廖文凱，張增弟，李運堂

（1.廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023；2.崇左水文中心，廣西 崇左 532200）

引言

左江發(fā)源于越南與廣西交界的枯隆山，上游在越南境內(nèi)稱奇窮河（又叫黎溪），于憑祥市平而關(guān)進入中國境內(nèi)后稱平而河，流至崇左龍州縣城有支流水口河匯入。左江干流全長539 km，左江上游控制站龍州水文站流域面積12 465 km2，其中有11 579 km2在越南境內(nèi)。越南境內(nèi)目前僅有高平、范米、涼山3 個站的信息按4 段2 次通過人工以電子郵件方式報送給我國，存在站點少、信息不及時的問題，無法滿足左江上游洪水預警預報工作的需要。低空雷達測雨是一種最新的雨量監(jiān)測設(shè)備，可監(jiān)測一定區(qū)域范圍有效的降雨量。廣西壯族自治區(qū)水文中心在水口和平而水文站安裝了2 套低空測雨雷達，通過對比分析，逐步解決越南報汛不足問題。

1 左江上游高分辨率面雨量雷達測雨系統(tǒng)簡介

1.1 雷達組網(wǎng)

廣西壯族自治區(qū)水文中心（原廣西水文水資源局）于2017年7月建設(shè)完成了左江上游高分辨率面雨量雷達測雨系統(tǒng)，在水口和平而兩個水文站分別建設(shè)X 波段雨量雷達，利用X 波段雨量雷達測雨技術(shù)，實現(xiàn)了對左江上游半徑96 km 范圍內(nèi)面雨量數(shù)據(jù)的獲取，覆蓋了左江上游境外全流域。通過2 臺X波段低空雷達組網(wǎng)測雨，實現(xiàn)雷達監(jiān)測雙備份，擴大監(jiān)測范圍，增強數(shù)據(jù)監(jiān)測的可靠性。

1.2 雷達測雨系統(tǒng)

左江上游高分辨率雨量雷達測雨系統(tǒng)主要由2部 X 波段雨量雷達、8 臺雨滴譜儀（1 部 X 波段雨量雷達配套4 臺雨滴譜儀）等數(shù)據(jù)采集模塊以及數(shù)據(jù)接收處理單元、應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)、運行監(jiān)控管理平臺等軟件系統(tǒng)組成（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

2 部X波段雨量雷達分別架設(shè)在水口和平而水文站，為達到主要觀測方向雷達掃描仰角不高于2°的情況，兩部雷達分別用鐵塔的形式架高15 m 和20 m。每部雷達對應(yīng)的4個雨滴譜儀監(jiān)測站根據(jù)布設(shè)要求，部署在了距離雨量雷達大約5、10、15、20 km 的地方，通過動態(tài)數(shù)學物理模型，解決了單一雷達系統(tǒng)無校正反演機制而導致的“測不準”問題。中心應(yīng)用服務(wù)器部署在廣西壯族自治區(qū)水文中心機房，雨量雷達和中心服務(wù)器之間專門布設(shè)有帶寬8M 的專網(wǎng)光纖。雨量雷達以5 min 為一個掃描周期，每周期定時將雷達探測到的回波數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳送到水文站的計算機；對應(yīng)的4 個雨滴譜監(jiān)測站將采集的雨滴譜數(shù)據(jù)通過GPRS方式傳輸至區(qū)水文局機房接收服務(wù)器，并通過上傳下載的方式發(fā)送到水文站計算機；計算機上的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）將獲取的雷達資料和雨滴譜資料進行匹配分析和雨強雨量反演，每5 min 生成一組基于格點的雨強數(shù)據(jù)，提供給應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)；應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)針對收集到的雨情信息和監(jiān)控區(qū)的地理信息，做相關(guān)計算處理并發(fā)布展示（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2）。

圖2 系統(tǒng)拓撲圖

1.3 主要技術(shù)指標

該X 波段雨量雷達采用中頻相參脈沖多普勒體制，工作頻率為X波段，發(fā)射峰值功率≥75 kW，采用地型匹配掃描和垂直功率譜自動探測方式，可定量測量96 km 范圍內(nèi)氣象目標的強度、平均徑向速度、譜寬及垂直功率譜，以5 min 為探測周期，自動獲取60 m×60 m 分辨率的格點雨量數(shù)據(jù)，并實時傳輸至數(shù)據(jù)處理單元進行處理，可實現(xiàn)對流域高分辨率格點雨量的精確測量。

