王洪鋒，張暉，李強，盧昌盛

1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京100094 2.中國電子科技集團(tuán)22所，青島266107

基于數(shù)值預(yù)報模式的Ka頻段衛(wèi)星系統(tǒng)降雨衰減短時預(yù)測

王洪鋒1,*，張暉1，李強1，盧昌盛2

1.北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心，北京100094 2.中國電子科技集團(tuán)22所，青島266107

為精確地實現(xiàn)Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預(yù)測，提出了一種基于數(shù)值天氣預(yù)報的降雨衰減短時預(yù)測方法，設(shè)計了降雨衰減預(yù)測流程，并應(yīng)用上述方法對某地區(qū)發(fā)生的降雨過程進(jìn)行研究，比較分析了降雨衰減的實測值和基于數(shù)值預(yù)報的降雨衰減預(yù)測值。試驗結(jié)果表明，基于數(shù)值預(yù)報的降雨衰減和實測值變化趨勢符合較好，誤差較小，在20 GHz頻段平均誤差約為1.31 dB，在30 GHz頻段平均誤差約為2.39 dB，在20 GHz頻段平均誤差約為1.31 dB,在30 GHz頻段平均誤差約為2.39 dB。該方法可實現(xiàn)Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的短時降雨趨勢預(yù)測。

數(shù)值天氣預(yù)報；Ka頻段；降雨衰減；短時預(yù)測；衛(wèi)星通信

Ka頻段在星地空間傳播時受大氣環(huán)境影響很大，尤其是降雨會帶來信號強度的嚴(yán)重衰減。根據(jù)實測和估算，在Ka頻段短時間內(nèi)降雨的衰減可高達(dá)40 dB1-2]，如此大的衰減量將造成星地通信鏈路中斷，嚴(yán)重制約了Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用度，影響到數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)規(guī)劃和資源分配。因此在Ka頻段通信系統(tǒng)設(shè)計中，必須考慮降雨衰減的影響，留有足夠余量。同時在系統(tǒng)建成后，準(zhǔn)確實現(xiàn)短時(未來數(shù)小時或數(shù)十分鐘)預(yù)測降雨衰減趨勢，并據(jù)此進(jìn)行動態(tài)資源分配，合理規(guī)劃通信業(yè)務(wù)，對于提高Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)工作效能具有重要意義。

傳統(tǒng)的Ka頻段降雨衰減預(yù)測都是基于歷史氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計建模給出長期的降雨特征統(tǒng)計和趨勢預(yù)測，更適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計階段，無法提供短時的降雨衰減預(yù)報。一些科學(xué)家提出利用氣象雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字天氣預(yù)報系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)來預(yù)報短期內(nèi)的通信傳播條件，將各種傳播影響的計算模型如降雨衰減模型，云、大氣衰減模型，閃爍變化，頻譜模型相結(jié)合最終得到衰減情況3-6]。同時，一些科學(xué)家提出了利用數(shù)值天氣預(yù)報和衛(wèi)星的觀測圖片進(jìn)行衰減情況預(yù)測和資源分配的方法，實時運轉(zhuǎn)可以對整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的可用率進(jìn)行衰減預(yù)報，并根據(jù)衰減情況進(jìn)行資源分配7-9]。本文基于數(shù)值天氣預(yù)報方法進(jìn)行Ka頻段衛(wèi)星系統(tǒng)降雨衰減的短時預(yù)報研究，可以精確地實現(xiàn)Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預(yù)測，為Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)短時可用度分析提供參考，進(jìn)而實現(xiàn)實時規(guī)劃數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)和資源分配。

1 數(shù)值天氣預(yù)報模型研究

數(shù)值天氣預(yù)報是指根據(jù)各類氣象資料，在一定的初值和邊界條件下，通過數(shù)值計算求解描述天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組，來預(yù)測未來一段時間的大氣運動和天氣情況的方法。作為一種定量的客觀預(yù)報方法，選取適合于降雨衰減特性研究的數(shù)值模式無疑是進(jìn)行衰減特性預(yù)測研究的關(guān)鍵之一。

