張守寶 王景偉 呂兆峰 盧昌勝 韓杰

(1.中國電波傳播研究所,青島 266107;2.中國人民解放軍 69089部隊,庫爾勒 841000)

一種基于WRF模式的雨衰減短期預報方法初探

張守寶1王景偉2呂兆峰1盧昌勝1韓杰1

(1.中國電波傳播研究所,青島 266107;2.中國人民解放軍 69089部隊,庫爾勒 841000)

將氣象中應用廣泛的數(shù)值天氣預報模式應用到雨衰減區(qū)域短期預報中,基于數(shù)值天氣預報模式WRF獲得未來一段時間降雨強度和雨頂高度的空間分布,結合系統(tǒng)參數(shù)如頻率、極化角和仰角等,利用電波傳播算法獲得雨衰減的空間分布. 利用實測降雨數(shù)據(jù)對預報結果進行驗證,結果顯示:預報雨衰減和實測雨衰減基本符合,特別是二者隨時間的變化趨勢非常一致.

WRF模式;雨衰減;短期預報;數(shù)值天氣預報;空間分布

DOI 10.13443/j.cjors.2016090901

引 言

隨著無線電信息系統(tǒng)使用頻段向Ka和EHF頻段擴展,降雨的影響越來越嚴重,暴雨時甚至能引起數(shù)十分貝的衰減導致系統(tǒng)中斷,嚴重影響系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性. 國內(nèi)外對于Ka/EHF頻段的雨衰減研究主要集中在統(tǒng)計建模方面,也提出了很多統(tǒng)計模型[1-5]．我國直播衛(wèi)星“中星9號”上行頻率為18 GHz,雨衰減無論對于平時的業(yè)務運行還是保障諸如“奧運會”和“國慶閱兵”等重大活動的可靠直播都有影響. 另外,2015 年11月世界無線電通信大會(WRC15)將第五代(5th-Generation, 5G)通信使用的頻段劃分在24.25～86 GHz. 其通信距離在幾百米到幾千米,雨衰減的影響不可忽視. 上述每一種場景均需要了解未來一段時間(幾十分鐘到幾十小時)雨衰減的時空分布和變化趨勢,為系統(tǒng)操作人員提前做出預案提供技術決策信息,因此需要建立雨衰減區(qū)域短期預報方法.

近年來,隨著數(shù)值天氣預報模式的發(fā)展,第五代中尺度模式(Fifth Generation Mesoscale Model, MM5)、天氣研究與預報(The Weather Research and Forecasting,WRF)模式等數(shù)值模式被廣泛應用于降雨等中尺度天氣現(xiàn)象的預報和研究,也可以為雨衰減的區(qū)域預報提供無線電氣象參數(shù)[6-10]. 2006 年英國BATH大學的Duncan D.H利用數(shù)值天氣預報模式進行了雨衰減的預報[11],使用降尺度算法對數(shù)值天氣預報模式獲得的降雨強度數(shù)據(jù)進行處理從而預報雨衰減空間分布. 2014年張馭龍分析了將數(shù)值天氣預報模式應用到雨衰減預報中需要解決的問題[8].

盡管國外在利用數(shù)值模式進行傳播衰減方面進行了較為深入的研究,但是傳播衰減的分辨率依然無法滿足無線電系統(tǒng)的應用需求．本文利用中尺度數(shù)值模式WRF首次在國內(nèi)進行雨衰減短期預報研究,分析比較預報值和實測值的誤差，為將來進行更加準確的區(qū)域預報奠定基礎.

1 雨衰減預報流程

本文基于WRF模式構建用于雨衰減的數(shù)值天氣預報系統(tǒng). 根據(jù)雨衰減預報的實際需要設定中心點經(jīng)緯度坐標、區(qū)域大小、網(wǎng)格格點距、地形分辨率，同時設定物理參數(shù)化方案、預報時長、積分步長等參數(shù),應用美國環(huán)境預報中心(National Center of Environmental Prediction,NCEP)提供的全球預報系統(tǒng)(Global Forecaster System,GFS)產(chǎn)品來驅(qū)動WRF模式,利用三維變分同化(three Dimensional Variational,3DVAR)技術同化多源氣象觀測數(shù)據(jù),形成高質(zhì)量的初始場,來保障預報系統(tǒng)的預報精度. 為滿足降雨傳播預報,WRF模式采用3重嵌套網(wǎng)格,3層網(wǎng)格的水平分辨率分別為18 km、6 km與2 km. 為了更好地描述大氣邊界層結構,有利于降雨模擬預報,垂直方向分為不等距的57層. 另外,在WRF模式的不同物理參數(shù)化方案中選用一些有利于降雨預報的方案,在保持其他參數(shù)和背景場數(shù)據(jù)不變的情況下,改變其中一種或幾種方案,結合雨衰減實測數(shù)據(jù),選擇效果較好的降雨強度預報的參數(shù)方案. 模式初步選用YSU大氣邊界層方案,而微物理方案采用適合高分辨率模擬的Lin方案. 同時,預報系統(tǒng)采用并行計算技術以加速預報過程,結果輸出間隔為10 min. 表1給出了某次雨衰減過程預報模式的詳細設置.