雨量雷達結(jié)構(gòu)形式具有小型化、高可靠性、靈活性等優(yōu)點，電訊設(shè)計具有以下技術(shù)優(yōu)點。

（1）系統(tǒng)工作脈寬0.4μs，可實現(xiàn)60 m 距離分辨率，實現(xiàn)高分辨格點雨量監(jiān)測。

（2）天線口徑1.8 m，實現(xiàn)1.3°窄波束，波束充塞系數(shù)好，探測更精細。

（3）發(fā)射峰值功率≥75 kw，可提升X 波段雷達強降雨時探測效果，避免雨量過大探測不準。

（4）采用數(shù)字中頻接收機，實現(xiàn)數(shù)字自動頻率跟蹤和數(shù)字定相，實現(xiàn)雷達較高的改善因子，確保系統(tǒng)達到較高的測速精度和地雜波對消能力，地物抑制能力優(yōu)于30dB。

（5）成熟、穩(wěn)定的小型交流伺服系統(tǒng)，控制靈活，設(shè)計雨量自動探測模式，采用“垂直指向和最佳地型匹配”的掃描模式，探測結(jié)果更接近于實際地面的降雨情況，為實時準確測量降水提供可靠數(shù)據(jù)支持。

（6）網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)拓撲設(shè)計，雷達數(shù)據(jù)傳輸及控制操作（包括電源）均可通過網(wǎng)絡(luò)方式由計算機進行遙控，實現(xiàn)全天候24 h連續(xù)不間斷無人值守工作；依據(jù)網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境條件可靈活組成面雨量監(jiān)測網(wǎng)。

2 雷達估測降雨數(shù)據(jù)的處理

雷達每5 min 掃描生成5 個文本文件PRH、PRZ、PRV、PRW、PRI，與之對應(yīng)并入庫的4 個雨滴譜儀監(jiān)測站數(shù)據(jù)通過應(yīng)用系統(tǒng)生成PSD 文件并交換到雨量雷達工作站，數(shù)據(jù)處理單元通過對雷達5個文件和雨滴譜儀數(shù)據(jù)文件PSD的處理，最終輸出雨強數(shù)據(jù)文件PRD。PRD 交換到區(qū)水文局應(yīng)用服務(wù)器上，應(yīng)用服務(wù)軟件通過對PRD數(shù)據(jù)的處理生成60 m×60 m（36 km）和600 m×600 m（96 km）的兩種格點雨量數(shù)據(jù)，以兩個TXT文本的形式存儲在中心應(yīng)用服務(wù)器上。

600 m×600 m 的格點雨量是60 m×60 m 的格點雨量累加求平均，且600 m×600 m 精度的格點雨量已經(jīng)能夠滿足業(yè)務(wù)需求，為了減少后續(xù)數(shù)據(jù)計算量，后續(xù)參與計算的均是分辨率為600 m×600 m 的格點雨量。

（1）網(wǎng)格展示。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)通過對600 m×600 m 格點雨量的計算，生成2.4 km×2.4 km 格點雨量，存儲到SQLserver 數(shù)據(jù)庫RD_ZONALSTATISITCS表中，并在地圖界面顯示。

（2）分區(qū)雨量的計算。根據(jù)水口河和平而河河道流向，將上游監(jiān)測區(qū)域劃分為16 個分區(qū)（將水口流域劃分為7 個區(qū)，編號：807ld001-007；平而流域劃分為9 個區(qū)，編號：807ld008-016，每個區(qū)域以一個站碼代表該區(qū)域的面雨量）。每個分區(qū)面雨量根據(jù)區(qū)域內(nèi)包含的格點雨量數(shù)目和對應(yīng)的數(shù)值計算面平均雨量，16個分區(qū)的面平均雨量存儲在數(shù)據(jù)庫RD_AREA 表中。

如1號區(qū)域有n個600 m×600 m的格點，每個格點的小時面雨量為R1、R2、R3…Rn-1、Rn。則1號區(qū)域?qū)?yīng)的小時面平均雨量：R=（R1+R2…Rn-1+Rn）/n。

（3）將雷達監(jiān)測到的實時面雨量數(shù)據(jù)按時段每小時一次存入實時雨水情數(shù)據(jù)庫，供查詢和洪水預警預報使用。

3 與傳統(tǒng)雨量監(jiān)測站數(shù)據(jù)對比分析

為了更好了解16 個分區(qū)雷達測雨數(shù)據(jù)精度情況，找出與傳統(tǒng)雨量監(jiān)測站數(shù)據(jù)的相關(guān)情況，開展相關(guān)數(shù)據(jù)如下對比分析。

由于距離越遠，雷達波反射越差，因此主要選取距離平而、水口兩個站0～50 km區(qū)域內(nèi)或附近有傳統(tǒng)雨量監(jiān)測點的 807ld003、807ld005、807ld006、807ld007、807ld008、807ld009、807ld011、807ld013等8個分區(qū)來做對比分析。

