多普勒測(cè)雨雷達(dá)在洱海流域的建設(shè)目標(biāo)與展望

陶汝頌，楊春華，李麗懷，李雙竹

（云南省水文水資源局大理分局，云南 大理 671000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水文遙測(cè)雨量站的建設(shè)密度已不能完全滿足區(qū)域性洪水、山洪地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)、經(jīng)濟(jì)及人口發(fā)展的現(xiàn)狀需求，迫切要求發(fā)展測(cè)雨雷達(dá)，以提高面雨量觀測(cè)精度及降雨發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)時(shí)效，更有效、準(zhǔn)確、及時(shí)地為決策部門提供相關(guān)數(shù)據(jù)。為此，相關(guān)測(cè)雨雷達(dá)研發(fā)單位共同合作在大理州洱海流域建設(shè)多普勒測(cè)雨雷達(dá)觀測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）試驗(yàn)基地，以獲取云南復(fù)雜的水文氣象數(shù)據(jù)，為測(cè)雨雷達(dá)在高原地區(qū)的有效推廣邁出重要的一步。

1 多普勒測(cè)雨雷達(dá)定量探測(cè)原理與方法

1.1 探測(cè)原理

多普勒測(cè)雨雷達(dá)以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用微波反射現(xiàn)象對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)降水粒子相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射波束有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)雨雷達(dá)可以通過測(cè)定接收與發(fā)射信號(hào)頻率之間存在的差異（即頻移）測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布及湍流情況。

多普勒測(cè)雨雷達(dá)測(cè)得的雷達(dá)圖像是根據(jù)未經(jīng)處理的原始資料制作的，只能定性地反映降水情況。雷達(dá)測(cè)雨是根據(jù)雷達(dá)回波推算雨量的，通過相關(guān)軟件計(jì)算分析得到相關(guān)的降雨數(shù)據(jù)及云層移動(dòng)情況等，是一種間接的測(cè)雨方法，因此，雷達(dá)圖只能反映非定量的降水情況。通過與常規(guī)方法測(cè)雨結(jié)果的比較，可以從雷達(dá)測(cè)量結(jié)果中獲得定量降水信息。

1.2 探測(cè)方法

系統(tǒng)通過軟件分析處理接收到回波信號(hào)強(qiáng)度，反映降雨強(qiáng)度大?。煌ㄟ^電磁波在雷達(dá)與雨滴之間的傳播時(shí)間，可以準(zhǔn)確了解雨滴的位置；通過回波強(qiáng)度與接收回波時(shí)間，進(jìn)行降雨的定點(diǎn)、定量探測(cè)。

1.3 主要組成

系統(tǒng)由以下幾部分組成：1）微波發(fā)射機(jī)，通過天線發(fā)射電磁波；2）天線，發(fā)射和接收電磁波；3）回波接收機(jī)，接收反射回天線的電磁波；4）顯示器，負(fù)責(zé)信號(hào)處理與顯示。系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。

圖1 多普勒測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)工作示意圖

1.4 技術(shù)參數(shù)

以雷達(dá)為中心，半徑為460km 的圓形區(qū)域，230km 效果更好；分辨率：1～4km2；時(shí)限：5～6min 掃描1次；仰角：連續(xù)進(jìn)行9個(gè)仰角的掃描，得到9層數(shù)據(jù)。

1.5 優(yōu)勢(shì)作用

1）可對(duì)中小尺度雷暴天氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視。

2）可估算高分辨率的流域降雨量。洱海流域面積為2565km2，有25個(gè)雨量站，相當(dāng)于在100km2只有1個(gè)雨量站；而多普勒測(cè)雨雷達(dá)可估測(cè)1km2范圍的降雨，相當(dāng)于1km2就有1個(gè)雨量站，可以充分反映降雨在流域上的空間分布。

3）可進(jìn)行中小尺度的數(shù)值降雨預(yù)報(bào)。根據(jù)雷達(dá)測(cè)報(bào)的降雨反射率，降雨預(yù)報(bào)的預(yù)見期為 0～6h。

