雷达数据在城市内涝实时模型中的应用与展望

朱 弋，潘 炜，高 磊，张留瓅

（上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司，上海市 200090）

雷达数据在城市内涝实时模型中的应用与展望

朱 弋，潘 炜，高 磊，张留瓅

（上海市城市排水有限公司排水设计研究分公司，上海市 200090）

通过介绍国外雷达数据在城市内涝实时模型中的成功应用经验，对比不同类型雷达的使用情况，数据特征以及应用结果，指出将雷达数据应用于城市内涝实时模型是未来城市内涝防汛预测的必然发展趋势。同时结合上海等国内大型城市的实际情况，为我国继续研发此类技术提出一些建议。

雷达；C-波段；X-波段；防汛；城市内涝；实时水力模型

0　引言

随着水力实时模型在城市防汛领域被越来越广泛的使用，将雷达数据引入城市内涝实时模型的呼声也越来越高。研究者们构想通过模型对雷达降雨临近预报的数据进行计算，以此给予模型计算结果一定的时间提前量，从而实现对城市内涝发生地区和严重程度高精度的预测预报，为城市部署防汛措施争取时间，大幅度降低内涝事故发生概率，减轻城市财物损失。然而令人遗憾的是，为保证数据准确性，截至目前，使用雷达无线探测及测距技术得到的降雨数据仍需经过大量的校正工作方能使用，因此很难满足内涝实时模型的计算要求。且即使正确测量了降雨，城市暴雨却依旧难以预测，建立可预测未来几小时内降雨的模型依旧困难重重[1]。

为解决以上难题，本文收集了一些发达国家及地区成功利用雷达数据建成重点区域防汛实时模型的案例。并通过分析比较该类案例使用的雷达特点、数据处理方法、研究经验、取得结果等内容，总结出雷达预测降雨实时模型的发展瓶颈和解决方法，同时尝试提出适合上海超大型城市应用雷达数据预测城市内涝的发展方向。

1　雷达降雨预测技术介绍

1.1雷达降雨测量工作原理

我们知道，电视上播放的气象预报是由雷达提供的数据通过气象模型计算得来。因此，雷达可以相当准确地预测气象变化，例如晴天、降雨、多云、降雪等，是大多数人根深蒂固的想法。既然如此，为什么不直接将这些神奇的雷达预测引入到城市防汛中来呢？如果事先知道了某城市的降雨数据，通过内涝实时模型进行计算，不就可以对即将发生的内涝灾害予以防治了么？事实当然不会那么简单。

事实上，雷达一词是舶来语，来源于英语的Radar，是其真实含义Radio Detection And Ranging，即无线探测和测距技术的缩写。雷达通过一整套回声探测系统发射电磁波信号，并接受回波。电磁波信号一般在极短的时间内（一般为2 μs）发射。当波束抵达目标，如降雨云团时，部分能量将被反射，被雷达探测系统回收。由此，根据信号的往返时间，可以计算出目标和雷达发射器之间的距离，见图1。

图1　雷达工作原理

由于雷达无法同时发送和接收信号，信号发射的时间必须极短，以保证近距离回波不会丢失。监听时间应尽可能长，从而为探测到较远回波预留时间，一次发射行为和之后的监听时间被称为一个周期，一周期内回收信号的传输距离及频率取决于雷达的工程限制和成本。相对的，远距离传输信号功率较大，虽然可以实现更大的覆盖范围，但却不具备近距离探测的能力。

雷达发射信号波束的仰角、宽度以及地球的曲度都是影响雷达降雨数据准确率的重要因素，信号传输越远，则波束能够侦测到的降雨高度也就越高。比如，在距离雷达信号发射装置100 km处，雷达回波可被1.5 km高处的雨云反射，但是对于1.5 km以下高度的云层则无法侦测。因此，在此类情况下，雷达降雨信息并不能完全反映地面上观测到的降雨情况，所以研究者一般会借用雨量计数据来为雷达数据校准，这样的处理过程十分耗时，当然也就更谈不上实现什么“预测”效果了。除了以上因素之外，回波信号在大气传输过程中的衰减也对雷达降雨数据的准确性存在巨大影响。因此，几乎在每个雷达站都会对取得的雷达数据进行处理，包括纠正降雨造成的信号衰减、纠正范围衰减、消除地面杂音影响、Z-R转换（雷达反射率Z对降雨率R的转换）等[2-4]。

除准确性外，分辨率也是雷达数据的重要指标。对一个城市来说，粗分辨率的雷达数据往往容易造成密集降雨强度的信息丢失，5 km分辨率与1 km分辨率的雷达数据在城市防汛上能起到的作用将完全不同（见图2）。目前，上海市气象局已能够提供分辨率约为1 km的雷达降雨数据，基本能够满足城市内涝实时模型的精度要求。

图2　不同分辨率雷达数据对比

1.2临近预报

事实上，尽管雷达降雨数据是实时取得的，但如果将其与风向，风速等其他天气参数进行对应，仍可有效估测较短时间范围内的降雨趋势，这项技术被称为临近预报。目前，临近预报大致可提供当前时间以后6 h的降雨信息，在实际操作中，由于影响降雨的不确定因素过多，一般会取用2 h内的估测值作为有效预报。一般认为，临近预报是雷达数据应用于城市内涝实时模型的最典型方式。

