高分辨區域面雨量自動監測系統應用探討

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時間。通常情況下傳統洪水監測預報依靠的降雨數據是通過分散布設在關鍵河道和集水區的雨量計站網獲得的，但雨量計只能在點上精確測量降水，代表的區域有限，不能反映降雨空間分布，要準確測量 1 個區域上的降水分布必須布設非常稠密的雨量站網，目前在云南這樣經濟相對落后，且“十里不同天”的地區還不現實。

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，應用雷達進行降雨監測和面雨量計算，可以提高洪水預報的精度和時效性，在洪災監測預報中有很好的應用前景，因此雷達在水文測驗中的應用研究日益受到關注。

隨著雷達技術的發展、成熟，雷達可應用于降雨量（雨強）、雨滴譜、風速等水文要素的測驗，實現大范圍區域降雨量的監測，但目前國內外還沒有一套完善、可行的雷達面雨量監測系統產品，為此我國相關研發單位進行了深入研究，于 2012 年研制了高分辨區域面雨量自動監測系統，并在云南大理洱海區域內成功實驗。

1 雷達自動監測面雨量系統研究進展

1.1 天氣監視雷達在降水測量上的研究

目前常見的天氣監視雷達測雨，是通過雷達天線發射脈沖式電磁波，當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 范圍內的觀測覆蓋僅為10%，雖然解決了近距離連續覆蓋問題，但 90% 區域“測不到”的問題依然存在。為解決天氣監視雷達 90% 區域“測不到”、“測不準”的問題，在 20世紀 90 年代多普勒雷達網的基礎上， 歐美等發達國家自 21 世紀初提出用低成本、低功耗、短程、X 波段雷達探測 30 km 半徑內的降水，重點研究復雜地形下的熱帶降水和由此引發的洪水及山體滑坡，但目前仍處于研究階段，尚未推廣應用。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由 8 部 X 波段雷達組成的監測網，目前部署了 26 部覆蓋主要國土，空間分辨率為500 m×500 m[1]。但該網并沒有與其它監測設備有機結合，至今并沒有看到對估測降水精度有明顯改善的報道。

1.2 天氣監視雷達在面雨量監測上的擴展

天氣監視雷達根據電磁波傳播的速度及其發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，根據雷達掃描轉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害性天氣的能力外，還能迅速獲得大范圍內的降水，具有定量測量降水的能力。應用回波功率和降水強度的統計關系式，可以定量估算出降水強度的分布情況。

1.3 雷達自動監測面雨量系統建設的研究

單一的天氣雷達系統使用 C 波段對大氣圈的云體和風進行監測，監測半徑最大為 300 km，雷達回波強度為 1000 m × 1000 m。使用 C 波段天氣雷達系統監測，監測半徑較大但精度較低，監測結果只能作為預報參考使用，而不能作為水資源量的統計數據。

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備，配套相應的數據采集傳輸設備及軟件和外部供電等輔助設備，集成構建區域降水自動監測系統。此系統雖降低了掃描半徑，但提高了精度。同時通過多種監測設備進行對比分析，利用測雨雷達輸出結果，經算法模型計算及數據校準等處理后得到區域范圍內每一小塊的雨強數據，通過通信模塊將處理后的數據傳送到中心站；中心站自動接收測雨雷達發送來的數據，經處理后存入數據庫，并生成相應的應用成果數據，從而滿足預測預報和水資源量的要求。

2 高分辨區域面雨量自動監測系統在大理的應用

2012 年聯合國內多家有技術實力的單位，采用產學研相結合的思路，結合水利應用特點，適合我國實際需求、具有自主知識產權的高分辨區域面雨量自動監測系統（PRS-11）在云南省大理市研發、建設、測試、分析論證。項目利用 X 波段測雨雷達構建區域降水自動監測系統，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 X 波段測雨雷達進行降水量測量，通過數據分析處理后將測量結果自動傳輸至中心接收站，供其他應用軟件使用。測雨雷達輸出的是 90 m×90 m范圍的降雨強度，根據輸出結果生成所測范圍的降水分布情況和過程。

2.1 系統總體框架

系統利用 X 波段測雨雷達進行區域范圍內的降水量監測；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，并將測量結果通過GPRS 網絡上傳到中心接收站進行處理、存儲、應用。

