高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)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(yù)報(bào)中最重要的信息之一，其時(shí)空變化嚴(yán)重影響洪峰流量和出現(xiàn)時(shí)間。通常情況下傳統(tǒng)洪水監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)依靠的降雨數(shù)據(jù)是通過(guò)分散布設(shè)在關(guān)鍵河道和集水區(qū)的雨量計(jì)站網(wǎng)獲得的，但雨量計(jì)只能在點(diǎn)上精確測(cè)量降水，代表的區(qū)域有限，不能反映降雨空間分布，要準(zhǔn)確測(cè)量 1 個(gè)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(jì)相對(duì)落后，且“十里不同天”的地區(qū)還不現(xiàn)實(shí)。

雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感手段，可得到具有一定精度、大范圍、高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)降水信息，應(yīng)用雷達(dá)進(jìn)行降雨監(jiān)測(cè)和面雨量計(jì)算，可以提高洪水預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效性，在洪災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中有很好的應(yīng)用前景，因此雷達(dá)在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用研究日益受到關(guān)注。

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展、成熟，雷達(dá)可應(yīng)用于降雨量（雨強(qiáng)）、雨滴譜、風(fēng)速等水文要素的測(cè)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域降雨量的監(jiān)測(cè)，但目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套完善、可行的雷達(dá)面雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品，為此我國(guó)相關(guān)研發(fā)單位進(jìn)行了深入研究，于 2012 年研制了高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在云南大理洱海區(qū)域內(nèi)成功實(shí)驗(yàn)。

1 雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)面雨量系統(tǒng)研究進(jìn)展

1.1 天氣監(jiān)視雷達(dá)在降水測(cè)量上的研究

目前常見(jiàn)的天氣監(jiān)視雷達(dá)測(cè)雨，是通過(guò)雷達(dá)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(biāo)時(shí)，一部分電磁波會(huì)被散射，雷達(dá)接收從云雨區(qū)散射回來(lái)的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)強(qiáng)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(dá)主要測(cè)量的是 1 個(gè)距離庫(kù)的平均后向散射功率 Pr 等，不能直接測(cè)量降水，主要通過(guò)算法和模型估算降水，估算降水的相對(duì)誤差較大。同時(shí)天氣監(jiān)視雷達(dá)受地球曲率和地形等的影響，目前每部 S波段雷達(dá)對(duì)地表以上 1 km 范圍內(nèi)的觀測(cè)覆蓋僅為10%，雖然解決了近距離連續(xù)覆蓋問(wèn)題，但 90% 區(qū)域“測(cè)不到”的問(wèn)題依然存在。為解決天氣監(jiān)視雷達(dá) 90% 區(qū)域“測(cè)不到”、“測(cè)不準(zhǔn)”的問(wèn)題，在 20世紀(jì) 90 年代多普勒雷達(dá)網(wǎng)的基礎(chǔ)上， 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家自 21 世紀(jì)初提出用低成本、低功耗、短程、X 波段雷達(dá)探測(cè) 30 km 半徑內(nèi)的降水，重點(diǎn)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(dá)估測(cè)降水精度，日本從 2003 年開(kāi)始在東京周?chē)ㄔO(shè)由 8 部 X 波段雷達(dá)組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，目前部署了 26 部覆蓋主要國(guó)土，空間分辨率為500 m×500 m[1]。但該網(wǎng)并沒(méi)有與其它監(jiān)測(cè)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，至今并沒(méi)有看到對(duì)估測(cè)降水精度有明顯改善的報(bào)道。

1.2 天氣監(jiān)視雷達(dá)在面雨量監(jiān)測(cè)上的擴(kuò)展

天氣監(jiān)視雷達(dá)根據(jù)電磁波傳播的速度及其發(fā)射與接收脈沖信號(hào)間的時(shí)間差，可計(jì)算出目標(biāo)物到雷達(dá)的距離，根據(jù)雷達(dá)掃描轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角和仰角及目標(biāo)物至雷達(dá)的距離，確定目標(biāo)物的空間位置。因此，天氣雷達(dá)除了具有探測(cè)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(cè)量降水的能力。應(yīng)用回波功率和降水強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，可以定量估算出降水強(qiáng)度的分布情況。

1.3 雷達(dá)自動(dòng)監(jiān)測(cè)面雨量系統(tǒng)建設(shè)的研究

單一的天氣雷達(dá)系統(tǒng)使用 C 波段對(duì)大氣圈的云體和風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)半徑最大為 300 km，雷達(dá)回波強(qiáng)度為 1000 m × 1000 m。使用 C 波段天氣雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)半徑較大但精度較低，監(jiān)測(cè)結(jié)果只能作為預(yù)報(bào)參考使用，而不能作為水資源量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