對于幾十到幾百千米空間內(nèi)未來幾小時到幾天時間內(nèi)降雨的預(yù)報，中尺度大氣模式是一種尺度合適的研究工具。天氣研究與預(yù)報模式(Weather Research and Forecasting，WRF)是由美國多家科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的基于業(yè)務(wù)預(yù)報和天氣研究需要而設(shè)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式10]。WRF適用于幾米到數(shù)千千米尺度現(xiàn)象的研究，可應(yīng)用在理想模型研究、參數(shù)化研究、數(shù)據(jù)同化研究、預(yù)報研究、實時預(yù)報、耦合模式應(yīng)用和教學(xué)等領(lǐng)域，目前已在多個國際機構(gòu)應(yīng)用于實際的業(yè)務(wù)預(yù)報。本文基于WRF來進(jìn)行降雨衰減特性的研究。

WRF模型的控制方程是全彈性大氣非靜力平衡原始方程，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為10-13]：

1)水平方向采用ArakawaC網(wǎng)格點，垂直方向則采用地形追隨質(zhì)量坐標(biāo)，氣壓地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)的表達(dá)式為：

(1)

式中:ph為靜力氣壓;phs和pht是地面和模式大氣頂邊界氣壓。η隨高度而變化，η在地面為1，在模式頂為0。在坐標(biāo)空間與物理空間中，提供了此網(wǎng)格尺度的湍流公式。對于真實大氣的模擬，提供了4種地圖投影方式，這4種地圖投影分別為：蘭伯特投影、極射投影、麥卡托投影、經(jīng)緯度投影。

2)控制方程采用通量形式的歐拉方程。μ(x,y)代表了單位面積的大氣柱的質(zhì)量，因此，通量形式變量為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：φη為φ在η方向的分量。靜力氣壓診斷關(guān)系為：

(9)

狀態(tài)方程為：

(10)

式中：γ=cp/cv=1.4;Rd為干空氣氣體常數(shù)，p0為參考?xì)鈮海籉U、FK、FW、FΘ表示由模式物理過程、湍流混合、球面投影和地球旋轉(zhuǎn)引起的強迫項。

上述方程共同構(gòu)成了閉合方程。

3)時間積分方案采用的是時間分裂的積分方案，即低頻波部分采用3階Runge-Kutta時間積分方案，高頻聲波部分采用小時間步長積分?jǐn)_動變量控制方程組以保證數(shù)值穩(wěn)定性。定義預(yù)報變量,模式方程Φ=(U，K,W，Θ，Qm)，模式方程Φt=R(Φ)，Runge-Kutta通過以下3個步驟實現(xiàn)從Φt→Φt+1的積分：

(13)

式中：Δt為模式積分步長。對U，K，W，Θ等變量應(yīng)用式(13)可以用于閉合方程的求解。

4)針對不同的應(yīng)用場景提供多種不同的物理過程方案和邊界層參數(shù)化方案。

2 數(shù)值天氣預(yù)報模式設(shè)計

2.1WRF預(yù)報模式組成

WRF數(shù)值天氣預(yù)報模式主要模塊組成如圖1所示14]。

1)外部數(shù)據(jù)源：這部分主要是數(shù)據(jù)輸入接口，包括常規(guī)觀測數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)，以及來自于其他觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

2)預(yù)處理模塊(WRFPreprocessingSystem，WPS)：該模塊主要用來進(jìn)行實際數(shù)據(jù)仿真。功能包括定義仿真區(qū)域，計算地理柵格的緯度、經(jīng)度、地圖比例尺及其他有關(guān)參數(shù)，插入仿真區(qū)域的非時變的地理參數(shù)(如地域高度和土壤類型等)，將來自其他模式的時變氣象數(shù)據(jù)插值到仿真區(qū)域。此模塊的目的是為真實數(shù)據(jù)模擬提供背景場。

3)數(shù)據(jù)同化模塊(WRFDataAssimilation，WRFDA)：采取經(jīng)驗、統(tǒng)計(如三維變分、四維變分)或擴展卡爾曼濾波方法，對站點觀測、衛(wèi)星、雷達(dá)等觀測數(shù)據(jù)歸一處理，改善模擬所需的初始場和邊界條件。

4)數(shù)值預(yù)報主程序模塊：生成模擬所需的初始背景場和時變邊界條件，進(jìn)行數(shù)值積分運算。作為WRF模型的核心組成部分，它包含幾個用來進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真的初始化程序和數(shù)值積分程序。它主要有以下關(guān)鍵特征：采用完全可壓縮非靜力方程、完整的科氏和曲率條件、多種嵌套功能可選、具有多種地圖投影方案、2階到6階平流層積分選項、時分小步進(jìn)的聲波和重力波模型、地表、大氣和表面輻射云層等全面的物理特性選項，以及其他一些功能。