表1 WRF模式參數(shù)設置

通過數(shù)值天氣預報模式得到降雨強度的三維空間分布,運用差值方法得到關心區(qū)域電波鏈路上的降雨強度和雨頂高度,然后基于無線電信息系統(tǒng)的參數(shù),如工作頻率、電波極化角以及通信仰角,利用ITU-R P.838[12]雨衰減率計算方法得到區(qū)域的雨衰減分布,預報流程如圖1所示.

圖1 地空鏈路雨衰減預報流程

具體傳播鏈路的雨衰減短期預報流程如圖2所示.

利用降雨強度、雨頂高度、頻率、仰角等參數(shù)計算雨衰減,其中雨頂高度由模式所得溫度三維場計算得到,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為

圖2 鏈路雨衰減短期預報流程

(1)

令T0=0℃,得到該點的海拔高度即為雨頂高度.

2 模式預報結果與實測對比

選擇一次降雨事件驗證雨衰減的預報精度,WRF數(shù)值模式的具體設置見表1. 首先對地面觀測降雨強度和預報降雨強度進行比較．其次對觀測和預報的降雨衰減進行比較．

利用上述預報方法對北京地區(qū)2014年6月19日夜間到6月20日凌晨發(fā)生的一次降雨過程進行研究.對仰角為28.3°和頻率為30 GHz的星地鏈路雨衰減進行預報,所得降雨強度空間分布如圖3所示,雨衰減預報結果如圖4所示.

同時段在北京沙河雨量計觀測獲得積分時間為10 min的站點降雨強度,將其與預報降雨強度對比,結果如圖5所示. 從圖中可以看出,數(shù)值模式WRF預報的降雨強度和觀測降雨強度整體上符合得較好．在本次降雨事件中,預報降雨量為31.77 mm,觀測降雨量為26.4 mm．相對誤差為16.9%,可見利用WRF進行降雨量的預報能獲得較好的精度．降雨強度的預報結果和觀測結果之間的均方根誤差為1.19 mm/h．將觀測降雨強度應用于ITU-R P.618[14]中得到星地鏈路雨衰減計算獲得觀測雨衰減. 針對本次降雨事件來說,雨衰減的觀測值和預報值的相對誤差為0.21 dB．可以看出采用數(shù)值模式預報的雨衰減和實測降雨獲得的雨衰減盡管在個別時段預報差距較大,但整體變化趨勢較為一致.

圖3 預報的2014年6月20日00時(北京時間,下同)降雨強度(單位:mm/h)空間分布

圖4 2014年6月20日00時仰角為28.3°頻率為30 GHz預報雨衰減(單位:dB)空間分布

圖5 降雨強度的預報值和觀測值比較

總體上,基于WRF的雨衰減短期預報方法能夠很好地預報出鏈路雨衰減的變化趨勢. 由于WRF模式的中尺度特性,因此在特定鏈路上可能存在時間和空間上的誤差,導致雨衰減在預報數(shù)值上與實測差距較大,需要根據(jù)地域特征設置模式參數(shù)以改進預報精度.

3 結 論

本文在國內(nèi)首次利用WRF模式進行雨衰減空間分布短期預報. 對比結果顯示:預報值和實測值整體趨勢符合得較好. 未來,可通過優(yōu)化WRF的參數(shù)設置與提高降雨參數(shù)和雨頂高度的時空分辨率等手段來提高預報精度. 本文提出的雨衰減短期預報技術可應用于星上資源動態(tài)分配和系統(tǒng)中斷預警等方面.

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張守寶 (1985—),男,山東人,工程師,主要從事雨衰減、大氣波導的監(jiān)測、數(shù)值預報及數(shù)據(jù)同化等方面的研究.

王景偉 (1981—),男,內(nèi)蒙古人,工程師,主要從事系統(tǒng)分析與建模仿真研究.

呂兆峰 (1989—),男,山東人,碩士,主要研究方向為雨衰減區(qū)域變化、雨衰減短期預報研究.

盧昌勝 (1983—),男,甘肅人,高級工程師,長期從事毫米波大氣傳播特性、太赫茲大氣傳播特性方面的研究.

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

國家自然科學基金(No.61401410;No.61471329;No.61179003)

10.13443/j.cjors.2016090901

P456

A

1005-0388(2017)01-0028-04

聯(lián)系人： 張守寶 E-mail: zhb11zhb@163.com

張守寶, 王景偉, 呂兆峰, 等. 一種基于WRF模式的雨衰減短期預報方法初探[J]. 電波科學學報,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