畢節(jié)雷達(dá)觀測(cè)與倒天河水庫雨量監(jiān)測(cè)能力分析

聶祥 蔣基勇 吳姍 萬漢蕓 柯莉萍 張艷

摘? 要：畢節(jié)倒天河水庫蓄水量的多少直接關(guān)系到七星關(guān)城區(qū)城市生活用水的供給方式、防洪調(diào)度決策措施的制訂等，水庫蓄水信息、降雨過后水庫蓄水增加信息是防汛抗旱工作中的重要決策依據(jù)之一，分析畢節(jié)雷達(dá)觀測(cè)條件與倒天河水庫雨量監(jiān)測(cè)能力的關(guān)系，將更加有助于開展好基于雷達(dá)探測(cè)的水庫降雨量估測(cè)，同時(shí)對(duì)人工增雨過后的效益評(píng)估也具有重要意義。本文根據(jù)畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)與七星關(guān)區(qū)倒天河水庫水位的位置關(guān)系并結(jié)合畢節(jié)雷達(dá)探測(cè)模式和凈空條件進(jìn)行分析，結(jié)果表明：集雨區(qū)距離畢節(jié)雷達(dá)最遠(yuǎn)處為22km，最近處只有大約4.5km;畢節(jié)雷達(dá)在集雨區(qū)方向有一定的遮擋角;在不考慮雷達(dá)高度與水庫高度差異的情況下，雷達(dá)探測(cè)到集雨區(qū)上空的高度不高，最高只達(dá)到7.3km;水庫位于雷達(dá)西部，介于255～319°之間，大體呈長方形的樣式;根據(jù)位置、凈空條件和觀測(cè)模式等幾個(gè)方面綜合情況表明，采用3.4仰角的基本反射率因子或者組合反射率因子（CR37號(hào)產(chǎn)品或CR38號(hào)產(chǎn)品）作為反演降水的第一手資料是合適的，也是切實(shí)可行的，課題組在后期的分析應(yīng)用中將主要采用37號(hào)組合反射率因子產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)觀測(cè);水庫;雨量監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：S16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181032055

引言

畢節(jié)新一代多普勒天氣雷達(dá)（CINRAD/CD）從2005年建成并投入運(yùn)行以來，在氣象防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮了越來越多的重要作用，尤其在冰雹、暴雨（短時(shí)強(qiáng)降水）、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)以及人工影響天氣工作中作用越來越突出，是畢節(jié)市縣（區(qū)）氣象預(yù)報(bào)服務(wù)、人工影響天氣、防汛減災(zāi)工作中不可或缺的工具之一。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)氣象服務(wù)需求的增加，雷達(dá)的應(yīng)用和服務(wù)領(lǐng)域在不斷擴(kuò)展。當(dāng)前，利用天氣雷達(dá)進(jìn)行面雨量預(yù)報(bào)研究，是順應(yīng)我國防汛抗旱和氣象防災(zāi)減災(zāi)需要的又一項(xiàng)重要舉措，并將會(huì)發(fā)揮其越來越重要的作用。利用雷達(dá)回波資料進(jìn)行水庫面雨量估計(jì)就是其中的一項(xiàng)研究內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步分析水庫蓄水量增加情況，便于黨政部門根據(jù)天氣和降水情況進(jìn)行決策調(diào)度。但是，由于雷達(dá)探測(cè)模式、各地雷達(dá)的凈空環(huán)境、雷達(dá)到水庫的遠(yuǎn)近等對(duì)雷達(dá)的探測(cè)應(yīng)用能力都有不同，因此各地在開展雷達(dá)面雨量預(yù)報(bào)研究前，一般都需要進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)能力分析。本文將根據(jù)畢節(jié)雷達(dá)與水庫的位置關(guān)系并結(jié)合畢節(jié)雷達(dá)探測(cè)模式和凈空條件進(jìn)行分析，以便在后期的應(yīng)用工作中合理充分地用好畢節(jié)天氣雷達(dá)觀測(cè)資料。

