一种基于WRF模式的雨衰减短期预报方法初探

张守宝 王景伟 吕兆峰 卢昌胜 韩杰

(1.中国电波传播研究所,青岛 266107;2.中国人民解放军 69089部队,库尔勒 841000)

一种基于WRF模式的雨衰减短期预报方法初探

张守宝1王景伟2吕兆峰1卢昌胜1韩杰1

(1.中国电波传播研究所,青岛 266107;2.中国人民解放军 69089部队,库尔勒 841000)

将气象中应用广泛的数值天气预报模式应用到雨衰减区域短期预报中,基于数值天气预报模式WRF获得未来一段时间降雨强度和雨顶高度的空间分布,结合系统参数如频率、极化角和仰角等,利用电波传播算法获得雨衰减的空间分布. 利用实测降雨数据对预报结果进行验证,结果显示:预报雨衰减和实测雨衰减基本符合,特别是二者随时间的变化趋势非常一致.

WRF模式;雨衰减;短期预报;数值天气预报;空间分布

DOI 10.13443/j.cjors.2016090901

引 言

随着无线电信息系统使用频段向Ka和EHF频段扩展,降雨的影响越来越严重,暴雨时甚至能引起数十分贝的衰减导致系统中断,严重影响系统的可靠性和稳定性. 国内外对于Ka/EHF频段的雨衰减研究主要集中在统计建模方面,也提出了很多统计模型[1-5]．我国直播卫星“中星9号”上行频率为18 GHz,雨衰减无论对于平时的业务运行还是保障诸如“奥运会”和“国庆阅兵”等重大活动的可靠直播都有影响. 另外,2015 年11月世界无线电通信大会(WRC15)将第五代(5th-Generation, 5G)通信使用的频段划分在24.25～86 GHz. 其通信距离在几百米到几千米,雨衰减的影响不可忽视. 上述每一种场景均需要了解未来一段时间(几十分钟到几十小时)雨衰减的时空分布和变化趋势,为系统操作人员提前做出预案提供技术决策信息,因此需要建立雨衰减区域短期预报方法.

近年来,随着数值天气预报模式的发展,第五代中尺度模式(Fifth Generation Mesoscale Model, MM5)、天气研究与预报(The Weather Research and Forecasting,WRF)模式等数值模式被广泛应用于降雨等中尺度天气现象的预报和研究,也可以为雨衰减的区域预报提供无线电气象参数[6-10]. 2006 年英国BATH大学的Duncan D.H利用数值天气预报模式进行了雨衰减的预报[11],使用降尺度算法对数值天气预报模式获得的降雨强度数据进行处理从而预报雨衰减空间分布. 2014年张驭龙分析了将数值天气预报模式应用到雨衰减预报中需要解决的问题[8].

尽管国外在利用数值模式进行传播衰减方面进行了较为深入的研究,但是传播衰减的分辨率依然无法满足无线电系统的应用需求．本文利用中尺度数值模式WRF首次在国内进行雨衰减短期预报研究,分析比较预报值和实测值的误差，为将来进行更加准确的区域预报奠定基础.

1 雨衰减预报流程

本文基于WRF模式构建用于雨衰减的数值天气预报系统. 根据雨衰减预报的实际需要设定中心点经纬度坐标、区域大小、网格格点距、地形分辨率，同时设定物理参数化方案、预报时长、积分步长等参数,应用美国环境预报中心(National Center of Environmental Prediction,NCEP)提供的全球预报系统(Global Forecaster System,GFS)产品来驱动WRF模式,利用三维变分同化(three Dimensional Variational,3DVAR)技术同化多源气象观测数据,形成高质量的初始场,来保障预报系统的预报精度. 为满足降雨传播预报,WRF模式采用3重嵌套网格,3层网格的水平分辨率分别为18 km、6 km与2 km. 为了更好地描述大气边界层结构,有利于降雨模拟预报,垂直方向分为不等距的57层. 另外,在WRF模式的不同物理参数化方案中选用一些有利于降雨预报的方案,在保持其他参数和背景场数据不变的情况下,改变其中一种或几种方案,结合雨衰减实测数据,选择效果较好的降雨强度预报的参数方案. 模式初步选用YSU大气边界层方案,而微物理方案采用适合高分辨率模拟的Lin方案. 同时,预报系统采用并行计算技术以加速预报过程,结果输出间隔为10 min. 表1给出了某次雨衰减过程预报模式的详细设置.

表1 WRF模式参数设置

通过数值天气预报模式得到降雨强度的三维空间分布,运用差值方法得到关心区域电波链路上的降雨强度和雨顶高度,然后基于无线电信息系统的参数,如工作频率、电波极化角以及通信仰角,利用ITU-R P.838[12]雨衰减率计算方法得到区域的雨衰减分布,预报流程如图1所示.

