎng)的建成，雷達(dá)進(jìn)行水文測(cè)試的準(zhǔn)確性將會(huì)提升，為吉林省的生產(chǎn)帶來便利。

[1] 胡彩虹，張青山，楊帆，等.雷達(dá)在水文預(yù)報(bào)應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32(1)：105-106.

[2] 張利平，趙志朋，胡志芳，等.雷達(dá)測(cè)雨及其在水文水資源中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].暴雨災(zāi)害，2008，27(4)：128-129.

[3] 魏林宏，郝振純，邱紹偉.雷達(dá)測(cè)雨在水文學(xué)中的應(yīng)用——影響預(yù)報(bào)精度的因素分析[J].水利水電技術(shù)，2004，35(5)：87-88.

Research progress of radar in hydrological forecasting

ZHANG Yu

(Yanbian Branch of Hydrology and Water Resources Bureau of Jilin Province, Yanji 133000, China)

In the process of hydrological forecasting, radar technology will be used in Jilin. The radar can track rain areas and get the changes of rainfall direction and rainfall. Based on the analysis of radar hydrological forecasting system, the research status of the domestic radar forecasting technology is discussed, and the prospect and development direction of the future radar rainfall forecasting are forecasted.

Radar; Hydrological forecasting; Application; Research progress

2016-09-15

張宇(1986-)，男，助理工程師，學(xué)士。

P406

B

1674-8646(2016)24-0016-02