基于数值预报模式的Ka频段卫星系统降雨衰减短时预测

王洪锋，张晖，李强，卢昌盛

1.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京100094 2.中国电子科技集团22所，青岛266107

基于数值预报模式的Ka频段卫星系统降雨衰减短时预测

王洪锋1,*，张晖1，李强1，卢昌盛2

1.北京空间信息中继传输技术研究中心，北京100094 2.中国电子科技集团22所，青岛266107

为精确地实现Ka频段星地链路降雨衰减的短时趋势和强度预测，提出了一种基于数值天气预报的降雨衰减短时预测方法，设计了降雨衰减预测流程，并应用上述方法对某地区发生的降雨过程进行研究，比较分析了降雨衰减的实测值和基于数值预报的降雨衰减预测值。试验结果表明，基于数值预报的降雨衰减和实测值变化趋势符合较好，误差较小，在20 GHz频段平均误差约为1.31 dB，在30 GHz频段平均误差约为2.39 dB，在20 GHz频段平均误差约为1.31 dB,在30 GHz频段平均误差约为2.39 dB。该方法可实现Ka频段卫星通信系统的短时降雨趋势预测。

数值天气预报；Ka频段；降雨衰减；短时预测；卫星通信

Ka频段在星地空间传播时受大气环境影响很大，尤其是降雨会带来信号强度的严重衰减。根据实测和估算，在Ka频段短时间内降雨的衰减可高达40 dB1-2]，如此大的衰减量将造成星地通信链路中断，严重制约了Ka频段卫星通信系统可用度，影响到数据通信业务规划和资源分配。因此在Ka频段通信系统设计中，必须考虑降雨衰减的影响，留有足够余量。同时在系统建成后，准确实现短时(未来数小时或数十分钟)预测降雨衰减趋势，并据此进行动态资源分配，合理规划通信业务，对于提高Ka频段卫星通信系统工作效能具有重要意义。

传统的Ka频段降雨衰减预测都是基于历史气象数据统计建模给出长期的降雨特征统计和趋势预测，更适用于卫星通信系统的设计阶段，无法提供短时的降雨衰减预报。一些科学家提出利用气象雷达网络和数字天气预报系统提供的数据来预报短期内的通信传播条件，将各种传播影响的计算模型如降雨衰减模型，云、大气衰减模型，闪烁变化，频谱模型相结合最终得到衰减情况3-6]。同时，一些科学家提出了利用数值天气预报和卫星的观测图片进行衰减情况预测和资源分配的方法，实时运转可以对整个卫星通信网络的可用率进行衰减预报，并根据衰减情况进行资源分配7-9]。本文基于数值天气预报方法进行Ka频段卫星系统降雨衰减的短时预报研究，可以精确地实现Ka频段星地链路降雨衰减的短时趋势和强度预测，为Ka频段卫星通信系统短时可用度分析提供参考，进而实现实时规划数据通信业务和资源分配。

1 数值天气预报模型研究

数值天气预报是指根据各类气象资料，在一定的初值和边界条件下，通过数值计算求解描述天气演变过程的流体力学和热力学方程组，来预测未来一段时间的大气运动和天气情况的方法。作为一种定量的客观预报方法，选取适合于降雨衰减特性研究的数值模式无疑是进行衰减特性预测研究的关键之一。

对于几十到几百千米空间内未来几小时到几天时间内降雨的预报，中尺度大气模式是一种尺度合适的研究工具。天气研究与预报模式(Weather Research and Forecasting，WRF)是由美国多家科研机构联合开发的基于业务预报和天气研究需要而设的中尺度数值天气预报模式10]。WRF适用于几米到数千千米尺度现象的研究，可应用在理想模型研究、参数化研究、数据同化研究、预报研究、实时预报、耦合模式应用和教学等领域，目前已在多个国际机构应用于实际的业务预报。本文基于WRF来进行降雨衰减特性的研究。

WRF模型的控制方程是全弹性大气非静力平衡原始方程，其数学表达式为10-13]：

1)水平方向采用ArakawaC网格点，垂直方向则采用地形追随质量坐标，气压地形跟随质量坐标的表达式为：

(1)

式中:ph为静力气压;phs和pht是地面和模式大气顶边界气压。η随高度而变化，η在地面为1，在模式顶为0。在坐标空间与物理空间中，提供了此网格尺度的湍流公式。对于真实大气的模拟，提供了4种地图投影方式，这4种地图投影分别为：兰伯特投影、极射投影、麦卡托投影、经纬度投影。

