多普勒测雨雷达在洱海流域的建设目标与展望

陶汝颂，杨春华，李丽怀，李双竹

（云南省水文水资源局大理分局，云南 大理 671000）

随着社会经济的快速发展，水文遥测雨量站的建设密度已不能完全满足区域性洪水、山洪地质灾害的预警预报、经济及人口发展的现状需求，迫切要求发展测雨雷达，以提高面雨量观测精度及降雨发展趋势预测时效，更有效、准确、及时地为决策部门提供相关数据。为此，相关测雨雷达研发单位共同合作在大理州洱海流域建设多普勒测雨雷达观测系统（以下简称系统）试验基地，以获取云南复杂的水文气象数据，为测雨雷达在高原地区的有效推广迈出重要的一步。

1 多普勒测雨雷达定量探测原理与方法

1.1 探测原理

多普勒测雨雷达以多普勒效应为基础，利用微波反射现象对目标进行探测。当降水粒子相对于雷达发射波束有相对运动时，测雨雷达可以通过测定接收与发射信号频率之间存在的差异（即频移）测定散射体相对于雷达的运动速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布及湍流情况。

多普勒测雨雷达测得的雷达图像是根据未经处理的原始资料制作的，只能定性地反映降水情况。雷达测雨是根据雷达回波推算雨量的，通过相关软件计算分析得到相关的降雨数据及云层移动情况等，是一种间接的测雨方法，因此，雷达图只能反映非定量的降水情况。通过与常规方法测雨结果的比较，可以从雷达测量结果中获得定量降水信息。

1.2 探测方法

系统通过软件分析处理接收到回波信号强度，反映降雨强度大小；通过电磁波在雷达与雨滴之间的传播时间，可以准确了解雨滴的位置；通过回波强度与接收回波时间，进行降雨的定点、定量探测。

1.3 主要组成

系统由以下几部分组成：1）微波发射机，通过天线发射电磁波；2）天线，发射和接收电磁波；3）回波接收机，接收反射回天线的电磁波；4）显示器，负责信号处理与显示。系统工作示意图如图1所示。

图1 多普勒测雨雷达系统工作示意图

1.4 技术参数

以雷达为中心，半径为460km 的圆形区域，230km 效果更好；分辨率：1～4km2；时限：5～6min 扫描1次；仰角：连续进行9个仰角的扫描，得到9层数据。

1.5 优势作用

1）可对中小尺度雷暴天气系统进行监视。

2）可估算高分辨率的流域降雨量。洱海流域面积为2565km2，有25个雨量站，相当于在100km2只有1个雨量站；而多普勒测雨雷达可估测1km2范围的降雨，相当于1km2就有1个雨量站，可以充分反映降雨在流域上的空间分布。

3）可进行中小尺度的数值降雨预报。根据雷达测报的降雨反射率，降雨预报的预见期为 0～6h。

4）可进行恶劣气象条件下的降雨探测。恶劣气象条件下，地面雨量站运行不稳或被破坏，难以进行可靠的降雨测报。而多普勒测雨雷达天线在玻璃罩内，其它设备在室内，运行不受天气情况的影响，可靠性较好，因此在恶劣气象条件下，可对降雨量进行探测，为暴雨洪水预警报提供降雨测报。

从发达国家使用多普勒测雨雷达的普遍情况看，测雨雷达对强对流灾害性天气的预警预报，数据准确率在传统基础上至少可提高 3%～5%；时效能提前几十分钟乃至数小时，可为政府决策部门采取准确及时的防范措施提供科学依据。

2 多普勒测雨雷达应用的迫切性

长期以来，水文部门沿用单站式自动雨量计站网测定流域降水量。通常情况下传统洪水及泥石流自然灾害监测预报依靠的降雨数据，是通过分散布设在关键河道、集水区及自然灾害多发地带的自动遥测雨量站网获得的，而雨量站只能在点上测量降水，代表的区域非常有限，不能反映降雨空间分布，要准确测量流域或区域上的降水分布，必须布设稠密的雨量站网，显然不是十分有效的办法。

当降水分布比较均匀时，加密布设自动遥测雨量站能保证一定精度；但实际降水往往并不是均匀分布的，常常漏测强降水中心，且降水强度较大时产生的误差也较大。

云南大理水文局辖区范围内的地形地貌较为复杂，目前虽然安装了400个遥测雨量站点，仍不能满足降水分布不均匀，单点暴雨极易出现的测量要求，如 2010年8月18日凌晨，云南怒江傈僳族自治州贡山独龙族怒族自治县普拉底乡突发泥石流灾害，造成贡山县交通、通讯全部中断，多人失踪。此次失事事件证明，雨量测点分布始终难以满足社会经济发展及灾害预警预防的需求。泥石流灾害的濒临预报是世界性难题，与沟谷的地形地貌、岩石风化程度、降雨强度和持续时间等都有较大关系，单一雨量站更难满足灾害预警预防需要。