5)后處理模塊：對模式輸出結(jié)果進(jìn)行分析處理，圖形展示等。

2.2 星地鏈路降雨衰減預(yù)測流程

圖1 WRF模式模塊組成Fig.1 WRF model module diagram

采用WRF中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模式，根據(jù)降雨衰減預(yù)報的實際需要設(shè)定中心點經(jīng)緯度坐標(biāo)，區(qū)域大小，網(wǎng)格格點距，地形分辨率；同時設(shè)定物理化方案、預(yù)報時長、積分步長等參數(shù)如表1所示；采用全球模式GFS預(yù)報結(jié)果作為WRF的背景場；運用數(shù)據(jù)同化模塊將常規(guī)觀測數(shù)據(jù)(如探空數(shù)據(jù)、地面數(shù)據(jù)等)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)融合到背景場數(shù)據(jù)中，改善背景場數(shù)據(jù)質(zhì)量，以取得更好的降雨預(yù)報效果15]。在WRF模式的不同物理化參數(shù)方案中選用已研究有利于降雨預(yù)報的方案，在保持其他參數(shù)和背景場數(shù)據(jù)不變的情況下，結(jié)合降雨衰減實測數(shù)據(jù)，選擇效果較好的降雨強度預(yù)報參數(shù)方案。其中雨衰實測值主要通過降雨條件下衛(wèi)星遙測信號電平值的變化和衛(wèi)星接收上行遙控信號功率的變化來得到；雨衰預(yù)測值根據(jù)WRF預(yù)報結(jié)果和雨衰模型綜合得到16-17]。

表1 WRF模式設(shè)置

通過數(shù)值天氣預(yù)報得到降雨強度的三維空間分布，進(jìn)一步運用差值方法得到關(guān)心區(qū)域中電波鏈路上的降雨強度，然后基于無線電信息系統(tǒng)的參數(shù)，如載波頻率、極化特性以及通信仰角并利用雨衰減率計算方法得到區(qū)域的降雨衰減分布。系統(tǒng)流程如圖2所示。系統(tǒng)具體傳播鏈路的降雨衰減短期預(yù)報流程如圖3所示。

應(yīng)用數(shù)值天氣預(yù)報方法，利用降雨強度、雨頂高度、頻率、仰角等參數(shù)計算降雨衰減，其中雨頂高度由模式所得溫度三維場計算得到，應(yīng)用以下方法：

插值溫度T0位于第i層和第i+1層之間；兩層的高度分別為Pi、Pi+1；溫度分別為Ti、Ti+1；插得的溫度層高度Z0：

圖2 星地鏈路降雨衰減預(yù)測流程Fig.2 Rain attenuation prediction process of satellite ground link

圖3 鏈路雨衰減短時預(yù)報流程Fig.3 Link rain attenuation short time forecasting process

(14)

令T0=0℃，得到該點的雨頂高度。應(yīng)用基于數(shù)值模式的雨衰減預(yù)測可得到所需空間范圍內(nèi)關(guān)心時段的降雨強度、雨衰減等參數(shù)。

3 降雨過程預(yù)測結(jié)果分析

3.1 降雨衰減預(yù)測

應(yīng)用上述方法對某地區(qū)發(fā)生的一次強度較大的降雨過程進(jìn)行研究。在兩個不同仰角22°和30°及兩個頻率20GHz和30GHz上，對星地鏈路上降雨衰減進(jìn)行預(yù)測。未來某一時間的降雨強度空間分布如圖4所示，該時間不同仰角和頻率條件下的降雨衰減預(yù)報結(jié)果如圖5所示。

分析不同仰角及頻率的預(yù)測結(jié)果，比較圖5(a)和圖5(b)以及圖5(c)和圖5(d)得出在相同頻率上低仰角的降雨衰減比高仰角的大；比較圖5(a)和圖5(c)以及圖5(b)和圖5(d)得出在同一仰角上降雨衰減隨著頻率的增加而增大；比較圖4和圖5可以得出降雨衰減隨著降雨量的增加而增大。

