楊春華，張 倫，陶汝頌

（云南省水文水資源局大理分局，云南 大理 671000）

0 引言

降雨是徑流模擬和洪水預(yù)報中最重要的信息之一，其時空變化嚴重影響洪峰流量和出現(xiàn)時間。通常情況下傳統(tǒng)洪水監(jiān)測預(yù)報依靠的降雨數(shù)據(jù)是通過分散布設(shè)在關(guān)鍵河道和集水區(qū)的雨量計站網(wǎng)獲得的，但雨量計只能在點上精確測量降水，代表的區(qū)域有限，不能反映降雨空間分布，要準確測量 1 個區(qū)域上的降水分布必須布設(shè)非常稠密的雨量站網(wǎng)，目前在云南這樣經(jīng)濟相對落后，且“十里不同天”的地區(qū)還不現(xiàn)實。

雷達作為一種主動遙感手段，可得到具有一定精度、大范圍、高時空分辨率的實時降水信息，應(yīng)用雷達進行降雨監(jiān)測和面雨量計算，可以提高洪水預(yù)報的精度和時效性，在洪災(zāi)監(jiān)測預(yù)報中有很好的應(yīng)用前景，因此雷達在水文測驗中的應(yīng)用研究日益受到關(guān)注。

隨著雷達技術(shù)的發(fā)展、成熟，雷達可應(yīng)用于降雨量（雨強）、雨滴譜、風(fēng)速等水文要素的測驗，實現(xiàn)大范圍區(qū)域降雨量的監(jiān)測，但目前國內(nèi)外還沒有一套完善、可行的雷達面雨量監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品，為此我國相關(guān)研發(fā)單位進行了深入研究，于 2012 年研制了高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)，并在云南大理洱海區(qū)域內(nèi)成功實驗。

1 雷達自動監(jiān)測面雨量系統(tǒng)研究進展

1.1 天氣監(jiān)視雷達在降水測量上的研究

目前常見的天氣監(jiān)視雷達測雨，是通過雷達天線發(fā)射脈沖式電磁波，當(dāng)電磁波遇到降水或某些云目標時，一部分電磁波會被散射，雷達接收從云雨區(qū)散射回來的回波信號，通過對回波信號強度的分析處理，可確定降水或云的存在及其特性。天氣監(jiān)視雷達主要測量的是 1 個距離庫的平均后向散射功率 Pr 等，不能直接測量降水，主要通過算法和模型估算降水，估算降水的相對誤差較大。同時天氣監(jiān)視雷達受地球曲率和地形等的影響，目前每部 S波段雷達對地表以上 1 km 范圍內(nèi)的觀測覆蓋僅為10%，雖然解決了近距離連續(xù)覆蓋問題，但 90% 區(qū)域“測不到”的問題依然存在。為解決天氣監(jiān)視雷達 90% 區(qū)域“測不到”、“測不準”的問題，在 20世紀 90 年代多普勒雷達網(wǎng)的基礎(chǔ)上， 歐美等發(fā)達國家自 21 世紀初提出用低成本、低功耗、短程、X 波段雷達探測 30 km 半徑內(nèi)的降水，重點研究復(fù)雜地形下的熱帶降水和由此引發(fā)的洪水及山體滑坡，但目前仍處于研究階段，尚未推廣應(yīng)用。為提高雷達估測降水精度，日本從 2003 年開始在東京周圍建設(shè)由 8 部 X 波段雷達組成的監(jiān)測網(wǎng)，目前部署了 26 部覆蓋主要國土，空間分辨率為500 m×500 m[1]。但該網(wǎng)并沒有與其它監(jiān)測設(shè)備有機結(jié)合，至今并沒有看到對估測降水精度有明顯改善的報道。