其中807ld003、807ld005、807ld006、807ld007等4 個分區(qū)為水口站上游集水區(qū)域，與其龍、岳西、高平、水口等雨量站的雨量資料進行對比分析；807ld008、807ld009、807ld011、807ld013 等4 個分區(qū)為平而站上游集水區(qū)域，與沿邊、范米、涼山等雨量站的雨量資料進行對比分析。

選取水口站9 場（漲幅1.22～4.22 m）、平而站10 場（漲幅1.22～8.81 m）洪水過程開展數(shù)據(jù)對比。洪水期間集水區(qū)域與對應(yīng)鄰近傳統(tǒng)雨量站點資料對比情況見表1、表2和圖3、圖4。

表1 水口站相關(guān)集水區(qū)域與鄰近雨量站資料對比結(jié)果列表 mm

圖3 水口上游相關(guān)集水區(qū)與傳統(tǒng)雨量站雨量對比柱狀圖

表2 平而站相關(guān)集水區(qū)域與鄰近雨量站資料對比結(jié)果列表 mm

圖4 平而上游相關(guān)集水區(qū)與傳統(tǒng)雨量站雨量對比柱狀圖

從表1、表2 和圖3、圖4 中可以看出，距離雷達相對較近的807ld005、807ld007、807ld009、807ld011的4 個分區(qū)雨量值基本上比傳統(tǒng)雨量站的偏大；距離雷達相對較遠的807ld008、807ld013 的2 個分區(qū)雨量值大多比傳統(tǒng)雨量站的偏??；有部分場次上游集水分區(qū)雨量值與傳統(tǒng)雨量站的偏差較大。

總體來說，上游相關(guān)集水分區(qū)與傳統(tǒng)雨量站的數(shù)據(jù)對比偏差有大有小，大小差值有的偏差較大，基本無規(guī)律可循，暫時未能率定有效關(guān)系。

4 在廣西洪水預報系統(tǒng)中應(yīng)用

4.1 參數(shù)率定

以雷達監(jiān)測分析入庫16 個區(qū)域的面降雨數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用泰森多邊形法計算區(qū)域的面平均降雨量，采用中國洪水預報系統(tǒng)，率定新安江模型參數(shù)后，臨時用于實時預警預報。

以水口站為例，采用有雷達資料的2018年4月1日～10月19日進行率定參數(shù)，新安江三水源蓄滿產(chǎn)流參數(shù)（SMS_3）結(jié)果見表3，新安江三水源滯后演算匯流模型（LAG3）參數(shù)率定結(jié)果見表4。率定結(jié)果表明：該方案水量平衡，確定性系統(tǒng)0.615，方案為丙等。

4.2 實際應(yīng)用

2019年9月1日，水口站出現(xiàn)洪水過程，經(jīng)采用水口站一年的資料率定的方案進行洪水洪峰流量分析，計算結(jié)果見表5。

表3 基于新安江三水源模型的產(chǎn)流參數(shù)結(jié)果

表4 基于新安江三水源模型的匯流參數(shù)結(jié)果

表5 水口水文站2019年9月1日洪水情況

預報分析結(jié)果：預計 2019年 9月 1日 1 時出現(xiàn)洪峰流量 1544 m3/s，實際 9月 1日 10 時出現(xiàn)洪峰流量1280 m3/s，洪峰流量預報相對誤差20%，允許誤差20%，剛好合格。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)自動監(jiān)測雨量站相比，高分辨率面雨量雷達測雨系統(tǒng)在空間連續(xù)性、降雨演進、監(jiān)測密度、維護工作量等方面具有較大優(yōu)勢。

高分辨率面雨量雷達測雨系統(tǒng)對雷達估測區(qū)域的降雨量進行分區(qū)，并將分區(qū)計算結(jié)果作為該區(qū)域面降雨量，通過開展與相鄰的傳統(tǒng)雨量監(jiān)測站數(shù)據(jù)對比分析，研究雷達面與點的相關(guān)關(guān)系并與廣西洪水預報系統(tǒng)結(jié)合，初步率定參數(shù)，為逐步開展左江上游的洪水預警預報工作提供技術(shù)支撐。

目前，由于雷達面雨量與傳統(tǒng)點雨量數(shù)據(jù)關(guān)系未建立，下一步隨著越南報汛站點的增加，再結(jié)合多場洪水期間監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步對雷達面雨量與傳統(tǒng)監(jiān)測點計算的面雨量進行對比分析，將兩者結(jié)果通過相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為有效面雨量，應(yīng)用到左江的洪水預警預報中，為做好左江預警預報積累經(jīng)驗，同時為高分辨率面雨量雷達測雨系統(tǒng)在廣西的有效應(yīng)用打下基礎(chǔ)。