运用X波段小型雷达观测和监测降雨活动外文翻译资料

 2022-11-21 16:52:04

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运用X波段小型雷达观测和监测降雨活动

Marco Allegretti, Silvano Bertoldo, Andrea Prato, Claudio Lucianaz, Oscar Rorato,Riccardo Notarpietro, Marco Gabella

CINFAI (Consorzio Interuniversitario per la Fisica delle Atmosfere e delle Idrosfere), Politecnico di Torino, Torino, Italy

DET (Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni), Politecnico di Torino, Torino, Italy

Envisens Technologies s.r.l., localitagrave; Baraggino, Campus Tecnologico, Chivasso, Italy

MeteoSwiss, Locarno Monti, Switzerland

Email: {marco.allegretti, silvano.bertoldo}@polito.it

Received March 20, 2012; revised April 16, 2012; accepted April 25, 2012

摘要：

基于气象数据的定量降水估计和降雨监测，可以提供连续、高分辨率和覆盖面积广的数据，因此对于水文地质风险管理，水电，道路和旅游具有很高的实际用途。常规远程雷达和雨量计都面临测量误差和降水估计的困难。为了有效扩展局部降雨事件和相应的小盆地的有效监测操作，需要极密的雨量计网络。 C波段或S波段作为可选的气象远程雷达能够监测大范围的雨量场，但是他们没有足够的空间和时间分辨率，并且有很高的购买和维护成本。用于雨量监测的短程X波段雷达是两种常见的雨量测量观测仪器之间的有效折衷解决方案。许多科学嘉已经致力于雷达测量仪调整和定量降水估计，以改进雷达测量技术。在考虑了远程雷达和测量仪网络之后，本文提出了一些X频段小型雷达如何用于观测降雨事件以及如何整合和补充远程雷达和雨量计网络的例子。提出了三个案例研究：一个非常局部和强烈的事件，具有高时间和空间变异性的降雨事件，以及在具有窄谷的山区使用X波段迷你雷达。从而展示出了这种雷达用于检测降雨的适应性。

关键词：X频带雷达; 降雨事件; 降水监测; 雨量比较; 高时间解析度; 高空间分辨率; 降雨观测

  1. 序言

在强度和位置方面精确观测雨量对于许多方面的应用是很重要的，比如：水文地质风险管理，水力发电，道路维护，应急规划和旅游等等更多领域。使用雨量计测量和观测降雨这种最传统的方法是较便宜的，但它仅能在地面上提供准时测量。其他仪器如雨滴测量器[1]和微波链路[2,3]提供了更多的关于微观结构和空间平均降水的见解。然而，这些仪器无法捕捉大面积降雨的空间变异性，如河流集水区[4]。此外，它们太精密而不能简单的被技术人员和负责环境监测和自然灾害预防的机构的操作者使用。比如，民用保护志愿人员就通常没有使用它们所需的技能。

最常见的C波段和S波段远程雷达系统可以直接提供用于测量特定区域上的预处理，但是它们的时间和空间分辨率通常较差，特别是它们经常在其通用波束扫描部分被减轻屏蔽，并且它们的性能必须经常通过一些后处理技术和长训练周期来改进[5,6]。

本文在对具有一些测量问题的大功率远程雷达和雨量计网络的简要描述之后，提出了X频带微型雷达系统作为解决方案，以监视和观测具有在空间和时间上的良好分辨率的雨量事件。但同样重要的是它的成本低。此系统可以单独用于监测和观测降雨量事件，也可以作为已经存在的用于监测降雨的网络的有用集成。

本文的一个短的段落专门用于X波段雷达和仪表比较，以显示拟议的雷达如何执行良好的定量降水估计。然后提出了一些案例研究，以证明如何使用X波段雷达以观测具有不同特性的降水，以及展示在山地和复杂地形中整合远程雷达测量是可能和有用的。

  1. 雨量网络

直接测量地面降雨量只能使用普通雨量计来实现。然而，即使现代雨量计能够实时提供降雨率，并且具有非常高的时间分辨率，仍然难以表征降雨的空间变异性[7,8]。

两个主要因素决定了雨量计网络的评估和设计：雨量计的密度和位置。雨量计的选择取决于主要的雨水类型和要通过网络实现的目标。例如，为了减轻洪水的目的，这是负责自然灾害预防的机构最需要的目标，因此需要在不存在计量点的地方插值降雨。而为了执行良好的插值，就需要高密度网络。另一方面，对于水资源规划，其需要的反而是低密度雨量网络来观测长时间的降雨事件。

