利用雨量雷达构建面雨量自动监测系统

牛睿平，唐跃平，魏 广，唐 炜

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；3.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

利用雨量雷达构建面雨量自动监测系统

牛睿平1,2，唐跃平1,2，魏 广3，唐 炜1,2

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；
2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012；
3.江苏南水科技有限公司，江苏 南京 210012）

雨量雷达是专门适用于气象目标中降雨量定量测量的雷达设备，高分辨区域面雨量自动监测系统则是应用雨量雷达进行区域内雨量监测，监测系统通过雨滴谱仪与模型算法解决衰减订正和雨量数据计算准确度问题，可以方便地获得区域内的降雨分布情况和有效的降雨量，与常规单点雨量定量测量相比，在较大区域内测量雨量，整体上精度高，成本低。经过大理监测区域的验证，面雨量自动监测系统具备较高的测量精确度，具有较好应用前景。

雨量雷达；定量测雨；高分辨区域面雨量自动监测系统

0 引言

目前条件下，国内大部分监测区域内的雨量数据主要是通过分散布设的传统雨量计（如翻斗式或称重式雨量计）站网获得的。但雨量计只能在点上精确测量降雨，代表的区域非常有限，不能反映降雨的空间分布。要准确测量区域内的降雨分布，必须布设非常稠密的雨量站网，目前在我国还不现实。雨量雷达作为一种主动遥感手段，可得到具有一定精度的、大范围高时空分辨率的实时降雨量信息，利用雨量雷达实现雨量定量监测是近年来国内外研究的热点课题，但在实际应用中需要重点解决其在雨量测量数据准确度方面的问题。为此结合在大理地区使用的利用雨量雷达构建的高分辨区域面雨量自动监测系统（PRS-11 系统），分析面雨量自动监测系统的结构功能、试验情况、应用成果，以推动面雨量自动监测系统的大范围应用。

1 雨量雷达定量测雨

天气雷达是利用雷达天线间歇性地向空中发射脉冲式电磁波，电磁波以近似于直线的路径和接近于光波的速度在大气中传播，在传播的路径上若遇到气象目标物（大气介质、云、降水粒子），脉冲电磁波会被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（回波信号后向散射）被雷达接收机处理后，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。根据电磁波传播的速度及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，以及目标物至雷达的距离，可确定目标物的空间位置，从而反映出气象目标物的天气特征并用于气象分析。表示气象目标散射特性的物理量有雷达截面（即后向散射截面）、反射率及反射因子等。天气雷达中专门用于降水量测量的通称为雨量雷达。

1.1 雨量雷达测雨的原理

雨量雷达通过计算雷达回波强度推算气象目标的实际物理状况。雷达回波强度不仅取决于雷达系统各参数的特性，而且和被观测的云、降水粒子的性质有关，还与雷达与被测目标之间的距离及其间的大气状况有关。综合分析这些因素，通过雷达气象方程，建立雷达平均接收功率 Pr与反射因子 Z 的关系，而 Z 与观测区域内的降水强度 I 存在一定的关系，因此在一定的条件下，使用雨量雷达直接测量可以推算出实际的降水强度。使用雨量雷达定量测量降水的方法有很多，如 Z - I 关系法、标准目标法、衰减法和正交偏振法等，目前最常用的是 Z - I关系法，即应用雷达气象方程由测得的雷达回波功率算出 Z 值，然后根据特定条件下的 Z - I 关系推算出降水强度 I。

1.2 雨量雷达测雨的准确度

自从雨量雷达投入应用后，国内外在雨量雷达定量降水计算上进行了大量的研究，重点解决定量测量降水的准确度问题。雨量雷达定量测量降水的准确度主要取决于以下几个因素：

1）雷达系统参数的精确程度。主要包括部分雷达参数没有准确标定的固定误差，以及雷达设备在工作过程中本身不稳定造成的随机误差。

2）雷达系统平均回波功率的准确度。

3）雷达测量误差。主要指在测量区域内，由于地球表面曲率和雷达扫描仰角的关系，雷达有效照射体积的位置在高度上变化较大（远距离降水目标可能达到距地面 3 000 m），降水在下落到地面的过程中强度也可能发生变化，而需要测量的降水通常意义上是指地面位置的降水，从而产生雷达测量误差。另外还包括地物杂波对雷达测量准确性的影响，及衰减对雷达测量准确度的影响等。

4）Z - I 关系不稳定造成的误差。Z - I 关系是一个多次测量的平均统计关系，Z - I 关系不稳定会造成计算具体降雨场次的雨强误差偏大。Z - I 关系受降水类型影响大，同时受雨滴谱分布变化影响较大。

针对影响雷达定量测量降水准确度的因素，主要通过以下措施提高测量的准确性：

1）随着雷达技术的发展及材料工艺水平的提高，雷达系统参数和回波强度的准确性都有了大幅度的提高，同时在雷达的使用过程中定时进行系统标定也有助于提高系统的精确程度。

2）使用小范围低仰角的短程雷达进行定量降水测量，可减少雷达测量的位置误差；选择合适的安装位置和更优化的回波信号处理技术，可减少地物杂波对测量准确度的影响；研究更优化的衰减订正技术，减少衰减对测量准确度的影响。

