高分辨区域面雨量自动监测系统应用探讨

杨春华，张 伦，陶汝颂

（云南省水文水资源局大理分局，云南 大理 671000）

0 引言

降雨是径流模拟和洪水预报中最重要的信息之一，其时空变化严重影响洪峰流量和出现时间。通常情况下传统洪水监测预报依靠的降雨数据是通过分散布设在关键河道和集水区的雨量计站网获得的，但雨量计只能在点上精确测量降水，代表的区域有限，不能反映降雨空间分布，要准确测量 1 个区域上的降水分布必须布设非常稠密的雨量站网，目前在云南这样经济相对落后，且“十里不同天”的地区还不现实。

雷达作为一种主动遥感手段，可得到具有一定精度、大范围、高时空分辨率的实时降水信息，应用雷达进行降雨监测和面雨量计算，可以提高洪水预报的精度和时效性，在洪灾监测预报中有很好的应用前景，因此雷达在水文测验中的应用研究日益受到关注。

随着雷达技术的发展、成熟，雷达可应用于降雨量（雨强）、雨滴谱、风速等水文要素的测验，实现大范围区域降雨量的监测，但目前国内外还没有一套完善、可行的雷达面雨量监测系统产品，为此我国相关研发单位进行了深入研究，于 2012 年研制了高分辨区域面雨量自动监测系统，并在云南大理洱海区域内成功实验。

1 雷达自动监测面雨量系统研究进展

1.1 天气监视雷达在降水测量上的研究

目前常见的天气监视雷达测雨，是通过雷达天线发射脉冲式电磁波，当电磁波遇到降水或某些云目标时，一部分电磁波会被散射，雷达接收从云雨区散射回来的回波信号，通过对回波信号强度的分析处理，可确定降水或云的存在及其特性。天气监视雷达主要测量的是 1 个距离库的平均后向散射功率 Pr 等，不能直接测量降水，主要通过算法和模型估算降水，估算降水的相对误差较大。同时天气监视雷达受地球曲率和地形等的影响，目前每部 S波段雷达对地表以上 1 km 范围内的观测覆盖仅为10%，虽然解决了近距离连续覆盖问题，但 90% 区域“测不到”的问题依然存在。为解决天气监视雷达 90% 区域“测不到”、“测不准”的问题，在 20世纪 90 年代多普勒雷达网的基础上， 欧美等发达国家自 21 世纪初提出用低成本、低功耗、短程、X 波段雷达探测 30 km 半径内的降水，重点研究复杂地形下的热带降水和由此引发的洪水及山体滑坡，但目前仍处于研究阶段，尚未推广应用。为提高雷达估测降水精度，日本从 2003 年开始在东京周围建设由 8 部 X 波段雷达组成的监测网，目前部署了 26 部覆盖主要国土，空间分辨率为500 m×500 m[1]。但该网并没有与其它监测设备有机结合，至今并没有看到对估测降水精度有明显改善的报道。

1.2 天气监视雷达在面雨量监测上的扩展

天气监视雷达根据电磁波传播的速度及其发射与接收脉冲信号间的时间差，可计算出目标物到雷达的距离，根据雷达扫描转动的方位角和仰角及目标物至雷达的距离，确定目标物的空间位置。因此，天气雷达除了具有探测降水和警戒灾害性天气的能力外，还能迅速获得大范围内的降水，具有定量测量降水的能力。应用回波功率和降水强度的统计关系式，可以定量估算出降水强度的分布情况。

1.3 雷达自动监测面雨量系统建设的研究

单一的天气雷达系统使用 C 波段对大气圈的云体和风进行监测，监测半径最大为 300 km，雷达回波强度为 1000 m × 1000 m。使用 C 波段天气雷达系统监测，监测半径较大但精度较低，监测结果只能作为预报参考使用，而不能作为水资源量的统计数据。

为此利用 X 波段测雨雷达及滴谱仪、翻斗式雨量计等采集设备，配套相应的数据采集传输设备及软件和外部供电等辅助设备，集成构建区域降水自动监测系统。此系统虽降低了扫描半径，但提高了精度。同时通过多种监测设备进行对比分析，利用测雨雷达输出结果，经算法模型计算及数据校准等处理后得到区域范围内每一小块的雨强数据，通过通信模块将处理后的数据传送到中心站；中心站自动接收测雨雷达发送来的数据，经处理后存入数据库，并生成相应的应用成果数据，从而满足预测预报和水资源量的要求。

