牛睿平，唐躍平，魏 廣，唐 煒

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

利用雨量雷達(dá)構(gòu)建面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)

牛睿平1,2，唐躍平1,2，魏 廣3，唐 煒1,2

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；
2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；
3.江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

雨量雷達(dá)是專門適用于氣象目標(biāo)中降雨量定量測量的雷達(dá)設(shè)備，高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)則是應(yīng)用雨量雷達(dá)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)雨量監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)通過雨滴譜儀與模型算法解決衰減訂正和雨量數(shù)據(jù)計算準(zhǔn)確度問題，可以方便地獲得區(qū)域內(nèi)的降雨分布情況和有效的降雨量，與常規(guī)單點雨量定量測量相比，在較大區(qū)域內(nèi)測量雨量，整體上精度高，成本低。經(jīng)過大理監(jiān)測區(qū)域的驗證，面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)具備較高的測量精確度，具有較好應(yīng)用前景。

雨量雷達(dá)；定量測雨；高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)

0 引言

目前條件下，國內(nèi)大部分監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的雨量數(shù)據(jù)主要是通過分散布設(shè)的傳統(tǒng)雨量計（如翻斗式或稱重式雨量計）站網(wǎng)獲得的。但雨量計只能在點上精確測量降雨，代表的區(qū)域非常有限，不能反映降雨的空間分布。要準(zhǔn)確測量區(qū)域內(nèi)的降雨分布，必須布設(shè)非常稠密的雨量站網(wǎng)，目前在我國還不現(xiàn)實。雨量雷達(dá)作為一種主動遙感手段，可得到具有一定精度的、大范圍高時空分辨率的實時降雨量信息，利用雨量雷達(dá)實現(xiàn)雨量定量監(jiān)測是近年來國內(nèi)外研究的熱點課題，但在實際應(yīng)用中需要重點解決其在雨量測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度方面的問題。為此結(jié)合在大理地區(qū)使用的利用雨量雷達(dá)構(gòu)建的高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)（PRS-11 系統(tǒng)），分析面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能、試驗情況、應(yīng)用成果，以推動面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用。

1 雨量雷達(dá)定量測雨

天氣雷達(dá)是利用雷達(dá)天線間歇性地向空中發(fā)射脈沖式電磁波，電磁波以近似于直線的路徑和接近于光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上若遇到氣象目標(biāo)物（大氣介質(zhì)、云、降水粒子），脈沖電磁波會被氣象目標(biāo)物散射，其中散射返回雷達(dá)的電磁波（回波信號后向散射）被雷達(dá)接收機處理后，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。根據(jù)電磁波傳播的速度及發(fā)射與接收脈沖信號間的時間差，可計算出目標(biāo)物到雷達(dá)的距離；根據(jù)雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)動的方位角和仰角，以及目標(biāo)物至雷達(dá)的距離，可確定目標(biāo)物的空間位置，從而反映出氣象目標(biāo)物的天氣特征并用于氣象分析。表示氣象目標(biāo)散射特性的物理量有雷達(dá)截面（即后向散射截面）、反射率及反射因子等。天氣雷達(dá)中專門用于降水量測量的通稱為雨量雷達(dá)。

1.1 雨量雷達(dá)測雨的原理

雨量雷達(dá)通過計算雷達(dá)回波強度推算氣象目標(biāo)的實際物理狀況。雷達(dá)回波強度不僅取決于雷達(dá)系統(tǒng)各參數(shù)的特性，而且和被觀測的云、降水粒子的性質(zhì)有關(guān)，還與雷達(dá)與被測目標(biāo)之間的距離及其間的大氣狀況有關(guān)。綜合分析這些因素，通過雷達(dá)氣象方程，建立雷達(dá)平均接收功率 Pr與反射因子 Z 的關(guān)系，而 Z 與觀測區(qū)域內(nèi)的降水強度 I 存在一定的關(guān)系，因此在一定的條件下，使用雨量雷達(dá)直接測量可以推算出實際的降水強度。使用雨量雷達(dá)定量測量降水的方法有很多，如 Z - I 關(guān)系法、標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)法、衰減法和正交偏振法等，目前最常用的是 Z - I關(guān)系法，即應(yīng)用雷達(dá)氣象方程由測得的雷達(dá)回波功率算出 Z 值，然后根據(jù)特定條件下的 Z - I 關(guān)系推算出降水強度 I。