3）在雨量雷达测量区域内增加雨量计的同步测量，使用雨量计测量的真实降水值修正 Z - I 关系，稳定 Z - I 关系，提高测量的准确性。

1.3 雨量雷达测雨的优势

尽管采取了很多措施提高雷达定量降水测量的准确性，但利用雷达测量单点定量降水的总体准确性不高，总体误差一般会高于 50%。目前采用的传统雨量计在单点降水测量上均满足现行标准规范的规定，在准确性上优于雨量雷达。另外使用雨量计构建单点雨量自动采集站成本低且易于维护，在使用方面具有明显优势。

另一方面，由于自然降水在区域内为非连续场，存在明显的时空变化，且受环境因素影响较大。在区域降雨自动监测上，雨量计由于本身测量面积的问题，在实测降雨的代表性上受到很大限制，同时在实际工作中又不可能在某一区域设置很多自动雨量站来测量降雨，过多的雨量自动站会带来投资加大和维修工作量成倍上升的问题。雨量雷达能在短时间内观测到大范围的降雨分布情况，同时测量降雨的误差大多是随机误差，对一段时间或一定区域内的雨量雷达测量降雨强度进行累加或平均，由于随机误差的正负抵消作用，使得该时段或区域内的雨量测量值在整体上比单点测量值更加准确。因此利用雨量雷达构建区域面雨量自动监测系统在理论上是可行的。同时，在一个相对较大的区域内，使用单套雨量雷达设备构建整体的区域面雨量自动监测系统，在成本和维护方面与传统需要大量建设的自动雨量站相比，也具有一定的优势。

2 高分辨区域面雨量自动监测系统

2.1 PRS-11 系统的研发

2011 年 11 月，由水利部水文局组织，我国相关研发单位的专家进行了高分辨区域面雨量自动监测系统项目的研发，重点解决利用雷达实现区域降雨定量测量的问题。

PRS-11 系统采用 X 波段雨量雷达进行区域雨量监测，并通过区域内若干台激光雨滴谱仪的实测降雨数据进行数据校准与衰减订正，应用回波功率和降水强度统计关系式，经算法模型计算后得到区域内的雨量分布，并定量计算出雨量值。系统测量半径可达 36 km，测量面积约 4 000 km2，系统采用全自动运行方式，实现区域雨量自动监测，每 5 min 生成 1 组区域内空间分辨率为 90 m×90 m 范围的降雨强度数据，测量雨强精度达到 0.1 mm/h，并可根据基本雨强数据完成任意时段累计雨量、等值线、雨量拼图、降雨过程回放、统计报表、专题图等成果的应用，从而直观反映区域降雨分布情况和过程。

2.2 PRS-11 系统解决的问题

与传统雨量自动站相比，PRS-11 系统可重点解决以下问题：

1）使用雨量雷达进行区域内连续自动面雨量监测，得到监测区域内时间与空间连续的雨量数据；应用回波功率和降水强度统计关系式计算出定量雨量数据。

2）使用辅助产品修正和物理意义明晰的数学模型，解决降雨量计算的精度问题。

3）针对生成的面雨量数据，为用户提供多种应用解决方案。

2.3 PRS-11 系统的结构

区域面雨量自动监测系统主要由实测降雨站、区域中心站、中心站应用软件等组成。其中区域中心站通过雨量雷达实现区域雨量监测，实测降雨站通过激光雨滴谱仪对雨量测量进行校准，中心站应用软件实现数据采集、传输、存储、应用等各项功能。系统结构如图1 所示。

图1 区域面雨量自动监测系统结构图

实测降雨站包括滴谱仪、数据采集仪、GPRS 通信模块、太阳能电池板、蓄电池和相应的安装辅件等设备；区域中心站包括 X 波段雨量雷达、现场计算机、UPS 不间断电源、电源避雷器及相应的安装辅件等设备；中心站软件包含数据接收处理、算法模型、信息应用等软件内容；另外还需要系统支撑软件，如操作系统、数据库、GIS 等平台软件。根据所监测的降雨范围不同，一般设置 3～8 处实测降雨站，即可满足雨量精度的校准要求。

2.4 PRS-11 系统功能

PRS-11系统主要实现区域面雨量的自动监测与应用，具体包括信息采集、接收处理、存储与共享、维护、查询统计分析，以及预报预警、调度决策支持等功能

产品输出如下：1）原始数据，主要包括强度场、速度场、粒子谱、速度谱；2）基本产品，包括雨强，1，3，6 h 及任意时段累计雨量，等值线分析等；3）应用产品，包括降雨过程回放，24 h 动态雨量分布，区域降雨面积统计，雨量拼图，统计报表，专题图制作等。