图1 地空链路雨衰减预报流程

具体传播链路的雨衰减短期预报流程如图2所示.

利用降雨强度、雨顶高度、频率、仰角等参数计算雨衰减,其中雨顶高度由模式所得温度三维场计算得到,插值温度T0位于第i层和第i+1层之间:两层的高度分别为Pi、Pi+1;温度分别为Ti、Ti+1,插得的温度层高度Z0为

图2 链路雨衰减短期预报流程

(1)

令T0=0℃,得到该点的海拔高度即为雨顶高度.

2 模式预报结果与实测对比

选择一次降雨事件验证雨衰减的预报精度,WRF数值模式的具体设置见表1. 首先对地面观测降雨强度和预报降雨强度进行比较．其次对观测和预报的降雨衰减进行比较．

利用上述预报方法对北京地区2014年6月19日夜间到6月20日凌晨发生的一次降雨过程进行研究.对仰角为28.3°和频率为30 GHz的星地链路雨衰减进行预报,所得降雨强度空间分布如图3所示,雨衰减预报结果如图4所示.

同时段在北京沙河雨量计观测获得积分时间为10 min的站点降雨强度,将其与预报降雨强度对比,结果如图5所示. 从图中可以看出,数值模式WRF预报的降雨强度和观测降雨强度整体上符合得较好．在本次降雨事件中,预报降雨量为31.77 mm,观测降雨量为26.4 mm．相对误差为16.9%,可见利用WRF进行降雨量的预报能获得较好的精度．降雨强度的预报结果和观测结果之间的均方根误差为1.19 mm/h．将观测降雨强度应用于ITU-R P.618[14]中得到星地链路雨衰减计算获得观测雨衰减. 针对本次降雨事件来说,雨衰减的观测值和预报值的相对误差为0.21 dB．可以看出采用数值模式预报的雨衰减和实测降雨获得的雨衰减尽管在个别时段预报差距较大,但整体变化趋势较为一致.

图3 预报的2014年6月20日00时(北京时间,下同)降雨强度(单位:mm/h)空间分布

图4 2014年6月20日00时仰角为28.3°频率为30 GHz预报雨衰减(单位:dB)空间分布

图5 降雨强度的预报值和观测值比较

总体上,基于WRF的雨衰减短期预报方法能够很好地预报出链路雨衰减的变化趋势. 由于WRF模式的中尺度特性,因此在特定链路上可能存在时间和空间上的误差,导致雨衰减在预报数值上与实测差距较大,需要根据地域特征设置模式参数以改进预报精度.

3 结 论

本文在国内首次利用WRF模式进行雨衰减空间分布短期预报. 对比结果显示:预报值和实测值整体趋势符合得较好. 未来,可通过优化WRF的参数设置与提高降雨参数和雨顶高度的时空分辨率等手段来提高预报精度. 本文提出的雨衰减短期预报技术可应用于星上资源动态分配和系统中断预警等方面.

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张守宝 (1985—),男,山东人,工程师,主要从事雨衰减、大气波导的监测、数值预报及数据同化等方面的研究.

王景伟 (1981—),男,内蒙古人,工程师,主要从事系统分析与建模仿真研究.

吕兆峰 (1989—),男,山东人,硕士,主要研究方向为雨衰减区域变化、雨衰减短期预报研究.

卢昌胜 (1983—),男,甘肃人,高级工程师,长期从事毫米波大气传播特性、太赫兹大气传播特性方面的研究.

Short-term prediction method of rain attenuation based on WRF model

ZHANG Shoubao1WANG Jingwei2LYU Zhaofeng1LU Changsheng1HAN Jie1

(1.ChinaReasearchInstituteofRadiowavePropagaiton,Qingdao266107,China;2.Unit69089,PLA,Kuerle841000,China)

In this paper, the numerical weather prediction model is applied to regional rain attenuation forecast. The future rainfall rate and rain height of the top of the spatial distribution are obtained by WRF model. Then, parameters of the earth-space links such as frequency, polarization angle and elevation angle are applied to calculate the spatial distribution of rain attenuation. The results show that the forecast of rain attenuation agrees well with the rain attenuation based on the practical measurement, particularly in the variation trends over time.

WRF; rain attention; short-term prediction; numerical weather prediction; space distribution

2016-09-09

国家自然科学基金(No.61401410;No.61471329;No.61179003)

10.13443/j.cjors.2016090901

P456

A

1005-0388(2017)01-0028-04

联系人： 张守宝 E-mail: zhb11zhb@163.com

张守宝, 王景伟, 吕兆峰, 等. 一种基于WRF模式的雨衰减短期预报方法初探[J]. 电波科学学报,2017,32(1):28-31.

ZHANG S B, WANG J W, LYU Z F, et al. Short-term prediction method of rain attenuation based on WRF model[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(1):28-31. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2016090901