1.2 雨量雷達(dá)測雨的準(zhǔn)確度

自從雨量雷達(dá)投入應(yīng)用后，國內(nèi)外在雨量雷達(dá)定量降水計算上進(jìn)行了大量的研究，重點解決定量測量降水的準(zhǔn)確度問題。雨量雷達(dá)定量測量降水的準(zhǔn)確度主要取決于以下幾個因素：

1）雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的精確程度。主要包括部分雷達(dá)參數(shù)沒有準(zhǔn)確標(biāo)定的固定誤差，以及雷達(dá)設(shè)備在工作過程中本身不穩(wěn)定造成的隨機誤差。

2）雷達(dá)系統(tǒng)平均回波功率的準(zhǔn)確度。

3）雷達(dá)測量誤差。主要指在測量區(qū)域內(nèi)，由于地球表面曲率和雷達(dá)掃描仰角的關(guān)系，雷達(dá)有效照射體積的位置在高度上變化較大（遠(yuǎn)距離降水目標(biāo)可能達(dá)到距地面 3 000 m），降水在下落到地面的過程中強度也可能發(fā)生變化，而需要測量的降水通常意義上是指地面位置的降水，從而產(chǎn)生雷達(dá)測量誤差。另外還包括地物雜波對雷達(dá)測量準(zhǔn)確性的影響，及衰減對雷達(dá)測量準(zhǔn)確度的影響等。

4）Z - I 關(guān)系不穩(wěn)定造成的誤差。Z - I 關(guān)系是一個多次測量的平均統(tǒng)計關(guān)系，Z - I 關(guān)系不穩(wěn)定會造成計算具體降雨場次的雨強誤差偏大。Z - I 關(guān)系受降水類型影響大，同時受雨滴譜分布變化影響較大。

針對影響雷達(dá)定量測量降水準(zhǔn)確度的因素，主要通過以下措施提高測量的準(zhǔn)確性：

1）隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及材料工藝水平的提高，雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和回波強度的準(zhǔn)確性都有了大幅度的提高，同時在雷達(dá)的使用過程中定時進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定也有助于提高系統(tǒng)的精確程度。

2）使用小范圍低仰角的短程雷達(dá)進(jìn)行定量降水測量，可減少雷達(dá)測量的位置誤差；選擇合適的安裝位置和更優(yōu)化的回波信號處理技術(shù)，可減少地物雜波對測量準(zhǔn)確度的影響；研究更優(yōu)化的衰減訂正技術(shù)，減少衰減對測量準(zhǔn)確度的影響。

3）在雨量雷達(dá)測量區(qū)域內(nèi)增加雨量計的同步測量，使用雨量計測量的真實降水值修正 Z - I 關(guān)系，穩(wěn)定 Z - I 關(guān)系，提高測量的準(zhǔn)確性。

1.3 雨量雷達(dá)測雨的優(yōu)勢

盡管采取了很多措施提高雷達(dá)定量降水測量的準(zhǔn)確性，但利用雷達(dá)測量單點定量降水的總體準(zhǔn)確性不高，總體誤差一般會高于 50%。目前采用的傳統(tǒng)雨量計在單點降水測量上均滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，在準(zhǔn)確性上優(yōu)于雨量雷達(dá)。另外使用雨量計構(gòu)建單點雨量自動采集站成本低且易于維護(hù)，在使用方面具有明顯優(yōu)勢。