1.2 天氣監(jiān)視雷達在面雨量監(jiān)測上的擴展

天氣監(jiān)視雷達根據(jù)電磁波傳播的速度及其發(fā)射與接收脈沖信號間的時間差，可計算出目標物到雷達的距離，根據(jù)雷達掃描轉(zhuǎn)動的方位角和仰角及目標物至雷達的距離，確定目標物的空間位置。因此，天氣雷達除了具有探測降水和警戒災(zāi)害性天氣的能力外，還能迅速獲得大范圍內(nèi)的降水，具有定量測量降水的能力。應(yīng)用回波功率和降水強度的統(tǒng)計關(guān)系式，可以定量估算出降水強度的分布情況。

1.3 雷達自動監(jiān)測面雨量系統(tǒng)建設(shè)的研究

單一的天氣雷達系統(tǒng)使用 C 波段對大氣圈的云體和風(fēng)進行監(jiān)測，監(jiān)測半徑最大為 300 km，雷達回波強度為 1000 m × 1000 m。使用 C 波段天氣雷達系統(tǒng)監(jiān)測，監(jiān)測半徑較大但精度較低，監(jiān)測結(jié)果只能作為預(yù)報參考使用，而不能作為水資源量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

為此利用 X 波段測雨雷達及滴譜儀、翻斗式雨量計等采集設(shè)備，配套相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備及軟件和外部供電等輔助設(shè)備，集成構(gòu)建區(qū)域降水自動監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)雖降低了掃描半徑，但提高了精度。同時通過多種監(jiān)測設(shè)備進行對比分析，利用測雨雷達輸出結(jié)果，經(jīng)算法模型計算及數(shù)據(jù)校準等處理后得到區(qū)域范圍內(nèi)每一小塊的雨強數(shù)據(jù)，通過通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳送到中心站；中心站自動接收測雨雷達發(fā)送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫，并生成相應(yīng)的應(yīng)用成果數(shù)據(jù)，從而滿足預(yù)測預(yù)報和水資源量的要求。

2 高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)在大理的應(yīng)用

2012 年聯(lián)合國內(nèi)多家有技術(shù)實力的單位，采用產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的思路，結(jié)合水利應(yīng)用特點，適合我國實際需求、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)（PRS-11）在云南省大理市研發(fā)、建設(shè)、測試、分析論證。項目利用 X 波段測雨雷達構(gòu)建區(qū)域降水自動監(jiān)測系統(tǒng)，測雨雷達測量半徑可達 36 km，測量面積達 4069 km2。通過在特定位置布設(shè) X 波段測雨雷達進行降水量測量，通過數(shù)據(jù)分析處理后將測量結(jié)果自動傳輸至中心接收站，供其他應(yīng)用軟件使用。測雨雷達輸出的是 90 m×90 m范圍的降雨強度，根據(jù)輸出結(jié)果生成所測范圍的降水分布情況和過程。

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)利用 X 波段測雨雷達進行區(qū)域范圍內(nèi)的降水量監(jiān)測；同時通過雨滴譜儀、20 cm 直徑的翻斗式雨量計對測雨雷達進行校準，并將測量結(jié)果通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到中心接收站進行處理、存儲、應(yīng)用。

系統(tǒng)為 4 層架構(gòu)，信息采集層主要實現(xiàn)各類信息的采集，由測雨雷達、滴譜儀、20 cm 直徑的翻斗式雨量計等設(shè)備組成；數(shù)據(jù)處理層是對采集的信息進行處理、算法模型計算和數(shù)據(jù)校準等，由處理計算機、軟件等組成；信息傳輸層將現(xiàn)場處理好的數(shù)據(jù)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到中心接收站，采用 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸；信息應(yīng)用層實現(xiàn)遠程信息的接收、處理、存儲、應(yīng)用等功能，由接收硬件設(shè)備及相應(yīng)軟件組成。

2.2 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由 1 部 X 波段多普勒雨量雷達、4 臺雨滴譜儀、2 組 90 m×90 m （在 90 m×90 m 的面積內(nèi)布設(shè) 5 臺，每個角各 1 臺，中間位置 1 臺，每組共計 5 臺）的 20 cm 直徑的翻斗雨量計，以及布設(shè)在雷達掃描半徑內(nèi)數(shù)個遙測雨量站、1 個數(shù)據(jù)處理單元（DPU）及計算機、通信網(wǎng)絡(luò)等輔助設(shè)備組成。

