昭通多普勒天气雷达对金沙江下游地区降水的探测能力分析

二、昭通多普勒天气雷达对金沙江下游地区降水的探测能力分析

随着金沙江流域梯级水电站的开发，在施工期的气象保障服务与运行期的气象保障服务中离不开多普勒雷达，按照中国气象局的雷达布点，金沙江流域有丽江、昆明、昭通、西昌、宜宾五部C波段新一代多普勒天气雷达。昭通雷达所处的位置是可以兼顾溪洛渡和白鹤滩水电站（直线距离分别为101km和80km），并覆盖了金沙江流域田坝至宜宾段及其大部分支流。经过两年多的实际运用，昭通雷达在溪洛渡水电站的气象保障服务中起到了重要的作用。在服务中对雷达回波资料的正确判断是预报服务成功的关键，而白鹤滩水电站也即将进行筹建，因此有必要对昭通雷达进行探测能力的客观分析，以期在水电站工程气象保障服务中为预报员正确使用雷达回波资料提供一定的帮助，更好地做好金沙江流域水电工程预报服务。

1.C波段雷达的探测效果

在雷达气象方程中假定波束内完全被降水粒子充满，不考虑降水粒子的衰减，方程中两个G值分别用和代入，最大探测距离R_max为

对于层状云降水，取Z＝200I^1.6，C₁＝，C′₁＝200C₁则

也就是说，当雷达参数一定时，最大探测距离R_max与I^0.8成正比，即回波强度越强时，探测距离越远。另外，可看出对于强度相等的降雨，波长越长时探测距离越近。对于C波段雷达，无降水衰减时150km处可探测到雨强3mm/h的降水，在120km处可探测到2mm/h的降水，在100km（昭通—溪洛渡）处可探测到1.6mm/h的降水，在80km（昭通—白鹤滩）处可探测到1.2mm/h的降水。

当有降水衰减时，C波段雷达在小雨情况下影响不大，当有雨强为10mm/h以上的降雨衰减时，降雨衰减作用使最大探测距离随雨强增大而减少。

2.昭通多普勒雷达探测范围

目前，多普勒雷达一般采用降水模式1进行连续体积扫描，仰角有0.5°、1.5°、2.4°、3.4°、4.3°、5.3°等共19层；扫描距离有75km、150km、300km，一般采用150km档进行连续扫描，也就是说在距离昭通站150km内的金沙江流域，上至田坝，下至水富，西北方向能观测到西溪河流域、美姑河流域、西苏鱼河，向南探测到牛栏江、洒渔河、洛泽河、关河、白水江、横江等流域范围。

影响雷达探测效果的另一重要因素是障碍物。从昭通雷达周围的地物分布来看，影响雷达观测的主要障碍物为昭鲁坝区周围山丘。溪洛渡坝区在仰角1.5°（离地高度4.3km）时能探测到回波，在仰角2.4°（离地高度5.9km）时就能较好地探测到坝区周围及向坝区移来的影响回波；白鹤滩坝区在仰角0.5°（离地高度2.3km）时能探测到回波，在仰角1.5°（离地高度3.7km）时就能较好地探测到坝区周围及向坝区移来的影响回波；对于向家坝坝区，在300km距离档可观测到，但距离昭通雷达近160km，只有当云顶高度发展到7.3km（仰角1.5°）时才能观测到，降水4mm以上才能探测到回波，探测能力相对较弱；对于乌东德水电站坝区，不具备探测能力；而对于金沙江流域距离昭通雷达150km的范围内，主要受障碍物影响的范围为方位64°～80°内凉风台以东区域，受凉风台山的影响，探测仰角抬高至3.4°或4.3°时才能探测到该范围回波，而其他支流流域均能达到较好的探测效果。

3.昭通雷达对溪洛渡和白鹤滩水电站坝区降水的探测能力

（1）可探测率

对2004年4月至10月、2005年4月至7月影响溪洛渡坝区的1mm以上的降水共91个个例进行分析，剔除未保存雷达资料或资料保存时次不全的个例，有效个例为78个，其中1mm≤R＜3mm有29个，3mm≤R＜10mm有27个，R≥10mm的有22个。我们以可探测次数除以有效个例个数作为可探测率，分析发现：当降水量小于3mm时，昭通雷达对溪洛渡坝区降水的可探测率为41.4％，探测力相对较差；当降水量在3～9.9mm时，可探测率为96.3％；当降水量＞10mm时，可探测率为100％。