另一方面，由于自然降水在區(qū)域內(nèi)為非連續(xù)場，存在明顯的時空變化，且受環(huán)境因素影響較大。在區(qū)域降雨自動監(jiān)測上，雨量計由于本身測量面積的問題，在實測降雨的代表性上受到很大限制，同時在實際工作中又不可能在某一區(qū)域設(shè)置很多自動雨量站來測量降雨，過多的雨量自動站會帶來投資加大和維修工作量成倍上升的問題。雨量雷達(dá)能在短時間內(nèi)觀測到大范圍的降雨分布情況，同時測量降雨的誤差大多是隨機誤差，對一段時間或一定區(qū)域內(nèi)的雨量雷達(dá)測量降雨強度進(jìn)行累加或平均，由于隨機誤差的正負(fù)抵消作用，使得該時段或區(qū)域內(nèi)的雨量測量值在整體上比單點測量值更加準(zhǔn)確。因此利用雨量雷達(dá)構(gòu)建區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)在理論上是可行的。同時，在一個相對較大的區(qū)域內(nèi)，使用單套雨量雷達(dá)設(shè)備構(gòu)建整體的區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)，在成本和維護(hù)方面與傳統(tǒng)需要大量建設(shè)的自動雨量站相比，也具有一定的優(yōu)勢。

2 高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 PRS-11 系統(tǒng)的研發(fā)

2011 年 11 月，由水利部水文局組織，我國相關(guān)研發(fā)單位的專家進(jìn)行了高分辨區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)項目的研發(fā)，重點解決利用雷達(dá)實現(xiàn)區(qū)域降雨定量測量的問題。

PRS-11 系統(tǒng)采用 X 波段雨量雷達(dá)進(jìn)行區(qū)域雨量監(jiān)測，并通過區(qū)域內(nèi)若干臺激光雨滴譜儀的實測降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與衰減訂正，應(yīng)用回波功率和降水強度統(tǒng)計關(guān)系式，經(jīng)算法模型計算后得到區(qū)域內(nèi)的雨量分布，并定量計算出雨量值。系統(tǒng)測量半徑可達(dá) 36 km，測量面積約 4 000 km2，系統(tǒng)采用全自動運行方式，實現(xiàn)區(qū)域雨量自動監(jiān)測，每 5 min 生成 1 組區(qū)域內(nèi)空間分辨率為 90 m×90 m 范圍的降雨強度數(shù)據(jù)，測量雨強精度達(dá)到 0.1 mm/h，并可根據(jù)基本雨強數(shù)據(jù)完成任意時段累計雨量、等值線、雨量拼圖、降雨過程回放、統(tǒng)計報表、專題圖等成果的應(yīng)用，從而直觀反映區(qū)域降雨分布情況和過程。

2.2 PRS-11 系統(tǒng)解決的問題

與傳統(tǒng)雨量自動站相比，PRS-11 系統(tǒng)可重點解決以下問題：

1）使用雨量雷達(dá)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)連續(xù)自動面雨量監(jiān)測，得到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)時間與空間連續(xù)的雨量數(shù)據(jù)；應(yīng)用回波功率和降水強度統(tǒng)計關(guān)系式計算出定量雨量數(shù)據(jù)。

