高分辨率面雨量雷达测雨系统在广西左江上游的应用探讨

廖文凯，张增弟，李运堂

（1.广西壮族自治区水文中心，南宁 530023；2.崇左水文中心，广西 崇左 532200）

引言

左江发源于越南与广西交界的枯隆山，上游在越南境内称奇穷河（又叫黎溪），于凭祥市平而关进入中国境内后称平而河，流至崇左龙州县城有支流水口河汇入。左江干流全长539 km，左江上游控制站龙州水文站流域面积12 465 km2，其中有11 579 km2在越南境内。越南境内目前仅有高平、范米、凉山3 个站的信息按4 段2 次通过人工以电子邮件方式报送给我国，存在站点少、信息不及时的问题，无法满足左江上游洪水预警预报工作的需要。低空雷达测雨是一种最新的雨量监测设备，可监测一定区域范围有效的降雨量。广西壮族自治区水文中心在水口和平而水文站安装了2 套低空测雨雷达，通过对比分析，逐步解决越南报汛不足问题。

1 左江上游高分辨率面雨量雷达测雨系统简介

1.1 雷达组网

广西壮族自治区水文中心（原广西水文水资源局）于2017年7月建设完成了左江上游高分辨率面雨量雷达测雨系统，在水口和平而两个水文站分别建设X 波段雨量雷达，利用X 波段雨量雷达测雨技术，实现了对左江上游半径96 km 范围内面雨量数据的获取，覆盖了左江上游境外全流域。通过2 台X波段低空雷达组网测雨，实现雷达监测双备份，扩大监测范围，增强数据监测的可靠性。

1.2 雷达测雨系统

左江上游高分辨率雨量雷达测雨系统主要由2部 X 波段雨量雷达、8 台雨滴谱仪（1 部 X 波段雨量雷达配套4 台雨滴谱仪）等数据采集模块以及数据接收处理单元、应用服务系统、运行监控管理平台等软件系统组成（见图1）。

图1 系统组成

2 部X波段雨量雷达分别架设在水口和平而水文站，为达到主要观测方向雷达扫描仰角不高于2°的情况，两部雷达分别用铁塔的形式架高15 m 和20 m。每部雷达对应的4个雨滴谱仪监测站根据布设要求，部署在了距离雨量雷达大约5、10、15、20 km 的地方，通过动态数学物理模型，解决了单一雷达系统无校正反演机制而导致的“测不准”问题。中心应用服务器部署在广西壮族自治区水文中心机房，雨量雷达和中心服务器之间专门布设有带宽8M 的专网光纤。雨量雷达以5 min 为一个扫描周期，每周期定时将雷达探测到的回波数据通过有线网络传送到水文站的计算机；对应的4 个雨滴谱监测站将采集的雨滴谱数据通过GPRS方式传输至区水文局机房接收服务器，并通过上传下载的方式发送到水文站计算机；计算机上的数据处理单元（DPU）将获取的雷达资料和雨滴谱资料进行匹配分析和雨强雨量反演，每5 min 生成一组基于格点的雨强数据，提供给应用服务系统；应用服务系统针对收集到的雨情信息和监控区的地理信息，做相关计算处理并发布展示（系统结构见图2）。

图2 系统拓扑图

1.3 主要技术指标

该X 波段雨量雷达采用中频相参脉冲多普勒体制，工作频率为X波段，发射峰值功率≥75 kW，采用地型匹配扫描和垂直功率谱自动探测方式，可定量测量96 km 范围内气象目标的强度、平均径向速度、谱宽及垂直功率谱，以5 min 为探测周期，自动获取60 m×60 m 分辨率的格点雨量数据，并实时传输至数据处理单元进行处理，可实现对流域高分辨率格点雨量的精确测量。

雨量雷达结构形式具有小型化、高可靠性、灵活性等优点，电讯设计具有以下技术优点。

（1）系统工作脉宽0.4µs，可实现60 m 距离分辨率，实现高分辨格点雨量监测。

（2）天线口径1.8 m，实现1.3°窄波束，波束充塞系数好，探测更精细。

（3）发射峰值功率≥75 kw，可提升X 波段雷达强降雨时探测效果，避免雨量过大探测不准。

（4）采用数字中频接收机，实现数字自动频率跟踪和数字定相，实现雷达较高的改善因子，确保系统达到较高的测速精度和地杂波对消能力，地物抑制能力优于30dB。

（5）成熟、稳定的小型交流伺服系统，控制灵活，设计雨量自动探测模式，采用“垂直指向和最佳地型匹配”的扫描模式，探测结果更接近于实际地面的降雨情况，为实时准确测量降水提供可靠数据支持。

（6）网络化系统拓扑设计，雷达数据传输及控制操作（包括电源）均可通过网络方式由计算机进行遥控，实现全天候24 h连续不间断无人值守工作；依据网络和环境条件可灵活组成面雨量监测网。

2 雷达估测降雨数据的处理

雷达每5 min 扫描生成5 个文本文件PRH、PRZ、PRV、PRW、PRI，与之对应并入库的4 个雨滴谱仪监测站数据通过应用系统生成PSD 文件并交换到雨量雷达工作站，数据处理单元通过对雷达5个文件和雨滴谱仪数据文件PSD的处理，最终输出雨强数据文件PRD。PRD 交换到区水文局应用服务器上，应用服务软件通过对PRD数据的处理生成60 m×60 m（36 km）和600 m×600 m（96 km）的两种格点雨量数据，以两个TXT文本的形式存储在中心应用服务器上。