2)控制方程采用通量形式的欧拉方程。μ(x,y)代表了单位面积的大气柱的质量，因此，通量形式变量为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：φη为φ在η方向的分量。静力气压诊断关系为：

(9)

状态方程为：

(10)

式中：γ=cp/cv=1.4;Rd为干空气气体常数，p0为参考气压；FU、FK、FW、FΘ表示由模式物理过程、湍流混合、球面投影和地球旋转引起的强迫项。

上述方程共同构成了闭合方程。

3)时间积分方案采用的是时间分裂的积分方案，即低频波部分采用3阶Runge-Kutta时间积分方案，高频声波部分采用小时间步长积分扰动变量控制方程组以保证数值稳定性。定义预报变量,模式方程Φ=(U，K,W，Θ，Qm)，模式方程Φt=R(Φ)，Runge-Kutta通过以下3个步骤实现从Φt→Φt+1的积分：

(13)

式中：Δt为模式积分步长。对U，K，W，Θ等变量应用式(13)可以用于闭合方程的求解。

4)针对不同的应用场景提供多种不同的物理过程方案和边界层参数化方案。

2 数值天气预报模式设计

2.1WRF预报模式组成

WRF数值天气预报模式主要模块组成如图1所示14]。

1)外部数据源：这部分主要是数据输入接口，包括常规观测数据、地理数据，以及来自于其他观测系统的数据。

2)预处理模块(WRFPreprocessingSystem，WPS)：该模块主要用来进行实际数据仿真。功能包括定义仿真区域，计算地理栅格的纬度、经度、地图比例尺及其他有关参数，插入仿真区域的非时变的地理参数(如地域高度和土壤类型等)，将来自其他模式的时变气象数据插值到仿真区域。此模块的目的是为真实数据模拟提供背景场。

3)数据同化模块(WRFDataAssimilation，WRFDA)：采取经验、统计(如三维变分、四维变分)或扩展卡尔曼滤波方法，对站点观测、卫星、雷达等观测数据归一处理，改善模拟所需的初始场和边界条件。

4)数值预报主程序模块：生成模拟所需的初始背景场和时变边界条件，进行数值积分运算。作为WRF模型的核心组成部分，它包含几个用来进行数据仿真的初始化程序和数值积分程序。它主要有以下关键特征：采用完全可压缩非静力方程、完整的科氏和曲率条件、多种嵌套功能可选、具有多种地图投影方案、2阶到6阶平流层积分选项、时分小步进的声波和重力波模型、地表、大气和表面辐射云层等全面的物理特性选项，以及其他一些功能。

5)后处理模块：对模式输出结果进行分析处理，图形展示等。

2.2 星地链路降雨衰减预测流程

图1 WRF模式模块组成Fig.1 WRF model module diagram

采用WRF中尺度数值天气预报模式，根据降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；同时设定物理化方案、预报时长、积分步长等参数如表1所示；采用全球模式GFS预报结果作为WRF的背景场；运用数据同化模块将常规观测数据(如探空数据、地面数据等)和卫星遥感数据融合到背景场数据中，改善背景场数据质量，以取得更好的降雨预报效果15]。在WRF模式的不同物理化参数方案中选用已研究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，结合降雨衰减实测数据，选择效果较好的降雨强度预报参数方案。其中雨衰实测值主要通过降雨条件下卫星遥测信号电平值的变化和卫星接收上行遥控信号功率的变化来得到；雨衰预测值根据WRF预报结果和雨衰模型综合得到16-17]。

表1 WRF模式设置

通过数值天气预报得到降雨强度的三维空间分布，进一步运用差值方法得到关心区域中电波链路上的降雨强度，然后基于无线电信息系统的参数，如载波频率、极化特性以及通信仰角并利用雨衰减率计算方法得到区域的降雨衰减分布。系统流程如图2所示。系统具体传播链路的降雨衰减短期预报流程如图3所示。

应用数值天气预报方法，利用降雨强度、雨顶高度、频率、仰角等参数计算降雨衰减，其中雨顶高度由模式所得温度三维场计算得到，应用以下方法：

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：

图2 星地链路降雨衰减预测流程Fig.2 Rain attenuation prediction process of satellite ground link

图3 链路雨衰减短时预报流程Fig.3 Link rain attenuation short time forecasting process

(14)

令T0=0℃，得到该点的雨顶高度。应用基于数值模式的雨衰减预测可得到所需空间范围内关心时段的降雨强度、雨衰减等参数。

3 降雨过程预测结果分析

3.1 降雨衰减预测

应用上述方法对某地区发生的一次强度较大的降雨过程进行研究。在两个不同仰角22°和30°及两个频率20GHz和30GHz上，对星地链路上降雨衰减进行预测。未来某一时间的降雨强度空间分布如图4所示，该时间不同仰角和频率条件下的降雨衰减预报结果如图5所示。