在复杂的地理区域中，高效雨量计网络的设计变得更加困难。在这样的环境下困难在于确定表征其环境和天气条件的高空间变化性的物理参数。如果将雨量计放置一个小的距离内不足以控制特定区域，而放置在几百米的距离可能意味着改变山谷。

对于考虑雨量计的数量和位置以产生更高的区域降雨估计精度（参见Cheng [9]，其中列出了广泛的书目），虽然学界已经提出了许多最佳选择雨量计的方法。但是，它们中的每一个都显然需要放置一定数量的仪器，并且雨量计网络的实现可能是非常昂贵的。

最后但并非最不重要的是，即使设计良好的雨量计网络，也没有提供后处理算法来内插区域降雨量测量的数据。更何况插值并不总是能提供足够精确的降雨区域值。

  1. 远程雷达

另一方面，还可以使用远程地面雷达来估计降雨量和观测雨量事件演变。

然而，雷达系统可以在高处看到水文物体，但我们需要知道究竟是什么能到达地面。虽然它们给出了在地平面以上的投影面积内的水量的量度。但障碍物、地球曲率、有限的地平线、允许看到到的可变高度，通常离地面太远的降水等等这些困难随着从雷达位置的范围迅速增加。在山地地区，情况变得明显更加困难，在那里天气回波只能在高海拔地区被检测到，同时地震阻碍与寒冷季节的少量降水更加造成了雷达覆盖不足，特别是在狭窄的谷区[10]。

雷达和地面降水估计之间的协议通常随着雷达距离的增加而减小[11]。在远距离处增加雷达采样体积和雷达波束在地面上的高度，可以有效增加从高处观测到的降水（包括雪，冰，雨滴等）与到达地面的降水不同的概率。这是由于蒸发，平流和垂直空气运动造成的。

此外，必须考虑降水对于远程雷达的影响，而且其“粗糙”分辨率通常不太可靠。自然降水的空间变异性如此之大，使得雷达波束不总是能够分辨它。因为雷达反向散射体积随着范围的平方而增加，所以随着采样范围的增加，欠采样问题变得越来越严重;同时，在更大的范围内小范围强烈的沉淀系统的特征愈发模糊。这个问题被称为“非均匀射束填充”。一些研究证实了远程雷达行为的范围依赖性（使用TRMM数据[12-14]）。

在较远的距离处，雷达气象学家熟知的另一个问题是，与非均匀射束填充紧密结合的“射束超调”问题。 这是由于垂直分辨率随范围的减小以及填充脉冲的粒子的可变性导致放大了地平和地球曲率所引起的。 即使存在降水，它也不会引起反向散射回波。

当需要非常高的时间分辨率时，不能使用远程雷达。 事实上，地图制作之间的时间间隔通常太大而不能实时监控操作。5分钟的共同间隔可能不足以观察和跟踪非常快的降雨过程的运动。由于大的观察区域和相对长的计算和天线运动时间，不可能显著缩短该时间。

  1. X波段雷达

公共远程雷达和雨量计网络之间的良好替代方案以及同时互补的解决方案可以由短程X频带雷达来实现。它们可以短距离操作并提供较高的时空分辨率，同时它们的安装成本不那么高，而且允许放置更多的传感器以实现优化的覆盖。

近年来，X波段气象雷达网络开始出现;参见例如CASA雷达最近发表在BAMS（美国气象学会公报）[15]上的一篇评论文章中有很好的描述，其中报道了大量的参考书目。本文中描述的X波段雷达当然更简单：非相干，脉冲，仅一个极化，非多普勒，具有天线的固定仰角。然而，它们专门用于雨量测量，并且能够在几秒钟内产生一张雨图。

这里使用的X波段迷你雷达（图1）是由都灵理工学院的遥感小组（RSG）设计的，该小组是Consorzio Interuniversitario per la Fisica delle Atmosfere e delle Idrosfere（CINFAI）的本地单位。它们的出现始于2004年的FORALPS（“ALPS改进水资源管理的水文预报和观测”）项目的早期构想阶段[16]。第一个全面运行的微型雷达网络成立于2011年，在意大利安装了5个实验性微型雷达，其中4个在西西里地区，另一个在奥斯塔山谷。