系统主要性能如下：

1）高时空分辨率。每 5 min 输出步长为 10 s 的粒径谱、速度谱；输出空间分辨率为 90 m×90 m 的面雨量场。

2）无缝隙的面雨量。实现 36 km 半径内空间的连续覆盖。

3）最佳仰角扫描。可进行可变的最佳扫描仰角扫描测量。

4）垂直扫描。可进行垂直扫描，部分解决 X 波段雷达的衰减问题。

5）无人值守。有丰富的自动报警、监测等控制和分析应用软件，可实现自动报警、监测。

6）优化的计算模型。实时衰减订正和动态数学物理模型，提高定量测量精确度。

2.5 PRS-11 系统关键技术与创新点

在分析总结国内外同类研究的基础上，针对影响雨量雷达定量测量降雨精确度的问题，PRS-11 系统主要采用的关键技术和与创新点有：

1）采用雨量雷达进行较小区域的降雨定量测量。为了降低雷达测量的位置误差，本系统确定的监测区域为半径 36 km，面积约为 4 000 km2。

2）使用激光雨滴谱仪实现雨量数据修正及衰减订正。与雨量计相比，激光雨滴谱仪除使用实测雨量值实现数据修正（即提高 Z - I 关系的稳定性）功能外，还可提供实时雨滴谱，实现雷达的实时衰减订正及雨强反演功能。

3）在监测过程中利用雨量雷达垂直探测实现衰减订正功能。

4）在监测过程中，雨量雷达天线根据挡角图和等射束高度图，自动控制天线进行最佳仰角扫描运行，减少雷达测量误差。

2.6 PRS-11 系统试验情况及成果

PRS-11 系统于 2012 年研制成功，同年在云南省水文水资源局大理分局进行了现场试验，主要考核系统设备连续稳定运行时间、连续监测数据和传输正确率、面雨量测量精度质量评估等内容。在大理监测区域内布设了 2 个 90 m×90 m 的雨量观测场，每个观测场使用 5 个（四角和中心）0.5 mm 的翻斗式雨量计收集降雨资料，另外在监测区域内已建的 8 个遥测雨量站的数据也用于数据对比分析。

经过 1 年多的现场试验与对比分析，各项指标基本满足设计要求，得到以下基本结论：

1）PRS-11 系统设备连续稳定运行时间和监测数据传输正确率均满足相关标准及设计要求；

2）PRS-11 系统能够提供连续区域内面降雨量的空间分布信息；

3）PRS-11 系统与雨量计相比，对小雨更敏感；

4）PRS-11 雨滴谱仪对雨量雷达数据的修正效果明显；

5）PRS-11 系统监测的区域雨量值与雨量计阵的小时平均值相比，在小时累计值大于 5 mm 的情况下，平均误差为 16.6%。

6）在建设 PRS-11 系统时，需要选择合适的位置进行雨量雷达和雨滴谱仪的安装。

3 结语

利用雨量雷达构建区域面雨量自动监测系统，近年来在理论研究和实践应用上都有了较大发展，PRS-11 系统是国内较新的应用案例。从前期应用来看，雷达面雨量测量在空间连续性、降雨演进情况、面雨量成果应用、小雨强测量、监测密度等方面，与传统自动雨量站相比具有相当大的优势。

PRS-11 系统可实现一定区域内面雨量的连续自动监测，可用于降雨监测、城市洪涝减灾、中小流域山洪泥石流灾害预警、洪水预报、水资源分析、灾害评估、大型活动保障、交通运输、科研等工作，具有较高的科研价值与广泛的应用前景。

关于雷达面雨量的测量结果如何率定，雷达测量数据在资料方面与现行标准如何衔接，则是今后研究工作中需要重点解决的问题。

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Automatic Monitoring System of Area Rainfall based on Rain Radar

NIU Ruiping1,2,TANG Yueping1,2,WEI Guang3,TANG Wei1,2
(1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
2.Hydrology and Water Resources Engineering Research Center for Monitoring,the Ministry of Water Resources,Nanjing 210012,China;
3.Jiangsu Naiwch Co.Ltd,Nanjing 210012,China)

The rain radar is a kind of specific radar equipment suitable for rainfall quantity measurement in meteorology subject.The automatic monitoring system of fine grid precipitation uses the rain radar to monitor area rainfall.The monitoring system solves attenuation correcting and rainfall data quality control by means of raindrop spectrometer,real-time attenuation model and inversion algorithm.It can obtain area rainfall distribution and effective rainfall data.Compared with regular single rainfall measurement,that monitoring system has the advantage of high entirety accuracy with low cost in large area.The monitoring system has high measurement accuracy and good application future after being proved by field test at Dali.

rain radar;rainfall quantity measurement;automatic monitoring system of the fine grid precipitation

P335

A

1674-9405(2015)01-0033-04

2014-07-18

水利公益性行业科研专项经费项目（201401042）

牛睿平（1973－），男，陕西汉中人，高级工程师，主要从事计算机软件设计、工程项目管理、技术方案咨询等工作。