4）可進(jìn)行惡劣氣象條件下的降雨探測(cè)。惡劣氣象條件下，地面雨量站運(yùn)行不穩(wěn)或被破壞，難以進(jìn)行可靠的降雨測(cè)報(bào)。而多普勒測(cè)雨雷達(dá)天線在玻璃罩內(nèi)，其它設(shè)備在室內(nèi)，運(yùn)行不受天氣情況的影響，可靠性較好，因此在惡劣氣象條件下，可對(duì)降雨量進(jìn)行探測(cè)，為暴雨洪水預(yù)警報(bào)提供降雨測(cè)報(bào)。

從發(fā)達(dá)國(guó)家使用多普勒測(cè)雨雷達(dá)的普遍情況看，測(cè)雨雷達(dá)對(duì)強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報(bào)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上至少可提高 3%～5%；時(shí)效能提前幾十分鐘乃至數(shù)小時(shí)，可為政府決策部門采取準(zhǔn)確及時(shí)的防范措施提供科學(xué)依據(jù)。

2 多普勒測(cè)雨雷達(dá)應(yīng)用的迫切性

長(zhǎng)期以來，水文部門沿用單站式自動(dòng)雨量計(jì)站網(wǎng)測(cè)定流域降水量。通常情況下傳統(tǒng)洪水及泥石流自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)依靠的降雨數(shù)據(jù)，是通過分散布設(shè)在關(guān)鍵河道、集水區(qū)及自然災(zāi)害多發(fā)地帶的自動(dòng)遙測(cè)雨量站網(wǎng)獲得的，而雨量站只能在點(diǎn)上測(cè)量降水，代表的區(qū)域非常有限，不能反映降雨空間分布，要準(zhǔn)確測(cè)量流域或區(qū)域上的降水分布，必須布設(shè)稠密的雨量站網(wǎng)，顯然不是十分有效的辦法。

當(dāng)降水分布比較均勻時(shí)，加密布設(shè)自動(dòng)遙測(cè)雨量站能保證一定精度；但實(shí)際降水往往并不是均勻分布的，常常漏測(cè)強(qiáng)降水中心，且降水強(qiáng)度較大時(shí)產(chǎn)生的誤差也較大。

云南大理水文局轄區(qū)范圍內(nèi)的地形地貌較為復(fù)雜，目前雖然安裝了400個(gè)遙測(cè)雨量站點(diǎn)，仍不能滿足降水分布不均勻，單點(diǎn)暴雨極易出現(xiàn)的測(cè)量要求，如 2010年8月18日凌晨，云南怒江傈僳族自治州貢山獨(dú)龍族怒族自治縣普拉底鄉(xiāng)突發(fā)泥石流災(zāi)害，造成貢山縣交通、通訊全部中斷，多人失蹤。此次失事事件證明，雨量測(cè)點(diǎn)分布始終難以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及災(zāi)害預(yù)警預(yù)防的需求。泥石流災(zāi)害的瀕臨預(yù)報(bào)是世界性難題，與溝谷的地形地貌、巖石風(fēng)化程度、降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等都有較大關(guān)系，單一雨量站更難滿足災(zāi)害預(yù)警預(yù)防需要。

傳統(tǒng)的水文預(yù)報(bào)是在降雨落到地表很長(zhǎng)一段時(shí)間后（早8點(diǎn)、晚8點(diǎn)），經(jīng)過人工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)得到降雨數(shù)據(jù)，經(jīng)過整、編、報(bào)，遠(yuǎn)距離傳輸，系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收、處理，最后進(jìn)入中心洪水預(yù)報(bào)作業(yè)系統(tǒng)。當(dāng)前的水文預(yù)警預(yù)報(bào)都是以多點(diǎn)分散布置的自動(dòng)遙測(cè)雨量站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)代表區(qū)域和流域數(shù)據(jù)，這樣的工作流程和以點(diǎn)代面及區(qū)域的方式，對(duì)強(qiáng)降雨后很快形成的泥石流災(zāi)害的滑坡及產(chǎn)生突發(fā)性江河洪水的河流，明顯降低了預(yù)警預(yù)報(bào)的作用。同時(shí)，過去暴雨、洪水預(yù)報(bào)的制作和發(fā)布在我國(guó)分別隸屬氣象和水文2個(gè)部門，兩者間的融入因?yàn)轶w制方面的原因受到制約。為增長(zhǎng)預(yù)警預(yù)報(bào)的預(yù)見期，氣象和水文2個(gè)邊緣學(xué)科實(shí)施有效結(jié)合已變得越來越為防洪減災(zāi)調(diào)度決策部門的領(lǐng)導(dǎo)和專家們所需要。