白鹤滩坝区现没有连续观测雨量站（昭通在白鹤滩设温雨站，2006年8月试运行），昭通雷达探测巧家站和白鹤滩坝区，其间的遮挡物高度相差不大，在仰角为0.5°时都能观测到，对于2004年和2005年的雷达资料分析，只能参照巧家气象站（距离白鹤滩37km）降水资料进行对比分析。

通过对2004年4月至10月、2005年4月至7月影响巧家站1mm以上的降水共109个个例进行回波资料分析，剔除未保存雷达资料或资料保存时次不全的个例，有效个例为97个，其中1mm≤R＜2mm有18个，2mm≤R＜10mm有45个，R≥10mm的有34个。分析发现：当降水量小于2mm时，昭通雷达对巧家站（白鹤滩）降水的可探测率为55.6％，探测力相对较差；当降水量大于2mm时可探测率为100％。

（2）溪洛渡坝区可预报时效

在统计分析中发现，各路径影响溪洛渡坝区的回波，其可预报的时效不同。

①西北路径

初始位置在美姑西北部，坝区西北方，以测站为中心，方位310°～350°，距离110～150km。回波向东南方向移动，多与高空槽或锋面云系对应，多为对流回波或混合回波，片状，起始最强回波多在35dBz以上，回波顶高11～14km，回波由强到弱边移动边减弱，影响坝区时，移速相对稳定，回波强度在20～30dBz，时长4～11小时，降水量小到中雨以上。可提前1.5～2小时结合卫星云图做出预测。

②西南路径

初始位置在昭觉南部、布拖、普格、宁南中北部一带，坝区西南方，以测站为中心，方位230°～310°，距离110～150km。回波向东北方向移动，多与孟加拉湾热带风暴尾部云系对应，多为混合回波，片状，起始最强回波多在30～40dBz，回波顶高10～13km，回波强度变化不大，影响坝区时，回波强度在25～35dBz，时长7～20小时，降水量中到大雨以上。可提前2～3小时结合卫星云图作出预测。

③偏东路径

初始位置在绥江、盐津西部，坝区东北方，以测站为中心，方位350°～40°，距离100～150km。回波向偏西方向移动，多与东北路冷空气回流云系对应，多为对流和混合回波，长条状，回波强度变化不大，影响坝区时，回波强度在15～25dBz，时长3～5小时，降水量5～25mm。可提前1～2小时结合卫星云图预报。

④原地型

初始位置在坝区周围10km内，以测站为中心，方位340°～5°，距离90～110km。回波快速影响坝区，与局地热对流发展起来的单片浓积云或积云性层积云对应，对流型，单点状或块状，起始回波多为点状层云，极难发现，在两个体扫时间内便可发展并影响到坝区，回波及地，最强回波强度30～35dBz，回波顶在6～12km，时长10分～3小时，雨量5～30mm，强对流时有短时暴雨，极难预报。

（3）白鹤滩坝区（巧家）可预报时效

①偏北路径

初始位置在西昌附近，大部分回波向偏南方向移动再向东移动影响白鹤滩，多与高空槽或切变线对应，多为对流回波或混合回波，回波在移动中逐渐减弱，影响坝区时，回波强度在20～40dBz，时长3～10小时，降水量小到中雨以上。可提前2～3小时结合卫星云图作出预测。

②西南路径

初始位置在会东、会理一带，坝区西南方。回波向东北方向移动，多与孟加拉湾热带风暴云系对应，多为混合回波，片状，移动中回波强度变化不大，影响坝区时，回波强度在30～40dBz，回波顶高8～14km，时长6～12小时，降水量中到大雨以上。可提前0.5～2小时结合卫星云图做出预测。