圖4 降雨強度空間分布Fig.4 Spatial distribution of rainfall intensity

圖5 不同頻率不同仰角的降雨衰減預(yù)測Fig.5 Rain attenuation prediction at different frequency and different elevation angles

3.2 降雨衰減比較分析

對當(dāng)?shù)剡B續(xù)4h的降雨量和降雨衰減進(jìn)行測量，并利用同一時段的當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和數(shù)值預(yù)報的降雨強度進(jìn)行降雨衰減的比較驗證，其中降雨量實測數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貓鰠^(qū)的雨量計觀測值，20GHz降雨衰減和30GHz降雨衰減數(shù)據(jù)來源于當(dāng)?shù)貓鰠^(qū)衛(wèi)星信標(biāo)觀測值。觀測和預(yù)報的降雨強度如和表2和圖6所示。

表2 降雨量的觀測和預(yù)報結(jié)果

圖6 數(shù)值預(yù)報結(jié)果Fig.6 Numerical prediction results

在20°仰角條件下對不同時間段、不同頻段的降雨衰減比較,結(jié)果見表3和圖7、圖8所示。

表3 降雨衰減結(jié)果對比

圖7 20 GHz降雨衰減結(jié)果比較Fig.7 Comparison of 20 GHz rainfall attenuation results

圖8 30 GHz降雨衰減結(jié)果比較Fig.8 Comparison of 30 GHz rainfall attenuation results

在另一時間窗口進(jìn)行的降雨衰減預(yù)測結(jié)果如表4所示。

表4 降雨衰減結(jié)果對比

通過短時預(yù)報結(jié)果比較可以看出，基于數(shù)值預(yù)報的降雨衰減和基于實測降雨強度計算獲得的降雨衰減變化趨勢符合較好，誤差較小，在20GHz頻段平均誤差約為1.31dB，在30GHz頻段平均誤差約為2.39dB。但由于數(shù)值天氣預(yù)報的中尺度預(yù)報特性，因此在某些時間上的降雨衰減預(yù)報存在一定的誤差，如表3、表4中T0+2至T0+3時間段內(nèi)30 GHz降雨衰減預(yù)報值與觀測值的誤差分別為6.91 dB和4.50 dB。針對這一情況，在進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮在預(yù)報數(shù)據(jù)源中，增加更加精確的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，改善預(yù)報結(jié)果和預(yù)報精度。

4 結(jié)束語

本文提出的基于數(shù)值天氣預(yù)報的Ka頻段降雨衰減短時預(yù)測方法，可以較精確地實現(xiàn)Ka頻段星地鏈路降雨衰減的短時趨勢和強度預(yù)測，為Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)短時可用度分析提供了參考，并為進(jìn)行數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)規(guī)劃和動態(tài)資源分配提供了依據(jù)。后續(xù)有必要通過對模型和數(shù)據(jù)源進(jìn)一步深入研究，從而推進(jìn)該方法的實用化和工程化。

References)

[1] 翟政安，唐朝京. Ka頻段衛(wèi)星通信鏈路雨衰對策J]. 中國空間科學(xué)技術(shù)，2010，30(3)：55-62.

ZHAI Z A，TANG C J.Fade countermeasure techniques for Ka-band satellite communication linksJ].Chinese Space Science and Technology，2010，30(3):55-62(in Chinese).

[2] 于淼. Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)雨衰特性及混合補償技術(shù)的研究D].吉林：吉林大學(xué),2015.

YU M. Research on rain attenuation characteristics and mixed rain attenuation compensation technology of Ka-band satellite communication systemD].JiLin：Jilin University，2015(in Chinese).

[3] BROWNING K A, COLLIER C G, LARKER P R, et al. On the forecasting of frontal rain using a weather radar networkJ]. Monthly Weather Review, 1982, 110(6): 534-552.

[4] YEO J X, LEE Y H, ONG J T. Rain attenuation prediction model for satellite communications in tropical regionsJ]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(11): 5775-5781.

[5] MONTERA L, MALLET C, BARTHES L, et al. Short-term prediction of rain attenuation level and volatility in Earth-to-Satellite links at EHF bandJ]. Nonlinear Processes in Geophysics, 2008, 15(4): 631-643.

[6] WATSON R J, HODGES D D. Real-time propagation forecasting for Earth-space communicationC]∥Antennas & Propagation Conference,2009.LAPC 2009.Loughborough.IEEE,2009:31-35.