因此，迫切需要將水文預(yù)報(bào)向氣象與水文相結(jié)合預(yù)報(bào)延伸，使洪水減災(zāi)預(yù)報(bào)跨出水文預(yù)報(bào)的范疇，把預(yù)報(bào)的基本信息從地表擴(kuò)展到空中、從點(diǎn)到面的突破性的一步，就是利用多普勒測(cè)雨雷達(dá)。多普勒雷達(dá)作為一種主動(dòng)式遙感手段能得到具有大范圍高時(shí)空分辨率的、較高精度的實(shí)時(shí)降水信息，應(yīng)用測(cè)雨雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)降雨監(jiān)測(cè)和面雨量計(jì)算，可在很大程度上提高預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性，在洪災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)防預(yù)報(bào)中有廣闊的應(yīng)用前景。用分布稀疏的雨量計(jì)和雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)降雨量可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既可避免雨量站分布不均勻漏測(cè)強(qiáng)降水中心，又比單獨(dú)使用雷達(dá)資料產(chǎn)生的誤差小。

3 系統(tǒng)建設(shè)的可行性研究、任務(wù)及目標(biāo)

3.1 可行性研究

云南地處低緯度高原，受高壓氣流影響形成高原季風(fēng)氣候，因受地形條件的影響和天氣系統(tǒng)的不同，地域氣候的區(qū)域差異大，垂直變化十分明顯，氣候分布類型多，歷來是各種水文氣象優(yōu)先試驗(yàn)選擇基地。

為從根本上解決大理水文局轄區(qū)內(nèi)怒江、大理及迪慶等3個(gè)地州的暴雨監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)范圍存在局限的問題，有效控制暴雨災(zāi)害的發(fā)生。在完成選址、立項(xiàng)工作后，研究單位進(jìn)行了多普勒測(cè)雨雷達(dá)的可行性研究，重點(diǎn)是論證雷達(dá)的土建工程的建設(shè)規(guī)模、建筑風(fēng)格和投資概算。建設(shè)方式為在大理水文局樓頂建設(shè)雷達(dá)塔樓，在大理水文局設(shè)立信息分析處理辦公室，使雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、氣象產(chǎn)品生成、處理器、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)交互平臺(tái)集中于1棟樓中，將雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)連入分局計(jì)算機(jī)域網(wǎng)，并連接外網(wǎng)，使各研發(fā)單位均能共享該雷達(dá)產(chǎn)品。

2012年5月，相關(guān)研發(fā)單位共同完成了大理州洱海周邊布置多普勒測(cè)雨雷達(dá)站址的初選，以及實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)合單站式遙測(cè)雨量站，找到適合洱海流域區(qū)域降雨定量測(cè)量與預(yù)測(cè)的方法。

項(xiàng)目實(shí)施后，單部雷達(dá)監(jiān)測(cè)有效半徑為30km，配合水文自動(dòng)遙測(cè)觀測(cè)站使用，可獲得降水回波雨量估算、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、雨團(tuán)跟蹤等多種天氣信息產(chǎn)品，特別對(duì)修正短時(shí)天氣預(yù)報(bào)有著極為重要的作用。

3.2 建設(shè)任務(wù)及目標(biāo)

1）安裝1部新型測(cè)雨雷達(dá)和4臺(tái)雨滴譜監(jiān)測(cè)儀，測(cè)雨雷達(dá)安裝在大理水文局樓頂，雨滴譜監(jiān)測(cè)儀分別安裝于洱海的東南西北4個(gè)方向。