分析不同仰角及频率的预测结果，比较图5(a)和图5(b)以及图5(c)和图5(d)得出在相同频率上低仰角的降雨衰减比高仰角的大；比较图5(a)和图5(c)以及图5(b)和图5(d)得出在同一仰角上降雨衰减随着频率的增加而增大；比较图4和图5可以得出降雨衰减随着降雨量的增加而增大。

图4 降雨强度空间分布Fig.4 Spatial distribution of rainfall intensity

图5 不同频率不同仰角的降雨衰减预测Fig.5 Rain attenuation prediction at different frequency and different elevation angles

3.2 降雨衰减比较分析

对当地连续4h的降雨量和降雨衰减进行测量，并利用同一时段的当地气象数据和数值预报的降雨强度进行降雨衰减的比较验证，其中降雨量实测数据来自于当地场区的雨量计观测值，20GHz降雨衰减和30GHz降雨衰减数据来源于当地场区卫星信标观测值。观测和预报的降雨强度如和表2和图6所示。

表2 降雨量的观测和预报结果

图6 数值预报结果Fig.6 Numerical prediction results

在20°仰角条件下对不同时间段、不同频段的降雨衰减比较,结果见表3和图7、图8所示。

表3 降雨衰减结果对比

图7 20 GHz降雨衰减结果比较Fig.7 Comparison of 20 GHz rainfall attenuation results

图8 30 GHz降雨衰减结果比较Fig.8 Comparison of 30 GHz rainfall attenuation results

在另一时间窗口进行的降雨衰减预测结果如表4所示。

表4 降雨衰减结果对比

通过短时预报结果比较可以看出，基于数值预报的降雨衰减和基于实测降雨强度计算获得的降雨衰减变化趋势符合较好，误差较小，在20GHz频段平均误差约为1.31dB，在30GHz频段平均误差约为2.39dB。但由于数值天气预报的中尺度预报特性，因此在某些时间上的降雨衰减预报存在一定的误差，如表3、表4中T0+2至T0+3时间段内30 GHz降雨衰减预报值与观测值的误差分别为6.91 dB和4.50 dB。针对这一情况，在进一步积累数据的基础上，考虑在预报数据源中，增加更加精确的天气预报数据，改善预报结果和预报精度。

4 结束语

本文提出的基于数值天气预报的Ka频段降雨衰减短时预测方法，可以较精确地实现Ka频段星地链路降雨衰减的短时趋势和强度预测，为Ka频段卫星通信系统短时可用度分析提供了参考，并为进行数据通信业务规划和动态资源分配提供了依据。后续有必要通过对模型和数据源进一步深入研究，从而推进该方法的实用化和工程化。

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(编辑：高珍)

Short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction

WANG Hongfeng1,*，ZHANG Hui1，LI Qiang1，LU Changsheng2

1.BeijingSpaceInformationRelayandTransmissionTechnologyResearchCenter，Beijing100094,China2.The22ndInstituteofCETC，Qingdao266107，China

In order to accurately predict the short-term trend and intensity of rain attenuation in Ka-band satellite ground link,short-time rain attenuation prediction for Ka-band satellite communication system based on numerical weather prediction was introduced,and the prediction process was designed. Then one rainfall process in a region was studied by using the method mentioned above,and the measured values of rainfall attenuation and the forecast value of rainfall attenuation based on numerical forecast were compared and analyzed. The experimental results show that the error of rainfall attenuation is small between the forecast values and measured values, and their variation trend is in good agreement.This method can be used for short-term rainfall prediction of Ka-band satellite communication system.

numerical weather prediction；Ka-band；rain attenuation；short-term prediction；satellite communication

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0008

2016-05-04；

2016-08-30；录用日期：2016-11-24；

时间：2017-02-16 18:18:52

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170216.1818.007.html

王洪锋,张晖,李强,等.基于数值预报模式的Ka频段卫星系统降雨衰减短时预测J].中国空间科学技术,2017,37(1)：82-88.WANGHF,ZHANGH,LI,etal.Short-timerainattenuationpredictionforKa-bandsatellitecommunicationsystembasedonnumericalweatherpredictionJ].ChineseSpaceScienceandTechnology,2017,37(1)：82-88(inChinese).

V556.8

A

http:∥zgkj.cast.cn

*通讯作者：王洪锋(1977-)，男，博士，高级工程师，econtribution@163.com，研究方向为航天测控等