基于雷达资料降水量的反演

廖彬武

（民航宁夏空管分局，宁夏　银川　750000）



基于雷达资料降水量的反演

廖彬武

（民航宁夏空管分局，宁夏银川750000）

摘要：本文利用SA雷达基数据编写程序对降水量进行反演。从SA雷达基数据中得到反射率因子Z，利用反射率因子Z和降雨率R的关系，并根据经验公式利用C++编写程序反演降雨量；并在MFC编写界面上利用不同颜色绘制降水强度及范围。本设计对反射率、降水强度利用不同色表在MFC界面上进行显示，对SA雷达基数据进行了初步应用，使其更加直观。

关键词：雷达基数据；Z-R关系；降水量反演

在雷达气象方程中，平均接收功率与反射率因子Z成正比，再将理论和实际观测相结合，可以发现反射率因子Z和降水强度R存在一定关系。因此，可考虑用气象雷达作为间接测量降水的工具。由于目前各个雨量站之间的距离一般有几十公里，而降水地区的降水强度往往是不均匀的。因此，雨量站测量的降水强度因雨量站网密度过稀而缺乏代表性，所以很难准确地计算出一定区域面积的降雨量。而气象雷达却能够快速地获得大面积的降水资料，估计雷达扫描范围内各点的降水强度和一定区域面积上的降水总量。因此，利用气象雷达测量降水，对工农业生产、天气预报等方面都有一定意义。

1　雷达测量降水的方法—Z-R关系法

根据气象雷达方程可以得出平均回波功率Pav和反射率因子Z成正比，反射率因子Z和降水粒子谱有关，而降水粒子谱又和降水强度R有关。因此，反射率因子Z和降水强度R具有一定的关系。根据理论分析与观测、统计等方法可以得出关系Z=aRb。

Z=aRb中a、b的值与降水粒子谱的分布、降水粒子的下落速度有关。所以，Z-R关系法测量降水，因降水的类型、降水发展阶段和所在地理位置的不同而不同。对于多数降雨而言，a的取值范围为30～600，b的取值范围为1～2。通常情况下，Z取200，b取1.6，由此可以得出Z、R的关系是Z=200R1.6。由气象雷达测量出Z分布之后，便可以通过Z-R关系式计算得出R的分布。

早期雷达测量降水区内各点降水强度，由于气象雷达参数的标定误差、Z-R关系的不确定性、回波强度的测量误差等影响导致其精度不高。当所有因子采用极端情况下的条件进行计算时，其最小可能误差还有20%。而选择S波段的10cm波长雷达这种不明显衰减的雷达波，并按不同降水类型采用适当的a、b因子，再用标准雨量计加以校准，则测量到的降水强度的精度可显著提高。对目标区域、目标时段内大面积的降水量的回波强度进行时空平均测量的实际效果比较好，而进行单点测量的效果较差。利用反射率因子测量降水适用范围较广且较简便，因此被广泛采用用于测量降水。

2　降水量的反演

2.1降水量的反演的综述

脉冲多普勒气象雷达根据多普勒效应为基础设计而成。当降水粒子相对雷达发射的电磁波有相对运动时，脉冲多普勒气象雷达可以测到接收信号与发射信号的多普勒频移。根据这个多普勒频移不仅可以确定回波的位置和强度，还可以测定散射体相对雷达的径向速度。在一定条件下可以利用这个径向速度反演出大气风场情况、气流垂直速度分布和湍流等。这对于研究降水的形成过程，分析中小尺度天气系统，强对流天气预警等都具有重要意义。

本文利用雷达资料反演降水量是使用雷达基数据读出雷达回波强度dBZ，由dBZ转化为反射率因子Z，再由已知并论证的Z-R关系式得出降水强度R。然后利用C++设计程序利用基数据即可求得降水强度，并在图形界面上利用不同颜色绘制出降水强度及范围。

2.2Z-R关系

反射率因子Z∶等效反射率因子Ze，定义为雷达接收到的由均匀分布的小水滴集中起来的后向散射回到雷达的能量。根据反射率因子Z可以估算降水率R，Z-R关系是反映雷达降雨反射率因子与降雨率关系的方程，一般形式为Z=aRb。其中，Z是雷达降雨反射率因于（单位为mm6/m3），R是降水强度（单位为mm/h），系数a和b除与雷达本身有关外，还与当地的地形，气候及降雨成因有很大的关系。以下是针对不同降水的4个“典型”的表达式：①层状雨，Z=200R1.6；②山雨，Z=30R1.71；③雷暴雨，Z= 486R1.37；④雪：Z=2 000R2［1］。

2.3多普勒雷达降雨定量估算方法

利用多普勒雷达估算流域降雨量，主要是根据雷达所测量的降雨回波率，通过Z-R关系，估算流域降雨量。确定了Z-R关系参数，并建立了雷达测雨单元与地面雨量单元的空间定位关系后，即可应用实测的降雨率回波dBZ来估算降雨。在雷达的实际应用中，一般测量的是雷达回波强度，单位用dBZ来表示，其与降雨率反射率因子Z的关系为dBZ=101gZ。对于反射率的读取，位于基数据129～588字节，且为单字节，编码方式为（数值-2）/2.-32=dBZ。利用实测的降雨率回波dBZ来估算降雨具体方法为：①将实测的dBZ换算成反射率因子Z，计算式为Z= 10dBZ/10；②应用Z-R关系反推R，得出R=（10dBZ/10/a）1/b。

3　程序实现

程序实现的流程见图1。

图1　程序流程图

4　结论

新一代多普勒天气雷达在我国逐步布网完成，其与常规天气雷达相比有着许多的优越性。多普勒天气雷达可以提供中小尺度的多普勒回波资料。这些资料对降水的短时预报，监测天气变化，预报雷暴的发展和移动等有重要作用，可以显著提升短时天气预报的效果。

本文对基于雷达资料的降水量反演的方法进行了分析，并选取了适当的方法对降水量进行反演，并对相关公式的选取进行了论证，最后用C++编写程序对雷达基数据进行处理，最终在图形界面上利用不同颜色绘制降水量强度与范围。利用这种设计完成了对基数据的基本处理，使基数据反映的雷达探测结果更加直观，对降水量的强度与范围有了直观表示。

参考文献：

［1］曲延禄.雷达在气象中的应用[M].北京：科学出版社，1979.

中图分类号：P456.7

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0151-02

收稿日期：2016-01-02

作者简介：廖彬武（1987-），男，本科，助理工程师，研究方向：雷达维护维修。

Retrieval of Precipitation Based on Radar Data

Liao Binwu
（Ningxia Air Traffic Management Sub-Bureau of CAAC，Yinchuan Ningxia 750009）

Abstract:In this paper,we use the SA radar base data to write a program to carry out the inversion of precipitation.The reflectivity factor Z is obtained from the SA radar base data,based on the relationship between reflectivity factor Z and precipitation rate R,according to the empirical formula,the C++program is used to calculate the rainfall,and draw strength and range of precipitation on the MFC interface with different colors.This design display reflectivity and pre⁃cipitation intensity using different color tables on the MFC interface,and SA radar base data has conducted the prelimi⁃nary application,which makes it more intuitive.

Keywords:SA radar base data；Z-R relations；precipitation retrieval