2）使用輔助產(chǎn)品修正和物理意義明晰的數(shù)學(xué)模型，解決降雨量計算的精度問題。

3）針對生成的面雨量數(shù)據(jù)，為用戶提供多種應(yīng)用解決方案。

2.3 PRS-11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由實測降雨站、區(qū)域中心站、中心站應(yīng)用軟件等組成。其中區(qū)域中心站通過雨量雷達(dá)實現(xiàn)區(qū)域雨量監(jiān)測，實測降雨站通過激光雨滴譜儀對雨量測量進(jìn)行校準(zhǔn)，中心站應(yīng)用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、應(yīng)用等各項功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實測降雨站包括滴譜儀、數(shù)據(jù)采集儀、GPRS 通信模塊、太陽能電池板、蓄電池和相應(yīng)的安裝輔件等設(shè)備；區(qū)域中心站包括 X 波段雨量雷達(dá)、現(xiàn)場計算機、UPS 不間斷電源、電源避雷器及相應(yīng)的安裝輔件等設(shè)備；中心站軟件包含數(shù)據(jù)接收處理、算法模型、信息應(yīng)用等軟件內(nèi)容；另外還需要系統(tǒng)支撐軟件，如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、GIS 等平臺軟件。根據(jù)所監(jiān)測的降雨范圍不同，一般設(shè)置 3～8 處實測降雨站，即可滿足雨量精度的校準(zhǔn)要求。

2.4 PRS-11 系統(tǒng)功能

PRS-11系統(tǒng)主要實現(xiàn)區(qū)域面雨量的自動監(jiān)測與應(yīng)用，具體包括信息采集、接收處理、存儲與共享、維護(hù)、查詢統(tǒng)計分析，以及預(yù)報預(yù)警、調(diào)度決策支持等功能

產(chǎn)品輸出如下：1）原始數(shù)據(jù)，主要包括強度場、速度場、粒子譜、速度譜；2）基本產(chǎn)品，包括雨強，1，3，6 h 及任意時段累計雨量，等值線分析等；3）應(yīng)用產(chǎn)品，包括降雨過程回放，24 h 動態(tài)雨量分布，區(qū)域降雨面積統(tǒng)計，雨量拼圖，統(tǒng)計報表，專題圖制作等。

系統(tǒng)主要性能如下：

1）高時空分辨率。每 5 min 輸出步長為 10 s 的粒徑譜、速度譜；輸出空間分辨率為 90 m×90 m 的面雨量場。

2）無縫隙的面雨量。實現(xiàn) 36 km 半徑內(nèi)空間的連續(xù)覆蓋。

3）最佳仰角掃描?？蛇M(jìn)行可變的最佳掃描仰角掃描測量。

4）垂直掃描?？蛇M(jìn)行垂直掃描，部分解決 X 波段雷達(dá)的衰減問題。

5）無人值守。有豐富的自動報警、監(jiān)測等控制和分析應(yīng)用軟件，可實現(xiàn)自動報警、監(jiān)測。

6）優(yōu)化的計算模型。實時衰減訂正和動態(tài)數(shù)學(xué)物理模型，提高定量測量精確度。

2.5 PRS-11 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點

在分析總結(jié)國內(nèi)外同類研究的基礎(chǔ)上，針對影響雨量雷達(dá)定量測量降雨精確度的問題，PRS-11 系統(tǒng)主要采用的關(guān)鍵技術(shù)和與創(chuàng)新點有：

1）采用雨量雷達(dá)進(jìn)行較小區(qū)域的降雨定量測量。為了降低雷達(dá)測量的位置誤差，本系統(tǒng)確定的監(jiān)測區(qū)域為半徑 36 km，面積約為 4 000 km2。

2）使用激光雨滴譜儀實現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)修正及衰減訂正。與雨量計相比，激光雨滴譜儀除使用實測雨量值實現(xiàn)數(shù)據(jù)修正（即提高 Z - I 關(guān)系的穩(wěn)定性）功能外，還可提供實時雨滴譜，實現(xiàn)雷達(dá)的實時衰減訂正及雨強反演功能。