1? ? ?位置關(guān)系

本文所指的畢節(jié)雷達(dá)，專指2005年建成并投入使用的“畢節(jié)新一代多普勒天氣雷達(dá)”（下同），其類型為CINRAD/CD，是國家局根據(jù)各地是否臨海、臨江等情況選定的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。每次體掃完成后要生成25種產(chǎn)品供業(yè)務(wù)使用。畢節(jié)雷達(dá)位于七星關(guān)舊城區(qū)的東北面，海拔高度大概1600米。而畢節(jié)市倒天河水庫及集雨區(qū)（本文簡稱集雨區(qū)，下同）大體位于七星關(guān)舊城區(qū)的西北面，海拔高度一般為1500～1700m。關(guān)于畢節(jié)雷達(dá)和集雨區(qū)二者的位置關(guān)系，聶祥等[1]進(jìn)行了大量的工作，研究結(jié)果表明：集雨區(qū)距離畢節(jié)雷達(dá)最遠(yuǎn)處22km，最近處僅為4.5km，面積大約為125km2，正好處于畢節(jié)雷達(dá)的西部;按照雷達(dá)的方位規(guī)則，以正北方向?yàn)?°順時(shí)針遞增，集雨區(qū)介于255～319°之間，大體呈長方形的樣式。圖1給出了集雨區(qū)與雷達(dá)的位置關(guān)系（圖中圓圈中心位置為畢節(jié)雷達(dá)所在處，字母A所在的曲線區(qū)域?yàn)榧陞^(qū)，以雷達(dá)為中心的圓圈每圈距離為15km，圖中其它曲線為縣區(qū)邊界。）

2? ? ?雷達(dá)凈空條件

雷達(dá)凈空條件主要包括周圍地物的遮擋情況和周圍的電磁干擾情況，但是需要考慮工作的方便快捷，需要兼顧交通、通訊、用水用電等基本情況。畢節(jié)雷達(dá)建設(shè)按照中國氣象局統(tǒng)一部署，于2004年3月由省市氣象局組織專人嚴(yán)格按照選址原則對(duì)雷達(dá)站址的地理位置、氣候條件、通信條件、電磁環(huán)境以及站址基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了綜合性實(shí)地考察，先后備選了潘家大山、靈峰寺和營盤山，經(jīng)過省市氣象部門反復(fù)論證以及無線電管理部門對(duì)電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)和分析，最后選定于七星關(guān)城區(qū)的營盤山上，這里離城區(qū)較近，有現(xiàn)成的公路，具備水電等基礎(chǔ)設(shè)施。雷達(dá)天線架設(shè)在獨(dú)立的山頂雷達(dá)樓上，高出地面30m左右，海拔高度達(dá)到1598.0m，塔樓四周寬闊，無近距離遮擋，四周綠色山巒起伏，難以再建高大建筑物，有效避免了其它高于天線的建筑物帶來的遮擋。即各個(gè)方面的條件能滿足要求：四周遮擋角較小，氣候適宜，交通和通信條件優(yōu)越，站址周圍無明顯電磁干擾信號(hào)。 建成后的雷達(dá)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告表明，在0.5仰角掃描層中有少量孤立的山體部份遮擋，1.45仰角掃描層中也有部分孤立的山體遮擋，2.4以上仰角掃描層中幾乎無任何遮擋物存在，凈空條件良好。但是由于水庫集雨區(qū)離雷達(dá)較近，低仰角遮擋的作用比較大，畢節(jié)雷達(dá)在255～319之間低仰角有一定的遮擋。

3? ? ?探測(cè)模式

一般來說，雷達(dá)觀測(cè)分為平顯（PPI）、高顯（RHI）和體掃三種方式，但是現(xiàn)在業(yè)務(wù)上都是使用體掃方式[2]，尤其是后期安裝或生產(chǎn)投入使用的雷達(dá)。根據(jù)中國氣象局對(duì)新一代天氣雷達(dá)的管理規(guī)定，雷達(dá)有多種體積掃描模式，主要的有VCP11、VCP21、VCP31、VCP32和其它自定義模式，其中VCP31、VCP32和其它自定義模式主要用于科研分析，目前在業(yè)務(wù)上都是采用VCP21模式，或者是采用VCP21模式與VCP11模式的交替形式（這在我國各省的要求有所差異），畢節(jié)雷達(dá)主要采用VCP21模式，對(duì)應(yīng)的掃描仰角分別是：0.50、1.45、2.40、