③偏东路径

初始位置在威宁境内，回波向偏西方向移动，多与东风倒槽对应，多为对流性和混合回波，大部分回波移动中强度变化不大，影响坝区时，回波强度在30～50dBz，时长2～5小时，降水量大雨及以上。可提前2～3小时结合卫星云图预报。

④原地型

初始位置在坝区附近，回波快速发展，与局地热对流发展起来的单片浓积云或积云性层积云对应，多为副高外围强对流。对流型，单点状或块状，起始回波多为点状层云，极难发现，最强回波强度35～45dBz，回波顶高6～12km，时长15分～3小时，雨量5～30mm，由于发展迅速，预报难度较大。

⑤回流东北路径

受回流冷空气影响时，回波多从昭通市的东北部向西南移动影响白鹤滩坝区，这类回波多为层状云回波，降水较缓，影响时间较长，降水量多在中雨以下，可预报时效较长，一般可提前3～5小时提前预报。

4.对金沙江下游地区降水的探测能力

对流域降水的探测和预报的最终目的是正确预报水位，流域雨量点毕竟有限，通过卫星云图结合雷达回波资料判断流域的降水情况是水位预报较好依据之一。2005年的预报服务工作中，多次通过雷达回波资料向水文通报流域降水情况，取得了较好的服务效果。下面选择2006年7月7日9：23回波（如图9.54）说明昭通雷达对金沙江流域下段的探测能力。

图9.54　2006年7月7日9：23雷达回波强度图

从图9.54中可看到，在不同的仰角层，偏南方向65km以外回波量均较小，100km以外无回波，这是偏南方向无降水云，属正常；0.5°仰角层图上在270°～273°、285°～295°、312°～314°、352°～359°、5°～10°、15°～31°、38°～96°、114°～115°八个方位距离雷达10～11km以外受地物遮挡，其中溪洛渡坝区、向家坝坝区西南方向受遮挡，而白鹤滩坝区周围回波能较好地探测到；1.5°仰角层图上，仅偏东方向的40°～90°距离雷达11～14km以外范围受地物遮挡，其余范围的降水云都能较好地探测到；2.4°仰角层图上，东部遮挡范围缩小至64°～80°距离12km以外区域；3.4°仰角层图上，东部遮挡范围缩小至71°～74°距离14km以外区域；4.3°仰角层图上没有被遮挡区域。

从以上分析可看出，0.5°仰角时可有效探测到白鹤滩坝区及其上游至田坝附近，1.5°和2.4°时除洛泽河中段、白水江中上段不能有效探测外，对距离雷达150km的其他区域能有效探测；仰角抬高到3.4°时洛泽河流域只有很小范围不能被探测，4.3°时虽无遮挡，但对于白水江中上段，距离雷达在90～150km，最低观测高度达8至12km，探测效果较差，而洛泽河中段距离雷达30～60km，最低探测高度在3～5km，能有效探测到致洪降水。

5.小　结

（1）对于降水量较小的层状云降水具有一定探测难度，但其降水较缓，对施工影响不大，溪洛渡坝区日雨量在3mm以上的降水能较好地探测到；白鹤滩坝区日降水量在2mm以上的降水能较好地探测到；对于向家坝电站探测效果较差，只对其西南路径的影响回波有可预报性；对于乌东德坝区只对其东北路径的影响回波有可预报性。

（2）从云顶发展高度来看，对于对流云回波，一般发展高度到6km以上时，对施工区有一定影响，发展到8km以上时影响较大，而溪洛渡坝区最低探测高度为4.3km，白鹤滩坝区最低探测高度为2.3km，均能满足坝区强降水短时预报的需要。

（3）致洪降水的回波一般云顶高度在6km以上，对金沙流域中下段而言，除对白水江流域的牛街上游探测效果较差和绥江南岸至宜宾段以北区域超过探测距离外，其余支流流域有较好的探测效果。

（4）预报时效的统计分析是针对影响溪洛渡坝区或巧家（白鹤滩）的个例来分析的，而在实际预报中有许多回波在移动过程中未造成影响，因此确定回波是否影响坝区还有一个分析过程，实际预报时效会缩短0.5～1小时，这与预报员的经验有关。