3）在監(jiān)測過程中利用雨量雷達(dá)垂直探測實現(xiàn)衰減訂正功能。

4）在監(jiān)測過程中，雨量雷達(dá)天線根據(jù)擋角圖和等射束高度圖，自動控制天線進(jìn)行最佳仰角掃描運行，減少雷達(dá)測量誤差。

2.6 PRS-11 系統(tǒng)試驗情況及成果

PRS-11 系統(tǒng)于 2012 年研制成功，同年在云南省水文水資源局大理分局進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，主要考核系統(tǒng)設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行時間、連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和傳輸正確率、面雨量測量精度質(zhì)量評估等內(nèi)容。在大理監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)了 2 個 90 m×90 m 的雨量觀測場，每個觀測場使用 5 個（四角和中心）0.5 mm 的翻斗式雨量計收集降雨資料，另外在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)已建的 8 個遙測雨量站的數(shù)據(jù)也用于數(shù)據(jù)對比分析。

經(jīng)過 1 年多的現(xiàn)場試驗與對比分析，各項指標(biāo)基本滿足設(shè)計要求，得到以下基本結(jié)論：

1）PRS-11 系統(tǒng)設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行時間和監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸正確率均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求；

2）PRS-11 系統(tǒng)能夠提供連續(xù)區(qū)域內(nèi)面降雨量的空間分布信息；

3）PRS-11 系統(tǒng)與雨量計相比，對小雨更敏感；

4）PRS-11 雨滴譜儀對雨量雷達(dá)數(shù)據(jù)的修正效果明顯；

5）PRS-11 系統(tǒng)監(jiān)測的區(qū)域雨量值與雨量計陣的小時平均值相比，在小時累計值大于 5 mm 的情況下，平均誤差為 16.6%。

6）在建設(shè) PRS-11 系統(tǒng)時，需要選擇合適的位置進(jìn)行雨量雷達(dá)和雨滴譜儀的安裝。

3 結(jié)語

利用雨量雷達(dá)構(gòu)建區(qū)域面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)，近年來在理論研究和實踐應(yīng)用上都有了較大發(fā)展，PRS-11 系統(tǒng)是國內(nèi)較新的應(yīng)用案例。從前期應(yīng)用來看，雷達(dá)面雨量測量在空間連續(xù)性、降雨演進(jìn)情況、面雨量成果應(yīng)用、小雨強測量、監(jiān)測密度等方面，與傳統(tǒng)自動雨量站相比具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。

PRS-11 系統(tǒng)可實現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)面雨量的連續(xù)自動監(jiān)測，可用于降雨監(jiān)測、城市洪澇減災(zāi)、中小流域山洪泥石流災(zāi)害預(yù)警、洪水預(yù)報、水資源分析、災(zāi)害評估、大型活動保障、交通運輸、科研等工作，具有較高的科研價值與廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)于雷達(dá)面雨量的測量結(jié)果如何率定，雷達(dá)測量數(shù)據(jù)在資料方面與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)如何銜接，則是今后研究工作中需要重點解決的問題。

[1] 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].2 版.北京：氣象出版社，2000: 171-210.

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Automatic Monitoring System of Area Rainfall based on Rain Radar

NIU Ruiping1,2,TANG Yueping1,2,WEI Guang3,TANG Wei1,2
(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
3.Jiangsu Naiwch Co.Ltd,Nanjing 210012,China)

The rain radar is a kind of specific radar equipment suitable for rainfall quantity measurement in meteorology subject.The automatic monitoring system of fine grid precipitation uses the rain radar to monitor area rainfall.The monitoring system solves attenuation correcting and rainfall data quality control by means of raindrop spectrometer,real-time attenuation model and inversion algorithm.It can obtain area rainfall distribution and effective rainfall data.Compared with regular single rainfall measurement,that monitoring system has the advantage of high entirety accuracy with low cost in large area.The monitoring system has high measurement accuracy and good application future after being proved by field test at Dali.

rain radar;rainfall quantity measurement;automatic monitoring system of the fine grid precipitation

P335

A

1674-9405(2015)01-0033-04

2014-07-18

水利公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201401042）

牛睿平（1973－），男，陜西漢中人，高級工程師，主要從事計算機軟件設(shè)計、工程項目管理、技術(shù)方案咨詢等工作。