目前，最成功的临近预报系统是英国气象办公室与澳大利亚气象局合作开发的STEPS（短期集合预测系统），该系统根据降雨区域的不同移动速率和降雨参数差异性统计数据，随机生成多种未来的可能状态。STEPS获取的降雨预报以2 km的分辨率覆盖全英，最多可提前6 h，每隔15 min更新一次。

虽然还没有某项特别针对临近预报准确率的研究报告显示其结果无可挑剔，但雷达天气预报的准确性正在随时间推移而变得越来越精确却是毋庸置疑的。根据英国气象办公室的研究报告显示，如果逐年比较1980年以来的预报准确度，现在的3 d预报要比1980年的1 d预报更加准确。因此有理由相信，随着雷达技术的发展，临近预报准确率的上升必将增加雷达数据应用在城市防汛排水中的比重。

目前，英国气象办公室正在投资建造一台新的超级气象计算机，2017年在它投入使用后，STEPS的网格分辨率将增至300 m，升级后的临近预报系统将更加满足城市防汛的需求。对长江中下游降雨类型以锋面雨为主的城市来说，另一个好消息是，临近预报技术对锋面雨的预报准确率要高于对流雨。

1.3雷达种类

气象雷达根据发出电磁波信号的波段不同，一般可分为C波段雷达，X波段雷达，L波段雷达，S波段雷达以及K波段雷达等。其中，C波段雷达和X波段雷达都是常见的降雨数据测量雷达。大部分气象预报服务雷达都会使用C波段雷达，该雷达系统由于自身波长和频率的特性，发射/接受装置不用很大，成本相对低廉。X波段雷达则被更多应用于研究领域。

出于城市防汛目的，引入内涝实时模型进行计算的雷达数据被要求满足预测尽可能准确，分辨率尽可能高，成本尽可能低等条件。因此，根据城市实际情况进行雷达种类的正确选择也十分重要。表1比较了不同波段雷达的分辨率、成本以及移动性，很容易发现，C波段雷达数据基本可满足城市内涝实时模型的要求。但对于范围更小，精度要求更高的城市重点区域防汛要求来说，X波段雷达以其高分辨率，高移动性以及低廉的成本更胜一筹。

1.4城市内涝建模框架

当雷达临近预报的准确性、分辨率都达到实时模型的要求后，这时降雨预报数据就可以和计量水位数据，流量数据，闸门和水泵数据，管道数据以及数据库中的其他数据一起被录入城市内涝实时模型进行运算（见图3）。根据计算结果，专业人员可以迅速预知城市街道的积水情况，管线利用情况，以及水泵运行情况等内容，进而提出防汛设施运行优化方案，为最终防汛决策提供可靠的技术支持。

表1　不同雷达的适用范围

图3　城市内涝实时模型建模框架

目前，世界范围内可供城市内涝建模的商用系统软件构架主要有荷兰代尔夫特三角洲研究院开发的Delft-FEWS预测预警系统、丹麦DHI的MIKE Flood Watch洪水预报决策支持系统以及美国INNOVYZE公司的FloodWorks系统。出于商业合作基础等原因，上海的排水企业更多使用后两者进行实时预警系统的建模工作。

2　国内外雷达降雨预测驱动水力模型成功经验

2.1伦敦雷达降雨预测系统

伦敦雷达降雨预测系统是C波段雷达数据应用于INNOVYZE公司开发的InforWorks CS水力模型中的成功案例。该项目始于伦敦北部Beckton集水区的一项试验性应用，当时伦敦的水务人员开发了一套基于实时控制的决策支持工具，用于改善部分下水道的运行效率。在项目取得成功后，水务人员便将成功经验伴随模型范围向外不断扩展。

英国气象办公室的Nimrod雷达（C波段雷达）降雨观测系统为该项目提供了雷达降雨实时数据和临近预报。其中，实时降雨数据每5 min提供1次，分辨率为1 km；临近预报每15 min提供1次，预报时间范围为6 h，分辨率为2 km（见图4）。雷达数据和其他关键数据被录入数据库后，被用于驱动该地区下水道网络的InforWorks ICMLive水力模型。

图4　泰晤士水务（伦敦地区）管理区域

该项目目前可以监测到的灾害预警包括洪水事件、合流污水溢流（CSO）事件、街道积水事件等，同时可以为这些事件提供解决方案建议。通过提前预警，该项目帮助泰晤士水务预防水灾和内涝的发生，避免财物损失，确保市民满意度，保障伦敦城市的安全运行。此外，该项目还主动承担了泵站运行管理工作，以避免溢流的发生。

2.2RainGain研究项目

欧盟的Interreg RainGain项目旨在开发更多利用X波段雷达的高分辨率优势对大范围C波段雷达降雨预测进行补充的方法。为挖掘X雷达在城市重点区域降雨预测方面的潜在优势，利用好X雷达高分辨率、高移动性和低成本的特性，RainGain项目组在伦敦中部一幢高层建筑楼顶安装了一台X波段雷达RS90，雷达于2013年6月至10月期间运行。值得一提的是，该项目得到的雷达数据分辨率精细至200 m，预报间隔时间也缩短至1 min。