[7] BOVITH T, NIELSEN A, HANSEN L, et al. Detecting weather radar clutter by information fusion with satellite images and numerical weather prediction model outputC]∥2006 IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing. IEEE, 2006: 511-514.

[8] MEISCHNER P.Weather radar: principles and advanced applicationsM]. Springer Science & Business Media, 2005.

[9] ZHANG X, ANAGNOSTOU E N, FREDIAANI M, et al. Using NWP simulations in satellite rainfall estimation of heavy precipitation events over mountainous areasJ]. Journal of Hydrometeorology, 2013, 14(6): 1844-1858.

[10] SKAMAROCK W C, KLEMP J B, DUDHIA J, et al. A description of the advanced research WRF version 2R]. National Center For Atmospheric Research Boulder Co Mesoscale and Microscale Meteorology Div, 2005.

[11] 李宏江. WRF 模式在人工影響暴雨強度中的應(yīng)用D]. 南京：南京信息工程大學(xué), 2006.

LI H J.Apply of WRF model in artificial impact of storm rainfall intensityD]. Nanjing：Nanjing Unviersity of Information Science & Technology，2006(in Chinese).

[12] 王佳. WRF 模式在調(diào)節(jié)大氣降水的數(shù)值試驗研究D]. 南京：南京信息工程大學(xué), 2008.

WANG J.Numerical experiment research of regulating the atmospheric precipitation by WRF modelD]. Nanjing：Nanjing Unviersity of Information Science & Technology，2008(in Chinese).

[13] 徐慧燕. WRF 模式中的邊界層參數(shù)化比較試驗D]. 杭州：浙江大學(xué), 2013.

XU H Y. Study of planetary boundary layer schemes in the WRF model in Lower Reaches of the Yangtze RiverD].Hangzhou:Zhejiang University, 2013(in Chinese).

[14] MICHALAKES J, DUDHIA J, GILL D, et al. The weather research and forecast model: software architecture and performanceC]∥Proceedings of the 11th ECMWF workshop on the use of high performance computing in meteorology, 2005: 156-168.

[15] GARCIA M O, JEANNIN N, FERAL L, et al. Use of WRF model to characterize propagation effects in the troposphereC]∥2013 7th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP).IEEE, 2013: 1377-1381.

[16] International Telecommunication Union-Radiocommunication (ITU-R). Specific attenuation model for rain for use in prediction methods, Recommendation ITU-R P.838S]. Geneva:International Telecommunication Union, 1997.

[17] ISLAM R M D, ABDULRAHMAN Y A, RAHMAN T A. An improved ITU-R rain attenuation prediction model over terrestrial microwave links in tropical regionJ]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2012, 2012(1): 1.

(編輯：高珍)

Short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction

WANG Hongfeng1,*，ZHANG Hui1，LI Qiang1，LU Changsheng2

1.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter，Beijing100094,China2.The22ndInstituteofCETC，Qingdao266107，China

In order to accurately predict the short-term trend and intensity of rain attenuation in Ka-band satellite ground link,short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction was introduced,and the prediction process was designed. Then one rainfall process in a region was studied by using the method mentioned above,and the measured values of rainfall attenuation and the forecast value of rainfall attenuation based on numerical forecast were compared and analyzed. The experimental results show that the error of rainfall attenuation is small between the forecast values and measured values, and their variation trend is in good agreement.This method can be used for short-term rainfall prediction of Ka-band satellite communication system.

numerical weather prediction；Ka-band；rain attenuation；short-term prediction；satellite communication

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0008

2016-05-04；

2016-08-30；錄用日期：2016-11-24；

時間：2017-02-16 18:18:52

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170216.1818.007.html

王洪鋒,張暉,李強,等.基于數(shù)值預(yù)報模式的Ka頻段衛(wèi)星系統(tǒng)降雨衰減短時預(yù)測J].中國空間科學(xué)技術(shù),2017,37(1)：82-88.WANGHF,ZHANGH,LI,etal.Short-timerainattenuationpredictionforKa-bandsatellitecommunicationsystembasedonnumericalweatherpredictionJ].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(1)：82-88(inChinese).

V556.8

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通訊作者：王洪鋒(1977-)，男，博士，高級工程師，econtribution@163.com，研究方向為航天測控等