传统的水文预报是在降雨落到地表很长一段时间后（早8点、晚8点），经过人工现场实际观测得到降雨数据，经过整、编、报，远距离传输，系统数据接收、处理，最后进入中心洪水预报作业系统。当前的水文预警预报都是以多点分散布置的自动遥测雨量站传输的数据代表区域和流域数据，这样的工作流程和以点代面及区域的方式，对强降雨后很快形成的泥石流灾害的滑坡及产生突发性江河洪水的河流，明显降低了预警预报的作用。同时，过去暴雨、洪水预报的制作和发布在我国分别隶属气象和水文2个部门，两者间的融入因为体制方面的原因受到制约。为增长预警预报的预见期，气象和水文2个边缘学科实施有效结合已变得越来越为防洪减灾调度决策部门的领导和专家们所需要。

因此，迫切需要将水文预报向气象与水文相结合预报延伸，使洪水减灾预报跨出水文预报的范畴，把预报的基本信息从地表扩展到空中、从点到面的突破性的一步，就是利用多普勒测雨雷达。多普勒雷达作为一种主动式遥感手段能得到具有大范围高时空分辨率的、较高精度的实时降水信息，应用测雨雷达进行实时降雨监测和面雨量计算，可在很大程度上提高预报的精度和时效性，在洪灾监测预防预报中有广阔的应用前景。用分布稀疏的雨量计和雷达联合探测降雨量可以优势互补，既可避免雨量站分布不均匀漏测强降水中心，又比单独使用雷达资料产生的误差小。

3 系统建设的可行性研究、任务及目标

3.1 可行性研究

云南地处低纬度高原，受高压气流影响形成高原季风气候，因受地形条件的影响和天气系统的不同，地域气候的区域差异大，垂直变化十分明显，气候分布类型多，历来是各种水文气象优先试验选择基地。

为从根本上解决大理水文局辖区内怒江、大理及迪庆等3个地州的暴雨监测与预报范围存在局限的问题，有效控制暴雨灾害的发生。在完成选址、立项工作后，研究单位进行了多普勒测雨雷达的可行性研究，重点是论证雷达的土建工程的建设规模、建筑风格和投资概算。建设方式为在大理水文局楼顶建设雷达塔楼，在大理水文局设立信息分析处理办公室，使雷达数据采集、气象产品生成、处理器、产品数据库和人机交互平台集中于1栋楼中，将雷达产品数据库连入分局计算机域网，并连接外网，使各研发单位均能共享该雷达产品。

2012年5月，相关研发单位共同完成了大理州洱海周边布置多普勒测雨雷达站址的初选，以及实验工作，结合单站式遥测雨量站，找到适合洱海流域区域降雨定量测量与预测的方法。

项目实施后，单部雷达监测有效半径为30km，配合水文自动遥测观测站使用，可获得降水回波雨量估算、风暴结构、雨团跟踪等多种天气信息产品，特别对修正短时天气预报有着极为重要的作用。

3.2 建设任务及目标

1）安装1部新型测雨雷达和4台雨滴谱监测仪，测雨雷达安装在大理水文局楼顶，雨滴谱监测仪分别安装于洱海的东南西北4个方向。

2）临时布置10个遥测雨量点（选址：才村码头、大壮村）进行降雨校对，必要时可结合周边已安装的雨量站，对实时定量测量降水使用的遥测雨量站及相应的数据通信网进行校对，为分析测雨雷达数据提供参考。

3）建立以雷达定量测量降水为基础的流域暴雨洪水监测预报业务系统；对洪水预报精度和预见期的改善程度及业务系统效益做出评估；提出业务系统应用推广方案，在云南水文系统中广泛推广。

4）在系统完善成熟后，建立与上级水文水利部门的数据通信，将测雨雷达站的观测资料和雨滴谱监测仪及普通遥测雨量站的测量数据传至水利部门，为水利部门提供各种水文资料信息，实现信息资源共享，为区域突发性自然灾害提供预警预报服务。具体目标如下：实时掌握洱海流域的雨量分布特征，定量给出在测雨雷达监测范围内各地的降水量和流域面雨量；随时了解和掌握暴雨发生的时间、地点、强度，以及雨区的移动方向和演变情况。