1）雨量雷達。組成部件有 1.3 m 天線、交流伺服系統(tǒng)、磁控管發(fā)射機、可變中頻數(shù)字中頻接收機、數(shù)字中頻信號處理器（帶 DSU 功能）、監(jiān)控系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、天線罩。

2）雨滴譜儀。組成部件：采集器、發(fā)射機、接收機 、電源，以及控制、運算、存儲、通信等部件。

3）翻斗雨量計。組成部件：20 cm 直徑的翻斗雨量計、GPRS 通信模塊、電源、數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)。

4）數(shù)據(jù)處理單元 DPU。DPU 由以下 2 大部分組成：算法模型，含衰減訂正和雨量反演；控制與應(yīng)用軟件 。

2.3 系統(tǒng)性能

1）每 5 min 提供 1 組 36 km 半徑的累積降雨量和小時雨強；

2）雷達空間分辨率達 90 m×90 m，半徑 36 km，每組降雨量格點數(shù)據(jù)為 502400 個；

3）每 5 min 更新過去 1，3，6 h 等累計面雨量；4）實時提供過程累計雨量，制作等值線等應(yīng)用產(chǎn)品；

5）定時生成水文報表文件等。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用成果

2012 年 6 月至 11 月上旬 PRS-11 在大理布設(shè)并投入試驗運行，系統(tǒng)連續(xù)運行 5 個多月，經(jīng)歷了完整主汛期降雨量監(jiān)測，累計獲取 3 萬多組雨量雷達、雨滴譜儀和雨量站數(shù)據(jù)。經(jīng)與雨量站、雨量計陣、雨滴譜儀所采集的數(shù)據(jù)進行對比，實驗表明：PRS-11 穩(wěn)定性好、獲取數(shù)據(jù)量大、精度高。

2.4.1 PRS-11 與單個雨量站數(shù)據(jù)對比

2012 年 6 月 20 日，PRS-11 系統(tǒng)在大理現(xiàn)場聯(lián)調(diào)成功，16:25 輸出的第 1 組雨強信息為 6 mm/h，大理水文局樓頂?shù)挠炅繉崨r也為 6 mm/h，吻合度很高。

6 月 24—26 日降雨過程，白石溪站 20 cm 直徑雨量計測量降雨和 PRS-11 測量降雨的相關(guān)性達到0.78，PRS-11 測量的過程降水量為 50.66 mm，0.5 mm精度翻斗雨量計為 53.00 mm，兩者的相對偏差為4.4%。

2.4.2 PRS-11 與雨量計組、雨滴譜儀數(shù)據(jù)對比

為校驗 PRS-11 精度，分別在大理市大莊村和才村 2 地（相距 5 km）建設(shè)了 2 組雨量計陣組，每組由 5 臺精度為 0.5 mm 的翻斗式雨量計、1 套精度為0.001～1200.000 mm/h 的雨滴譜儀組成，雨量計分列 90 m×90 m 正方型的 4 個角各 1 臺，中間位置1 臺，另附雨滴譜儀 1 套。

2012 年 9 月 28 日 19 時至 29 日 9 時的降雨過程，大莊村共有 13 h 出現(xiàn)降雨，PRS-11 測得降水為24.48 mm，5 個翻斗式雨量計測得的降水平均值為23.4 mm，雨滴譜儀測量到的降雨量為 26.92 mm，PRS-11 與雨量計均值偏差為 4.62%；才村共有 14 h出現(xiàn)降雨，PRS-11 測得降水為 33.51 mm，5 個翻斗雨量計測得的降水平均值為 35.7 mm，雨滴譜儀測量到的降雨量為 37.18 mm，PRS-11 與雨量計均值偏差為 -6.13%，具體如表1 所示。