2 高分辨区域面雨量自动监测系统在大理的应用

2012 年联合国内多家有技术实力的单位，采用产学研相结合的思路，结合水利应用特点，适合我国实际需求、具有自主知识产权的高分辨区域面雨量自动监测系统（PRS-11）在云南省大理市研发、建设、测试、分析论证。项目利用 X 波段测雨雷达构建区域降水自动监测系统，测雨雷达测量半径可达 36 km，测量面积达 4069 km2。通过在特定位置布设 X 波段测雨雷达进行降水量测量，通过数据分析处理后将测量结果自动传输至中心接收站，供其他应用软件使用。测雨雷达输出的是 90 m×90 m范围的降雨强度，根据输出结果生成所测范围的降水分布情况和过程。

2.1 系统总体框架

系统利用 X 波段测雨雷达进行区域范围内的降水量监测；同时通过雨滴谱仪、20 cm 直径的翻斗式雨量计对测雨雷达进行校准，并将测量结果通过GPRS 网络上传到中心接收站进行处理、存储、应用。

系统为 4 层架构，信息采集层主要实现各类信息的采集，由测雨雷达、滴谱仪、20 cm 直径的翻斗式雨量计等设备组成；数据处理层是对采集的信息进行处理、算法模型计算和数据校准等，由处理计算机、软件等组成；信息传输层将现场处理好的数据通过传输网络传送到中心接收站，采用 GPRS 无线网络进行数据传输；信息应用层实现远程信息的接收、处理、存储、应用等功能，由接收硬件设备及相应软件组成。

2.2 系统组成

整个系统由 1 部 X 波段多普勒雨量雷达、4 台雨滴谱仪、2 组 90 m×90 m （在 90 m×90 m 的面积内布设 5 台，每个角各 1 台，中间位置 1 台，每组共计 5 台）的 20 cm 直径的翻斗雨量计，以及布设在雷达扫描半径内数个遥测雨量站、1 个数据处理单元（DPU）及计算机、通信网络等辅助设备组成。

1）雨量雷达。组成部件有 1.3 m 天线、交流伺服系统、磁控管发射机、可变中频数字中频接收机、数字中频信号处理器（带 DSU 功能）、监控系统、终端系统、天线罩。

2）雨滴谱仪。组成部件：采集器、发射机、接收机 、电源，以及控制、运算、存储、通信等部件。

3）翻斗雨量计。组成部件：20 cm 直径的翻斗雨量计、GPRS 通信模块、电源、数据接收处理系统。

4）数据处理单元 DPU。DPU 由以下 2 大部分组成：算法模型，含衰减订正和雨量反演；控制与应用软件 。

2.3 系统性能

1）每 5 min 提供 1 组 36 km 半径的累积降雨量和小时雨强；

2）雷达空间分辨率达 90 m×90 m，半径 36 km，每组降雨量格点数据为 502400 个；

3）每 5 min 更新过去 1，3，6 h 等累计面雨量；4）实时提供过程累计雨量，制作等值线等应用产品；

5）定时生成水文报表文件等。

2.4 系统应用成果

2012 年 6 月至 11 月上旬 PRS-11 在大理布设并投入试验运行，系统连续运行 5 个多月，经历了完整主汛期降雨量监测，累计获取 3 万多组雨量雷达、雨滴谱仪和雨量站数据。经与雨量站、雨量计阵、雨滴谱仪所采集的数据进行对比，实验表明：PRS-11 稳定性好、获取数据量大、精度高。

2.4.1 PRS-11 与单个雨量站数据对比

2012 年 6 月 20 日，PRS-11 系统在大理现场联调成功，16:25 输出的第 1 组雨强信息为 6 mm/h，大理水文局楼顶的雨量实况也为 6 mm/h，吻合度很高。

6 月 24—26 日降雨过程，白石溪站 20 cm 直径雨量计测量降雨和 PRS-11 测量降雨的相关性达到0.78，PRS-11 测量的过程降水量为 50.66 mm，0.5 mm精度翻斗雨量计为 53.00 mm，两者的相对偏差为4.4%。