為此利用 X 波段測(cè)雨雷達(dá)及滴譜儀、翻斗式雨量計(jì)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)雖降低了掃描半徑，但提高了精度。同時(shí)通過(guò)多種監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，利用測(cè)雨雷達(dá)輸出結(jié)果，經(jīng)算法模型計(jì)算及數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等處理后得到區(qū)域范圍內(nèi)每一小塊的雨強(qiáng)數(shù)據(jù)，通過(guò)通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳送到中心站；中心站自動(dòng)接收測(cè)雨雷達(dá)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并生成相應(yīng)的應(yīng)用成果數(shù)據(jù)，從而滿(mǎn)足預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和水資源量的要求。

2 高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大理的應(yīng)用

2012 年聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家有技術(shù)實(shí)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(diǎn)，適合我國(guó)實(shí)際需求、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PRS-11）在云南省大理市研發(fā)、建設(shè)、測(cè)試、分析論證。項(xiàng)目利用 X 波段測(cè)雨雷達(dá)構(gòu)建區(qū)域降水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)雨雷達(dá)測(cè)量半徑可達(dá) 36 km，測(cè)量面積達(dá) 4069 km2。通過(guò)在特定位置布設(shè) X 波段測(cè)雨雷達(dá)進(jìn)行降水量測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理后將測(cè)量結(jié)果自動(dòng)傳輸至中心接收站，供其他應(yīng)用軟件使用。測(cè)雨雷達(dá)輸出的是 90 m×90 m范圍的降雨強(qiáng)度，根據(jù)輸出結(jié)果生成所測(cè)范圍的降水分布情況和過(guò)程。

2.1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)利用 X 波段測(cè)雨雷達(dá)進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)的降水量監(jiān)測(cè)；同時(shí)通過(guò)雨滴譜儀、20 cm 直徑的翻斗式雨量計(jì)對(duì)測(cè)雨雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到中心接收站進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、應(yīng)用。

系統(tǒng)為 4 層架構(gòu)，信息采集層主要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信息的采集，由測(cè)雨雷達(dá)、滴譜儀、20 cm 直徑的翻斗式雨量計(jì)等設(shè)備組成；數(shù)據(jù)處理層是對(duì)采集的信息進(jìn)行處理、算法模型計(jì)算和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等，由處理計(jì)算機(jī)、軟件等組成；信息傳輸層將現(xiàn)場(chǎng)處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到中心接收站，采用 GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；信息應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的接收、處理、存儲(chǔ)、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(gè)系統(tǒng)由 1 部 X 波段多普勒雨量雷達(dá)、4 臺(tái)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(tái)，每個(gè)角各 1 臺(tái)，中間位置 1 臺(tái)，每組共計(jì) 5 臺(tái)）的 20 cm 直徑的翻斗雨量計(jì)，以及布設(shè)在雷達(dá)掃描半徑內(nèi)數(shù)個(gè)遙測(cè)雨量站、1 個(gè)數(shù)據(jù)處理單元（DPU）及計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等輔助設(shè)備組成。

1）雨量雷達(dá)。組成部件有 1.3 m 天線、交流伺服系統(tǒng)、磁控管發(fā)射機(jī)、可變中頻數(shù)字中頻接收機(jī)、數(shù)字中頻信號(hào)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(jī)、接收機(jī) 、電源，以及控制、運(yùn)算、存儲(chǔ)、通信等部件。

3）翻斗雨量計(jì)。組成部件：20 cm 直徑的翻斗雨量計(jì)、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(shí)雨強(qiáng)；

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

3）每 5 min 更新過(guò)去 1，3，6 h 等累計(jì)面雨量；4）實(shí)時(shí)提供過(guò)程累計(jì)雨量，制作等值線等應(yīng)用產(chǎn)品；

5）定時(shí)生成水文報(bào)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(yàn)運(yùn)行，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 5 個(gè)多月，經(jīng)歷了完整主汛期降雨量監(jiān)測(cè)，累計(jì)獲取 3 萬(wàn)多組雨量雷達(dá)、雨滴譜儀和雨量站數(shù)據(jù)。經(jīng)與雨量站、雨量計(jì)陣、雨滴譜儀所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)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(gè)雨量站數(shù)據(jù)對(duì)比

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

6 月 24—26 日降雨過(guò)程，白石溪站 20 cm 直徑雨量計(jì)測(cè)量降雨和 PRS-11 測(cè)量降雨的相關(guān)性達(dá)到0.78，PRS-11 測(cè)量的過(guò)程降水量為 50.66 mm，0.5 mm精度翻斗雨量計(jì)為 53.00 mm，兩者的相對(duì)偏差為4.4%。

2.4.2 PRS-11 與雨量計(jì)組、雨滴譜儀數(shù)據(jù)對(duì)比

為校驗(yàn) 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(jì)陣組，每組由 5 臺(tái)精度為 0.5 mm 的翻斗式雨量計(jì)、1 套精度為0.001～1200.000 mm/h 的雨滴譜儀組成，雨量計(jì)分列 90 m×90 m 正方型的 4 個(gè)角各 1 臺(tái)，中間位置1 臺(tái)，另附雨滴譜儀 1 套。