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测雨雷达产品接收应用业务系统，主要任务如下：接收处理测雨雷达产品和自动遥测雨量站资料；根据测雨雷达、雨滴谱监测仪、雨量站资料与中尺度数字预报模式相结台的流域短时面雨量定量降水预报，进行降水预报在洪水预报中的应用实验，并确定应用方式；建立以雷达测雨为基础的流域暴雨洪水监测预报业务系统并实时运行。

3.3 实验任务

由于目前国内尚无同类多普勒测雨雷达系统建设先例，缺乏可借鉴的经验，为此需进行前期实验。实验的基本任务是利用测雨雷达进行降水探测、加密地面雨量观测，在此基础上，建立以雷达结合地面自动遥测雨量计为基础的降水定量测量和洪水预报业务应用系统，实验期间的主要任务如下：

1）加密区域内地面雨量观测站，全面收集以5min 为时段的雨量数据资料；加密测雨雷达观测次数，采集回波资料，建立较全的基础资料数据库。

2）根据观测资料进行分析研究，建立以测雨雷达为基础的降水定量测量系统，为洪水及泥石流自然灾害预报提供准确的降水量信息。

3）解决自动遥测雨量站密度存在局限性的问题。多普勒测雨雷达能够探测到雷达覆盖区域内雨区分布范围、降雨强度及变化移动方向等。与此相对应的地面自动雨量站及雨滴谱监测仪的资料可用来校准测雨雷达探测到的降水量，提高探测精度。为了校准多普勒测雨雷达初步试验阶段雨量分析处理软件的数据处理精度，试验过程中需确定雨量站点的建设数量，得出1个“标准值”，利用这个标准值，在不降低雨量观测精度的情况下，尽可能减少自动遥测雨量站的布设数量。

4）解决资料的合理流向问题。测雨雷达站和自动遥测雨量站建立后.必须把观测资料迅速传输到有关业务应用部门，需要建设与资料传输配套的通信线路。计划在大理州水文局建立资料处理中心，洱海流域的雷达资料由水文部门负责传输到上级水利水文部门，大理州水利局通过大理水文局接收中心获取相关雷达资料和产品。

5）解决雷达原始观测资料和输出产品问题。通常情况下多普勒测雨雷达可以生成丰富的产品，如：降水类产品包括 1，3，6h 甚至更短时间（5，10，30min）累积降水量等；风暴分析产品类包括风暴结构、中尺度气旋等；其它产品类包括垂直积分液态水含量、冰雹指数等信息。按照建设要求，利用前期试验取得的有效信息，建立流域区域面降水量的定量计算暴雨警报，和 1，3，6h 甚至更长或更短时间的面雨量定量预报模型。

6）洪水预报模型改进问题。以多普勒测雨雷达和自动遥测雨量站为基础的暴雨洪水监测预报系统建成后，将得到可靠的时空分辨率（空间为22km2，时间间隔为 5～60min）的实时和预报雨量资料。通过数据对比分析修改软件参数系数，最大程度地减少算法误差，最终得到较精确的数据并建立适合区域特性的洪水预报系统。

通过建立试验区，可探索水文、通信、计算机网络等多学科间合作的技术途径；寻求多普勒测雨雷达与雨量资料快速传递到有关需求部门的最佳路由方式；研究雨量站网分布的位置和密度；探索提高估测、预测面雨量精度的科学方法；进行暴雨洪水及泥石流灾害预报模型研究；利用观测资料对实验结果进行检查验证，进一步完善计算模型等。

多普勒测雨雷达系统建设完成运行以来，运行情况正常，但由于 2012年气候异常，获取的数据还不能建立较为完整、精确的预测预报及降雨观测标准数据库。

实验工作的完成，可为洱海流域及大理州水文局辖区的暴雨洪水监测预报系统奠定基础，测雨雷达系统建成后即能投入业务运行。

4 结语

当前，多普勒雷达测雨在水文水资源中尽管还处于初步研发应用阶段，但应用技术已显现巨大的潜力，特别在中小河流洪水易发区和其他无资料地区，多普勒雷达测雨的优越性尤为明显。多普勒雷达测雨技术的应用前景虽然广阔，但降雨强度观测和预报精度的提高仍然是应用中必须解决的问题。为了更有效地解决多普勒测雨雷达在降雨观测中存在的问题，目前很多新的探测和资料分析处理技术都正在研究和试验中。相信未来在多普勒雷达测雨技术的支持下，联合现有的地理信息系统，将能更有效地提高灾害性洪水及泥石流的监测预警能力，更好地为社会经济快速发展提供服务。

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