2.4.2 PRS-11 与雨量计组、雨滴谱仪数据对比

为校验 PRS-11 精度，分别在大理市大庄村和才村 2 地（相距 5 km）建设了 2 组雨量计阵组，每组由 5 台精度为 0.5 mm 的翻斗式雨量计、1 套精度为0.001～1200.000 mm/h 的雨滴谱仪组成，雨量计分列 90 m×90 m 正方型的 4 个角各 1 台，中间位置1 台，另附雨滴谱仪 1 套。

2012 年 9 月 28 日 19 时至 29 日 9 时的降雨过程，大庄村共有 13 h 出现降雨，PRS-11 测得降水为24.48 mm，5 个翻斗式雨量计测得的降水平均值为23.4 mm，雨滴谱仪测量到的降雨量为 26.92 mm，PRS-11 与雨量计均值偏差为 4.62%；才村共有 14 h出现降雨，PRS-11 测得降水为 33.51 mm，5 个翻斗雨量计测得的降水平均值为 35.7 mm，雨滴谱仪测量到的降雨量为 37.18 mm，PRS-11 与雨量计均值偏差为 -6.13%，具体如表1 所示。

表1 PRS-11与雨量计组、雨滴谱仪数据对比表

2.4.3 数据分析结论

X 波段雷达面雨量监测数据是可靠的，在雨强小时雨滴谱仪较为精准，其次为 PRS-11 采集的数据较为准确；在雨强大、历时长的情况下降雨总量偏差不大，但经试验在 90 m × 90 m 空间内 5 台雨量计（符合规范要求，属合格产品[2]）间偏差可达18%，单个雨量计与雨量计阵的小时平均值误差可达20%，因此精度偏差有所放大。

在同一时段面雨量过程完全不同，这突出反映了大理降雨的空间不均匀性特点，在这种情况下，通过建立雨量站网的方法获取地区面雨量将产生较大偏差。

3 高分辨区域面雨量自动监测系统应用前景展望

3.1 山洪易发区与小流域

在面积不大于 72 km×72 km 的山洪易发地区与小流域采取单套 PRS-11 工作模式，即“实测降雨站+ 现场监测站群”模式。在监测区域内按照雨量雷达选址要求安装 1 台雨量雷达、1 台雨滴谱仪、1 套DPU 构成实测降雨站；在区域内距雨量雷达 10 km左右的适当地点安装 3～4 台雨滴谱仪构成现场监测站群，建立相应的通讯系统，实现对区域面雨量的自动测量与应用。

3.2 大城市与较大流域

对面积大于 4000 km2的城市和流域，采用“多个 PRS-11+ 中心监控站”的工作模式。 在每个PRS-11 覆盖单元内按照山洪易发区与小流域应用解决方案建设 PRS-11，在区域内合适地点建设 1 个由全固态预警控制雷达、DPU 及相应的显示平台组成的中心监控站。运行流程为：中心监控站的预警控制雷达 24 h 连续自动运行，当监测到区域内出现降雨信息后，远程自动开启区域内相应单元的 PRS-11系统，降雨过程结束后远程关闭相应单元的 PRS-11系统。每个单元的 PRS-11 将监测、处理结果及运行状态远程传送到中心监控站，实现在中心监控站的雨量拼图和远程控制。

4 结语

通过在云南大理的 X 波段雷达区域面雨量自动监测系统的研制、测试，总结出：X 波段雷达面雨量自动监测系统通过多种雨量采集设备的对比分析证明系统的科学性、可行性、可用性；相对传统的区域面雨量监测方式，建设投资效益明显，且维护、管理设备量减少，工作时效性大大提高，雷达区域面雨量自动监测系统必然会强化水文监测、服务能力，为立体化水文监测、专业化水文服务和应用，以及精细化水文水资源管理提供更强有力的支撑。

天气监视雷达可广泛应用于常规水文、中小河流洪水、山地灾害、城市内涝、航空、高速公路、铁路及输电线沿线、区域水质、水资源精细化管理等的降雨量（雨强）、雨滴谱、风速等水文要素的测验。高分辨区域面雨量自动监测系统可逐渐在山洪易发区与小流域、大城市与较大流域等推广应用，实现大范围区域降雨量的监测，具有较大推广应用价值。

[1]XRAIN 雨量情报、地域选择[EB/OL]. [2012-12-10].http://www.river.go.jp/xbandradar.

[2]中华人民共和国水利部. SL61-2003 水文自动测报系统规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2003: 8-9.