系統為 4 層架構，信息采集層主要實現各類信息的采集，由測雨雷達、滴譜儀、20 cm 直徑的翻斗式雨量計等設備組成；數據處理層是對采集的信息進行處理、算法模型計算和數據校準等，由處理計算機、軟件等組成；信息傳輸層將現場處理好的數據通過傳輸網絡傳送到中心接收站，采用 GPRS 無線網絡進行數據傳輸；信息應用層實現遠程信息的接收、處理、存儲、應用等功能，由接收硬件設備及相應軟件組成。

2.2 系統組成

整個系統由 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 的面積內布設 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，以及布設在雷達掃描半徑內數個遙測雨量站、1 個數據處理單元（DPU）及計算機、通信網絡等輔助設備組成。

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

2）雨滴譜儀。組成部件：采集器、發射機、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、數據接收處理系統。

4）數據處理單元 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；控制與應用軟件 。

2.3 系統性能

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，每組降雨量格點數據為 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，制作等值線等應用產品；

5）定時生成水文報表文件等。

2.4 系統應用成果

2012 年 6 月至 11 月上旬 PRS-11 在大理布設并投入試驗運行，系統連續運行 5 個多月，經歷了完整主汛期降雨量監測，累計獲取 3 萬多組雨量雷達、雨滴譜儀和雨量站數據。經與雨量站、雨量計陣、雨滴譜儀所采集的數據進行對比，實驗表明：PRS-11 穩定性好、獲取數據量大、精度高。

2.4.1 PRS-11 與單個雨量站數據對比

2012 年 6 月 20 日，PRS-11 系統在大理現場聯調成功，16:25 輸出的第 1 組雨強信息為 6 mm/h，大理水文局樓頂的雨量實況也為 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、雨滴譜儀數據對比

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、雨滴譜儀數據對比表

2.4.3 數據分析結論

X 波段雷達面雨量監測數據是可靠的，在雨強小時雨滴譜儀較為精準，其次為 PRS-11 采集的數據較為準確；在雨強大、歷時長的情況下降雨總量偏差不大，但經試驗在 90 m × 90 m 空間內 5 臺雨量計（符合規范要求，屬合格產品[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，通過建立雨量站網的方法獲取地區面雨量將產生較大偏差。

3 高分辨區域面雨量自動監測系統應用前景展望

3.1 山洪易發區與小流域

在面積不大于 72 km×72 km 的山洪易發地區與小流域采取單套 PRS-11 工作模式，即“實測降雨站+ 現場監測站群”模式。在監測區域內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 構成實測降雨站；在區域內距雨量雷達 10 km左右的適當地點安裝 3～4 臺雨滴譜儀構成現場監測站群，建立相應的通訊系統，實現對區域面雨量的自動測量與應用。

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+ 中心監控站”的工作模式。 在每個PRS-11 覆蓋單元內按照山洪易發區與小流域應用解決方案建設 PRS-11，在區域內合適地點建設 1 個由全固態預警控制雷達、DPU 及相應的顯示平臺組成的中心監控站。運行流程為：中心監控站的預警控制雷達 24 h 連續自動運行，當監測到區域內出現降雨信息后，遠程自動開啟區域內相應單元的 PRS-11系統，降雨過程結束后遠程關閉相應單元的 PRS-11系統。每個單元的 PRS-11 將監測、處理結果及運行狀態遠程傳送到中心監控站，實現在中心監控站的雨量拼圖和遠程控制。

4 結語

通過在云南大理的 X 波段雷達區域面雨量自動監測系統的研制、測試，總結出：X 波段雷達面雨量自動監測系統通過多種雨量采集設備的對比分析證明系統的科學性、可行性、可用性；相對傳統的區域面雨量監測方式，建設投資效益明顯，且維護、管理設備量減少，工作時效性大大提高，雷達區域面雨量自動監測系統必然會強化水文監測、服務能力，為立體化水文監測、專業化水文服務和應用，以及精細化水文水資源管理提供更強有力的支撐。

天氣監視雷達可廣泛應用于常規水文、中小河流洪水、山地災害、城市內澇、航空、高速公路、鐵路及輸電線沿線、區域水質、水資源精細化管理等的降雨量（雨強）、雨滴譜、風速等水文要素的測驗。高分辨區域面雨量自動監測系統可逐漸在山洪易發區與小流域、大城市與較大流域等推廣應用，實現大范圍區域降雨量的監測，具有較大推廣應用價值。

[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 水文自動測報系統規范[S]. 北京：中國水利水電出版社，2003: 8-9.