2）臨時(shí)布置10個(gè)遙測(cè)雨量點(diǎn)（選址：才村碼頭、大壯村）進(jìn)行降雨校對(duì)，必要時(shí)可結(jié)合周邊已安裝的雨量站，對(duì)實(shí)時(shí)定量測(cè)量降水使用的遙測(cè)雨量站及相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)進(jìn)行校對(duì)，為分析測(cè)雨雷達(dá)數(shù)據(jù)提供參考。

3）建立以雷達(dá)定量測(cè)量降水為基礎(chǔ)的流域暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)；對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期的改善程度及業(yè)務(wù)系統(tǒng)效益做出評(píng)估；提出業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用推廣方案，在云南水文系統(tǒng)中廣泛推廣。

4）在系統(tǒng)完善成熟后，建立與上級(jí)水文水利部門的數(shù)據(jù)通信，將測(cè)雨雷達(dá)站的觀測(cè)資料和雨滴譜監(jiān)測(cè)儀及普通遙測(cè)雨量站的測(cè)量數(shù)據(jù)傳至水利部門，為水利部門提供各種水文資料信息，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，為區(qū)域突發(fā)性自然災(zāi)害提供預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)。具體目標(biāo)如下：實(shí)時(shí)掌握洱海流域的雨量分布特征，定量給出在測(cè)雨雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)各地的降水量和流域面雨量；隨時(shí)了解和掌握暴雨發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度，以及雨區(qū)的移動(dòng)方向和演變情況。

在大理州水文局、云南省水文局和水利部水利信息中心建立測(cè)雨雷達(dá)產(chǎn)品接收應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要任務(wù)如下：接收處理測(cè)雨雷達(dá)產(chǎn)品和自動(dòng)遙測(cè)雨量站資料；根據(jù)測(cè)雨雷達(dá)、雨滴譜監(jiān)測(cè)儀、雨量站資料與中尺度數(shù)字預(yù)報(bào)模式相結(jié)臺(tái)的流域短時(shí)面雨量定量降水預(yù)報(bào)，進(jìn)行降水預(yù)報(bào)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，并確定應(yīng)用方式；建立以雷達(dá)測(cè)雨為基礎(chǔ)的流域暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)并實(shí)時(shí)運(yùn)行。

3.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

由于目前國(guó)內(nèi)尚無同類多普勒測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)先例，缺乏可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，為此需進(jìn)行前期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)是利用測(cè)雨雷達(dá)進(jìn)行降水探測(cè)、加密地面雨量觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上，建立以雷達(dá)結(jié)合地面自動(dòng)遙測(cè)雨量計(jì)為基礎(chǔ)的降水定量測(cè)量和洪水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)期間的主要任務(wù)如下：

1）加密區(qū)域內(nèi)地面雨量觀測(cè)站，全面收集以5min 為時(shí)段的雨量數(shù)據(jù)資料；加密測(cè)雨雷達(dá)觀測(cè)次數(shù)，采集回波資料，建立較全的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）根據(jù)觀測(cè)資料進(jìn)行分析研究，建立以測(cè)雨雷達(dá)為基礎(chǔ)的降水定量測(cè)量系統(tǒng)，為洪水及泥石流自然災(zāi)害預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確的降水量信息。

3）解決自動(dòng)遙測(cè)雨量站密度存在局限性的問題。多普勒測(cè)雨雷達(dá)能夠探測(cè)到雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)雨區(qū)分布范圍、降雨強(qiáng)度及變化移動(dòng)方向等。與此相對(duì)應(yīng)的地面自動(dòng)雨量站及雨滴譜監(jiān)測(cè)儀的資料可用來校準(zhǔn)測(cè)雨雷達(dá)探測(cè)到的降水量，提高探測(cè)精度。為了校準(zhǔn)多普勒測(cè)雨雷達(dá)初步試驗(yàn)階段雨量分析處理軟件的數(shù)據(jù)處理精度，試驗(yàn)過程中需確定雨量站點(diǎn)的建設(shè)數(shù)量，得出1個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)值”，利用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，在不降低雨量觀測(cè)精度的情況下，盡可能減少自動(dòng)遙測(cè)雨量站的布設(shè)數(shù)量。