图5为X波段雷达降雨数据与C波段雷达降雨数据的比较，可以明显发现X波段雷达数据确实在准确性方面要高于C波段雷达，尤其在降雨强度较大的降雨事件中，这种优势格外明显。遗憾的是，在X雷达数据采集过程中，来自城市的大量地面杂波一直对数据准确性产生重大影响，使采集到的数据不得不高度依赖其他传感器的数据来进行校正才能使人满意[5,6]；并且当研究者们将高分辨率（200 m/min）的降雨预测值输入至城市内涝实时模型中，和输入由当地国家气象局提供的低分辨率（1 km/5 min）的降雨预测值相比，结果并没有明显的进步。因此，虽然目前日本下水道新技术机构（JIWET）已实现将X波段雷达数据应用于FloodWorks水力模型平台中，并取得防洪、溢流控制、以及节能等多方面的效果，但X波段雷达目前仍只应用于监测城市周边区域的局部化暴雨，难以胜任在人口稠密地区的预报工作。

图5　X波段雷达与C波段雷达探测降雨数据对比

2.3国内雷达数据应用情况

我国的雷达建设始于20世纪50年代，50年代末，中国气象科学研究院引进了第一台英国X波段雷达。上世纪70年代起，我国对雨量计结合雷达测量降水进行了大量研究。上世纪90年代后期，我国开始将雷达测雨技术引入水文领域的水力模型中使用。如任立良和刘新仁于2001年在淮河流域试验中将雷达估测雨量用于新安江模型模拟史灌河流域的流量过程，取得较好的效果。刘晓阳等用雷达联合雨量计估测降水作为流域水文模型TOPMODEL的降水输入，对梅山水库的入库流量及史灌河流域的径流进行了模拟。然而截至目前，由于雷达数据分辨精度和准确性的限制，还没有确切的将其引入城市内涝实时模型中使用的先例。上海市城市排水有限公司在建立“上海城市排水防汛预警系统”时，特别为雷达数据预留了数据接入口，开创了国内将雷达数据与城市排水实时模型相结合的先河。

3　建议与展望

总结雷达预测降雨技术的发展现状，借鉴国外的成功经验，并结合上海等国内特大型城市的实际情况，为我国雷达数据与城市内涝实时模型相结合提出以下建议：

（1）将雷达预测降雨技术引入城市内涝实时模型在国外已有成功先例，其在预防洪水、城市内涝、合流污水溢流、优化都市排水系统运行模式等方面均呈现显著效果，有非常值得期待的发展潜力。

（2）C波段雷达有探测范围广、测量数据准确、数据校正步骤相对简易等特点，其侦测范围和分辨率（200 km，1 km）基本满足国内大型城市内涝实时模型的要求，建议作为雷达与城市实时模型结合的主要发展方向；X波段雷达具有分辨率高、成本低、移动性强等特点，但考虑到其受地面杂波干扰较大，建议部署在城市非人口稠密的防汛重点区域作为防汛补充机制，进一步提高重点区域的防汛能力。

（3）进一步提高雷达临近预报的可靠性十分重要。国外经验表明，在预报过程中，进行连续预报方式将有助于增强预报的准确度。同时，将预报时间从6 h缩短为2～3 h，取得的预报也将更加准确。

（4）由于目前在我国雷达预测技术与城市防汛结合仍属于创新体制，因此在新体制建设过程中，除了要考虑技术发展的同时，还需考虑这一新技术对自然环境，人文环境以及经济环境的潜在影响，制定相关配套的法律和规范，以使在支持新技术发展的同时，限制其对社会可能造成的负面影响，达到使技术“以人为本，为人服务”的最终目的。

[1]杨扬,张建云,戚建国,等.雷达测雨及其在水文中应用的回顾与展望[J].水科学进展,2000(1):92-98.

[2]卢江涛.利用天气雷达估测和预报降雨分布的研究[D].北京:清华大学,2011.

[3]魏林宏,郝振纯,邱绍伟.雷达测雨在水文学中的应用——影响预报精度的因素分析[J].水利水电技术,2004(5):1-4.

[4]陶汝颂,杨春华.多普勒测雨雷达在水文发展中的建设目标与前景展望[J].珠江现代建设,2013(3):6-8.

[5]马学谦,董万胜,楚荣忠,等.X波段双偏振多普勒天气雷达降雨估算试验[J].高原气象,2008(2):382-391.

[6]胡志群,刘黎平,楚荣忠,等.X波段双线偏振雷达不同衰减订正方法对比及其对降水估测影响研究[J].气象学报,2008(2):251-261.

X4

A

1009-7716（2016）02-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.050

2015-11-09

上海市城市建设投资开发总公司资助项目“上海市重点区域排水防汛实时预警系统研究”

朱弋（1982-），男，上海人，工程师，从事城市排水及污水处理工作。