2012 年 9 月 28 日 19 時(shí)至 29 日 9 時(shí)的降雨過(guò)程，大莊村共有 13 h 出現(xiàn)降雨，PRS-11 測(cè)得降水為24.48 mm，5 個(gè)翻斗式雨量計(jì)測(cè)得的降水平均值為23.4 mm，雨滴譜儀測(cè)量到的降雨量為 26.92 mm，PRS-11 與雨量計(jì)均值偏差為 4.62%；才村共有 14 h出現(xiàn)降雨，PRS-11 測(cè)得降水為 33.51 mm，5 個(gè)翻斗雨量計(jì)測(cè)得的降水平均值為 35.7 mm，雨滴譜儀測(cè)量到的降雨量為 37.18 mm，PRS-11 與雨量計(jì)均值偏差為 -6.13%，具體如表1 所示。

表1 PRS-11與雨量計(jì)組、雨滴譜儀數(shù)據(jù)對(duì)比表

2.4.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

X 波段雷達(dá)面雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是可靠的，在雨強(qiáng)小時(shí)雨滴譜儀較為精準(zhǔn)，其次為 PRS-11 采集的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；在雨強(qiáng)大、歷時(shí)長(zhǎng)的情況下降雨總量偏差不大，但經(jīng)試驗(yàn)在 90 m × 90 m 空間內(nèi) 5 臺(tái)雨量計(jì)（符合規(guī)范要求，屬合格產(chǎn)品[2]）間偏差可達(dá)18%，單個(gè)雨量計(jì)與雨量計(jì)陣的小時(shí)平均值誤差可達(dá)20%，因此精度偏差有所放大。

在同一時(shí)段面雨量過(guò)程完全不同，這突出反映了大理降雨的空間不均勻性特點(diǎn)，在這種情況下，通過(guò)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)測(cè)降雨站+ 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站群”模式。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)按照雨量雷達(dá)選址要求安裝 1 臺(tái)雨量雷達(dá)、1 臺(tái)雨滴譜儀、1 套DPU 構(gòu)成實(shí)測(cè)降雨站；在區(qū)域內(nèi)距雨量雷達(dá) 10 km左右的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)安裝 3～4 臺(tái)雨滴譜儀構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站群，建立相應(yīng)的通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域面雨量的自動(dòng)測(cè)量與應(yīng)用。

3.2 大城市與較大流域

對(duì)面積大于 4000 km2的城市和流域，采用“多個(gè) PRS-11+ 中心監(jiān)控站”的工作模式。 在每個(gè)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(diǎn)建設(shè) 1 個(gè)由全固態(tài)預(yù)警控制雷達(dá)、DPU 及相應(yīng)的顯示平臺(tái)組成的中心監(jiān)控站。運(yùn)行流程為：中心監(jiān)控站的預(yù)警控制雷達(dá) 24 h 連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)測(cè)到區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)降雨信息后，遠(yuǎn)程自動(dòng)開(kāi)啟區(qū)域內(nèi)相應(yīng)單元的 PRS-11系統(tǒng)，降雨過(guò)程結(jié)束后遠(yuǎn)程關(guān)閉相應(yīng)單元的 PRS-11系統(tǒng)。每個(gè)單元的 PRS-11 將監(jiān)測(cè)、處理結(jié)果及運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程傳送到中心監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)在中心監(jiān)控站的雨量拼圖和遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在云南大理的 X 波段雷達(dá)區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制、測(cè)試，總結(jié)出：X 波段雷達(dá)面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)多種雨量采集設(shè)備的對(duì)比分析證明系統(tǒng)的科學(xué)性、可行性、可用性；相對(duì)傳統(tǒng)的區(qū)域面雨量監(jiān)測(cè)方式，建設(shè)投資效益明顯，且維護(hù)、管理設(shè)備量減少，工作時(shí)效性大大提高，雷達(dá)區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必然會(huì)強(qiáng)化水文監(jiān)測(cè)、服務(wù)能力，為立體化水文監(jiān)測(cè)、專(zhuān)業(yè)化水文服務(wù)和應(yīng)用，以及精細(xì)化水文水資源管理提供更強(qiáng)有力的支撐。

天氣監(jiān)視雷達(dá)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(xì)化管理等的降雨量（雨強(qiáng)）、雨滴譜、風(fēng)速等水文要素的測(cè)驗(yàn)。高分辨區(qū)域面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域降雨量的監(jiān)測(cè)，具有較大推廣應(yīng)用價(jià)值。

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

[2]中華人民共和國(guó)水利部. SL61-2003 水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2003: 8-9.