表1 PRS-11與雨量計組、雨滴譜儀數(shù)據(jù)對比表

2.4.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

X 波段雷達面雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)是可靠的，在雨強小時雨滴譜儀較為精準，其次為 PRS-11 采集的數(shù)據(jù)較為準確；在雨強大、歷時長的情況下降雨總量偏差不大，但經(jīng)試驗在 90 m × 90 m 空間內(nèi) 5 臺雨量計（符合規(guī)范要求，屬合格產(chǎn)品[2]）間偏差可達18%，單個雨量計與雨量計陣的小時平均值誤差可達20%，因此精度偏差有所放大。

在同一時段面雨量過程完全不同，這突出反映了大理降雨的空間不均勻性特點，在這種情況下，通過建立雨量站網(wǎng)的方法獲取地區(qū)面雨量將產(chǎn)生較大偏差。

3 高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用前景展望

3.1 山洪易發(fā)區(qū)與小流域

在面積不大于 72 km×72 km 的山洪易發(fā)地區(qū)與小流域采取單套 PRS-11 工作模式，即“實測降雨站+ 現(xiàn)場監(jiān)測站群”模式。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)按照雨量雷達選址要求安裝 1 臺雨量雷達、1 臺雨滴譜儀、1 套DPU 構(gòu)成實測降雨站；在區(qū)域內(nèi)距雨量雷達 10 km左右的適當(dāng)?shù)攸c安裝 3～4 臺雨滴譜儀構(gòu)成現(xiàn)場監(jiān)測站群，建立相應(yīng)的通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)對區(qū)域面雨量的自動測量與應(yīng)用。

3.2 大城市與較大流域

對面積大于 4000 km2的城市和流域，采用“多個 PRS-11+ 中心監(jiān)控站”的工作模式。 在每個PRS-11 覆蓋單元內(nèi)按照山洪易發(fā)區(qū)與小流域應(yīng)用解決方案建設(shè) PRS-11，在區(qū)域內(nèi)合適地點建設(shè) 1 個由全固態(tài)預(yù)警控制雷達、DPU 及相應(yīng)的顯示平臺組成的中心監(jiān)控站。運行流程為：中心監(jiān)控站的預(yù)警控制雷達 24 h 連續(xù)自動運行，當(dāng)監(jiān)測到區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)降雨信息后，遠程自動開啟區(qū)域內(nèi)相應(yīng)單元的 PRS-11系統(tǒng)，降雨過程結(jié)束后遠程關(guān)閉相應(yīng)單元的 PRS-11系統(tǒng)。每個單元的 PRS-11 將監(jiān)測、處理結(jié)果及運行狀態(tài)遠程傳送到中心監(jiān)控站，實現(xiàn)在中心監(jiān)控站的雨量拼圖和遠程控制。

4 結(jié)語

通過在云南大理的 X 波段雷達區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制、測試，總結(jié)出：X 波段雷達面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)通過多種雨量采集設(shè)備的對比分析證明系統(tǒng)的科學(xué)性、可行性、可用性；相對傳統(tǒng)的區(qū)域面雨量監(jiān)測方式，建設(shè)投資效益明顯，且維護、管理設(shè)備量減少，工作時效性大大提高，雷達區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)必然會強化水文監(jiān)測、服務(wù)能力，為立體化水文監(jiān)測、專業(yè)化水文服務(wù)和應(yīng)用，以及精細化水文水資源管理提供更強有力的支撐。

天氣監(jiān)視雷達可廣泛應(yīng)用于常規(guī)水文、中小河流洪水、山地災(zāi)害、城市內(nèi)澇、航空、高速公路、鐵路及輸電線沿線、區(qū)域水質(zhì)、水資源精細化管理等的降雨量（雨強）、雨滴譜、風(fēng)速等水文要素的測驗。高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)可逐漸在山洪易發(fā)區(qū)與小流域、大城市與較大流域等推廣應(yīng)用，實現(xiàn)大范圍區(qū)域降雨量的監(jiān)測，具有較大推廣應(yīng)用價值。

[1]XRAIN 雨量情報、地域選擇[EB/OL]. [2012-12-10].http://www.river.go.jp/xbandradar.

[2]中華人民共和國水利部. SL61-2003 水文自動測報系統(tǒng)規(guī)范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2003: 8-9.