600 m×600 m 的格点雨量是60 m×60 m 的格点雨量累加求平均，且600 m×600 m 精度的格点雨量已经能够满足业务需求，为了减少后续数据计算量，后续参与计算的均是分辨率为600 m×600 m 的格点雨量。

（1）网格展示。业务应用系统通过对600 m×600 m 格点雨量的计算，生成2.4 km×2.4 km 格点雨量，存储到SQLserver 数据库RD_ZONALSTATISITCS表中，并在地图界面显示。

（2）分区雨量的计算。根据水口河和平而河河道流向，将上游监测区域划分为16 个分区（将水口流域划分为7 个区，编号：807ld001-007；平而流域划分为9 个区，编号：807ld008-016，每个区域以一个站码代表该区域的面雨量）。每个分区面雨量根据区域内包含的格点雨量数目和对应的数值计算面平均雨量，16个分区的面平均雨量存储在数据库RD_AREA 表中。

如1号区域有n个600 m×600 m的格点，每个格点的小时面雨量为R1、R2、R3…Rn-1、Rn。则1号区域对应的小时面平均雨量：R=（R1+R2…Rn-1+Rn）/n。

（3）将雷达监测到的实时面雨量数据按时段每小时一次存入实时雨水情数据库，供查询和洪水预警预报使用。

3 与传统雨量监测站数据对比分析

为了更好了解16 个分区雷达测雨数据精度情况，找出与传统雨量监测站数据的相关情况，开展相关数据如下对比分析。

由于距离越远，雷达波反射越差，因此主要选取距离平而、水口两个站0～50 km区域内或附近有传统雨量监测点的 807ld003、807ld005、807ld006、807ld007、807ld008、807ld009、807ld011、807ld013等8个分区来做对比分析。

其中807ld003、807ld005、807ld006、807ld007等4 个分区为水口站上游集水区域，与其龙、岳西、高平、水口等雨量站的雨量资料进行对比分析；807ld008、807ld009、807ld011、807ld013 等4 个分区为平而站上游集水区域，与沿边、范米、凉山等雨量站的雨量资料进行对比分析。

选取水口站9 场（涨幅1.22～4.22 m）、平而站10 场（涨幅1.22～8.81 m）洪水过程开展数据对比。洪水期间集水区域与对应邻近传统雨量站点资料对比情况见表1、表2和图3、图4。

表1 水口站相关集水区域与邻近雨量站资料对比结果列表 mm

图3 水口上游相关集水区与传统雨量站雨量对比柱状图

表2 平而站相关集水区域与邻近雨量站资料对比结果列表 mm

图4 平而上游相关集水区与传统雨量站雨量对比柱状图

从表1、表2 和图3、图4 中可以看出，距离雷达相对较近的807ld005、807ld007、807ld009、807ld011的4 个分区雨量值基本上比传统雨量站的偏大；距离雷达相对较远的807ld008、807ld013 的2 个分区雨量值大多比传统雨量站的偏小；有部分场次上游集水分区雨量值与传统雨量站的偏差较大。

总体来说，上游相关集水分区与传统雨量站的数据对比偏差有大有小，大小差值有的偏差较大，基本无规律可循，暂时未能率定有效关系。

4 在广西洪水预报系统中应用

4.1 参数率定

以雷达监测分析入库16 个区域的面降雨数据为依据，采用泰森多边形法计算区域的面平均降雨量，采用中国洪水预报系统，率定新安江模型参数后，临时用于实时预警预报。

以水口站为例，采用有雷达资料的2018年4月1日～10月19日进行率定参数，新安江三水源蓄满产流参数（SMS_3）结果见表3，新安江三水源滞后演算汇流模型（LAG3）参数率定结果见表4。率定结果表明：该方案水量平衡，确定性系统0.615，方案为丙等。

4.2 实际应用

2019年9月1日，水口站出现洪水过程，经采用水口站一年的资料率定的方案进行洪水洪峰流量分析，计算结果见表5。

表3 基于新安江三水源模型的产流参数结果

表4 基于新安江三水源模型的汇流参数结果

表5 水口水文站2019年9月1日洪水情况

预报分析结果：预计 2019年 9月 1日 1 时出现洪峰流量 1544 m3/s，实际 9月 1日 10 时出现洪峰流量1280 m3/s，洪峰流量预报相对误差20%，允许误差20%，刚好合格。

5 结语

与传统自动监测雨量站相比，高分辨率面雨量雷达测雨系统在空间连续性、降雨演进、监测密度、维护工作量等方面具有较大优势。

高分辨率面雨量雷达测雨系统对雷达估测区域的降雨量进行分区，并将分区计算结果作为该区域面降雨量，通过开展与相邻的传统雨量监测站数据对比分析，研究雷达面与点的相关关系并与广西洪水预报系统结合，初步率定参数，为逐步开展左江上游的洪水预警预报工作提供技术支撑。

目前，由于雷达面雨量与传统点雨量数据关系未建立，下一步随着越南报汛站点的增加，再结合多场洪水期间监测数据，进一步对雷达面雨量与传统监测点计算的面雨量进行对比分析，将两者结果通过相关关系转化为有效面雨量，应用到左江的洪水预警预报中，为做好左江预警预报积累经验，同时为高分辨率面雨量雷达测雨系统在广西的有效应用打下基础。