它们有非常低的成本，对安装没有任何特殊要求，几乎不需要维护，并且可以通过软件休息来远程控制，使得它们能够方便地覆盖有限的区域或甚至仅仅有限的角扇区。所有电子设备（天线，射频单元，数据处理单元，用于数据传输和遥控的通信单元，电源单元）放置在高度小于2米，宽度小于1米的雷达罩内;它可以固定到任何平面上，并且它只需要连接到电源就可工作。同时其操作专用应用所需的所有软件都是开源的，以便完全配置和控制活动进程。而且它在成本方面具有极大的可靠性和灵活性。

X波段雷达能够在30公里范围内每60分钟产生一个“虚拟”分辨率的每1分钟的图像地图。 显然，只有物理范围分辨率是相同量级（大约90m），而范围分辨率大得多（在30km范围，大约1500m）。 30km的范围内能避免与大气效应相关的一些问题，从而获得更稳定的反向散射回波。同时它还应用一系列抗杂波滤波器，以便即使在存在杂波的情况下尽可能地恢复降雨信号。

由X频带迷你雷达单元产生的雷达地图经由GPRS通信网络（如果已经存在于安装地点中，则也允许其它通信系统）发送到服务器。在服务器中，雷达地图由允许计算降水地图的特定处理软件管理。

图1：带和不带雷达罩的X波段迷你雷达

  1. 一些X波段雷达仪比较

这些文章的目的不是系统地分析仪表比较，而是为了给出一个X波段小型雷达如何提供良好的降雨量测量的想法，同时分析其与现有的雨量计网络数据的比较。

用于比较的雨量计是由SIAS（Servizio Informativo Agrometereologico Siciliano）拥有的区域网络的一部分，所使用的X频带雷达是安装在西西里地区，特别是在Bisacquino（PA）和巴勒莫的雷达。

与用已经获得的降雨数据在1小时的时间间隔上计算出的时间积分相比，雷达数据已经获得了其采用明显相同的时间积分和在以所使用的雨量计为中心的1km2区域上的空间积分。

使用基于Marshall和Palmer [17]的著名文章的方程式获得降雨量，其中雷达反射率Z与简单幂律相关，例如Z = aRb，其中a和b是数值系数，可在经验实验和分析研究的基础上选择。只要具有定量降水估计（QPE）的复杂性的索引就可以进行相应的系数选择，详情可参考在1973的书[18]中讨论的69种不同的Z-R关系。这里使用的固定Z-R关系是由Rosenfeld在1993年[19]提出的，a = 250和b = 1.2，最初提出用于热带雨，但也可用于强烈和持久的降雨而不仅仅是在热带地区。

第一个例子显示了在意大利Bisacquino（PA）安装的雷达和意大利Giuliana（PA）的测量仪之间的比较，考虑了2011年4月26日的单次降雨事件（图2）。第二个例子显示了安装在巴勒莫的雨量计与Partinico（PA）的雷达之间的比较，考虑了2011年2月18日的降雨事件（图3）。

这两个报告的例子显示雷达和雨量计仪表之间的良好一致，显示X波段迷你雷达也可以用于测量降水。

图2：2011年4月26日，Giuliana（PA）的雨量计和Bisaquino（PA）安装的X波段雷达之间的比较。

图3：2011年2月18日在帕勒莫安装的Partinico（PA）的雨量计和X波段雷达之间的比较

  1. 雷达事件观测

虽然在第5节雷达测量比较显示良好的结果，确认X波段小型雷达是可以用作测量降雨率和降雨量的工具，但本文的目的是展示X波段迷你雷达如何有效地观察不同类型的雨田，以及它们如何为开发预防和监测活动提供有价值的帮助。

负责自然灾害预防的机构需要高时间和空间分辨率的仪器以观察降雨事件的演变。 X波段迷你雷达是一个有用的工具，因为它们的高时间分辨率（每分钟提供1个地图）允许观察雨场位移，而它们的高空间分辨率（60米）允许以非常精确的方式监测中等范围（30km）内的区域并且以足够的精度定位雨情。

接下来描述的是安装在巴勒莫（PA）的X频带小型天气雷达观测到的具有不同特性的两个雨量事件。这两个事件发生在2011年2月18日。第一次发生在早晨，集中在蒙特勒普雷（PA）镇周围地区。它的特点是降雨非常强烈，有限的时间期限和雨量的有限延伸。第二次，发生在下午晚些时候，特点是一个强烈的雨场的快速运动。

图4为雷达图。它显示了由卡路里（PA）的Meteo Sicilia安装的最近的雨量计的位置。两个箭头指示在哪里观察到下雨事件：红色位于早晨事件，而蓝色位置位于下午。

图4：巴勒莫的X波段雷达，雨量计和两次下雨事件的位置指标

6.1、强烈的本地化事件

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