4）解決資料的合理流向問題。測(cè)雨雷達(dá)站和自動(dòng)遙測(cè)雨量站建立后.必須把觀測(cè)資料迅速傳輸?shù)接嘘P(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用部門，需要建設(shè)與資料傳輸配套的通信線路。計(jì)劃在大理州水文局建立資料處理中心，洱海流域的雷達(dá)資料由水文部門負(fù)責(zé)傳輸?shù)缴霞?jí)水利水文部門，大理州水利局通過大理水文局接收中心獲取相關(guān)雷達(dá)資料和產(chǎn)品。

5）解決雷達(dá)原始觀測(cè)資料和輸出產(chǎn)品問題。通常情況下多普勒測(cè)雨雷達(dá)可以生成豐富的產(chǎn)品，如：降水類產(chǎn)品包括 1，3，6h 甚至更短時(shí)間（5，10，30min）累積降水量等；風(fēng)暴分析產(chǎn)品類包括風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、中尺度氣旋等；其它產(chǎn)品類包括垂直積分液態(tài)水含量、冰雹指數(shù)等信息。按照建設(shè)要求，利用前期試驗(yàn)取得的有效信息，建立流域區(qū)域面降水量的定量計(jì)算暴雨警報(bào)，和 1，3，6h 甚至更長(zhǎng)或更短時(shí)間的面雨量定量預(yù)報(bào)模型。

6）洪水預(yù)報(bào)模型改進(jìn)問題。以多普勒測(cè)雨雷達(dá)和自動(dòng)遙測(cè)雨量站為基礎(chǔ)的暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)建成后，將得到可靠的時(shí)空分辨率（空間為22km2，時(shí)間間隔為 5～60min）的實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)雨量資料。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析修改軟件參數(shù)系數(shù)，最大程度地減少算法誤差，最終得到較精確的數(shù)據(jù)并建立適合區(qū)域特性的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

通過建立試驗(yàn)區(qū)，可探索水文、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科間合作的技術(shù)途徑；尋求多普勒測(cè)雨雷達(dá)與雨量資料快速傳遞到有關(guān)需求部門的最佳路由方式；研究雨量站網(wǎng)分布的位置和密度；探索提高估測(cè)、預(yù)測(cè)面雨量精度的科學(xué)方法；進(jìn)行暴雨洪水及泥石流災(zāi)害預(yù)報(bào)模型研究；利用觀測(cè)資料對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢查驗(yàn)證，進(jìn)一步完善計(jì)算模型等。

多普勒測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)完成運(yùn)行以來，運(yùn)行情況正常，但由于 2012年氣候異常，獲取的數(shù)據(jù)還不能建立較為完整、精確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及降雨觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

實(shí)驗(yàn)工作的完成，可為洱海流域及大理州水文局轄區(qū)的暴雨洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，測(cè)雨雷達(dá)系統(tǒng)建成后即能投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，多普勒雷達(dá)測(cè)雨在水文水資源中盡管還處于初步研發(fā)應(yīng)用階段，但應(yīng)用技術(shù)已顯現(xiàn)巨大的潛力，特別在中小河流洪水易發(fā)區(qū)和其他無資料地區(qū)，多普勒雷達(dá)測(cè)雨的優(yōu)越性尤為明顯。多普勒雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)的應(yīng)用前景雖然廣闊，但降雨強(qiáng)度觀測(cè)和預(yù)報(bào)精度的提高仍然是應(yīng)用中必須解決的問題。為了更有效地解決多普勒測(cè)雨雷達(dá)在降雨觀測(cè)中存在的問題，目前很多新的探測(cè)和資料分析處理技術(shù)都正在研究和試驗(yàn)中。相信未來在多普勒雷達(dá)測(cè)雨技術(shù)的支持下，聯(lián)合現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)，將能更有效地提高災(zāi)害性洪水及泥石流的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，更好地為社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展提供服務(wù)。

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