3.35、4.30、6.00、9.90、14.60、19.50°共計(jì)9層。

畢節(jié)雷達(dá)所在處與水庫集雨區(qū)海拔高度的差異大約為100m[3]，在不考慮雷達(dá)所在處與水庫集雨區(qū)海拔高度差異的情況下，通過計(jì)算可得出：雷達(dá)能探測(cè)到集雨區(qū)最遠(yuǎn)處的高度最高為7.344km。為了具體分析集雨區(qū)到雷達(dá)不同距離的分布情況，課題組把集雨區(qū)以500m×500m的空間范圍作為一個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，7～20km之間每個(gè)距離檔的點(diǎn)數(shù)都在25個(gè)以上，每個(gè)距離檔所占面積達(dá)到總面積的1.25%以上，總計(jì)達(dá)到總面積的88.18%;其中10～11km范圍的點(diǎn)數(shù)都在40個(gè)以上，對(duì)應(yīng)距離檔所占面積達(dá)到總面積的2.00%以上，總計(jì)達(dá)到總面積的9.33%;圖2給出了水庫集雨區(qū)對(duì)于雷達(dá)不同距離的點(diǎn)數(shù)分布。

4? ? ?監(jiān)測(cè)能力分析

通常認(rèn)為，獲取估測(cè)降水的反射率因子的最佳高度是雷達(dá)以上1km高度。一般而言，在不考慮地形的情況下，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在用雷達(dá)進(jìn)行降水估測(cè)時(shí)通常的做法是：從一個(gè)體掃的反射率因子中提取反射率因子時(shí)，在距雷達(dá)0～20km范圍內(nèi)采用3.4°仰角的資料，20～35km范圍內(nèi)采用2.4°仰角的資料。

對(duì)于本項(xiàng)目的研究而言，4.5～20km范圍都是用3.4°仰角的資料，似乎采用3.4°仰角的資料是合理的，對(duì)應(yīng)的集雨區(qū)高度都在0.26～1.29km范圍。

但是作為山區(qū)，雷達(dá)凈空條件是否完全滿足呢，畢竟雷達(dá)低仰角觀測(cè)的結(jié)果是很容易受到周圍孤立山體部分遮擋的影響，尤其近距離的區(qū)域。

為此。本文隨機(jī)抽取了任意時(shí)次（本次為2018年8月16日17：08）同一個(gè)體掃的對(duì)應(yīng)各層低仰角資料與組合反射率資料進(jìn)行分析和比較，在0.5°仰角的ppi圖上（圖3A），遮擋相當(dāng)明顯，尤其是北部方位;在1.5°仰角的ppi圖上（圖3B），遮擋仍然相當(dāng)明顯，尤其是北部方位，但是在西南部這個(gè)方位明顯改善;而在2.5°仰角的ppi圖上（圖3C），遮擋明顯的地方有限，但是西部方位還是受到較大影響的;只有在3.4°仰角的ppi圖上（圖3D），遮擋情況才不明顯，幾乎看不出有遮擋情況;比較3.4°仰角的ppi圖和組合反射率因子圖（R37，圖3E），二者差異不明顯，二者差異不大。

在0.5～2.5°仰角之間都有不同程度的遮擋，仰角越高遮擋越小，在3.4°仰角上，遮擋已經(jīng)不明顯了。在近距離區(qū)域， 3.4°產(chǎn)品與組合反射率因子（R37）產(chǎn)品的差異是不明顯的。換一句話說，對(duì)于使用畢節(jié)雷達(dá)估測(cè)倒天河水庫的降雨量情況，使用3.4°仰角的基本反射率因子產(chǎn)品與使用組合反射率因子產(chǎn)品，其差異是不明顯的，在開展降雨率轉(zhuǎn)換時(shí)，采用雷達(dá)第37號(hào)產(chǎn)品（CR37）或者第38號(hào)產(chǎn)品（CR38）來進(jìn)行也是適宜的，而且切實(shí)可行。

參考文獻(xiàn)

[1]聶祥，柯莉萍，萬漢蕓. 畢節(jié)市倒天河水庫集雨區(qū)邊界分析研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)，2017（06）：61.

[2]俞小鼎，姚秀萍，熊廷南.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京： 氣象出版社，20016（1）：44.

[3]莫世江，張鵬飛，丁衛(wèi)紅.畢節(jié)市倒天河水庫水質(zhì)分析[J]. 貴州教育學(xué)院（自然科學(xué)），2006（04）：71-73.