高分辨率面雨量雷達測雨系統在廣西左江上游的應用探討

廖文凱，張增弟，李運堂

（1.廣西壯族自治區水文中心，南寧 530023；2.崇左水文中心，廣西 崇左 532200）

引言

左江發源于越南與廣西交界的枯隆山，上游在越南境內稱奇窮河（又叫黎溪），于憑祥市平而關進入中國境內后稱平而河，流至崇左龍州縣城有支流水口河匯入。左江干流全長539 km，左江上游控制站龍州水文站流域面積12 465 km2，其中有11 579 km2在越南境內。越南境內目前僅有高平、范米、涼山3 個站的信息按4 段2 次通過人工以電子郵件方式報送給我國，存在站點少、信息不及時的問題，無法滿足左江上游洪水預警預報工作的需要。低空雷達測雨是一種最新的雨量監測設備，可監測一定區域范圍有效的降雨量。廣西壯族自治區水文中心在水口和平而水文站安裝了2 套低空測雨雷達，通過對比分析，逐步解決越南報汛不足問題。

1 左江上游高分辨率面雨量雷達測雨系統簡介

1.1 雷達組網

廣西壯族自治區水文中心（原廣西水文水資源局）于2017年7月建設完成了左江上游高分辨率面雨量雷達測雨系統，在水口和平而兩個水文站分別建設X 波段雨量雷達，利用X 波段雨量雷達測雨技術，實現了對左江上游半徑96 km 范圍內面雨量數據的獲取，覆蓋了左江上游境外全流域。通過2 臺X波段低空雷達組網測雨，實現雷達監測雙備份，擴大監測范圍，增強數據監測的可靠性。

1.2 雷達測雨系統

左江上游高分辨率雨量雷達測雨系統主要由2部 X 波段雨量雷達、8 臺雨滴譜儀（1 部 X 波段雨量雷達配套4 臺雨滴譜儀）等數據采集模塊以及數據接收處理單元、應用服務系統、運行監控管理平臺等軟件系統組成（見圖1）。

圖1 系統組成

2 部X波段雨量雷達分別架設在水口和平而水文站，為達到主要觀測方向雷達掃描仰角不高于2°的情況，兩部雷達分別用鐵塔的形式架高15 m 和20 m。每部雷達對應的4個雨滴譜儀監測站根據布設要求，部署在了距離雨量雷達大約5、10、15、20 km 的地方，通過動態數學物理模型，解決了單一雷達系統無校正反演機制而導致的“測不準”問題。中心應用服務器部署在廣西壯族自治區水文中心機房，雨量雷達和中心服務器之間專門布設有帶寬8M 的專網光纖。雨量雷達以5 min 為一個掃描周期，每周期定時將雷達探測到的回波數據通過有線網絡傳送到水文站的計算機；對應的4 個雨滴譜監測站將采集的雨滴譜數據通過GPRS方式傳輸至區水文局機房接收服務器，并通過上傳下載的方式發送到水文站計算機；計算機上的數據處理單元（DPU）將獲取的雷達資料和雨滴譜資料進行匹配分析和雨強雨量反演，每5 min 生成一組基于格點的雨強數據，提供給應用服務系統；應用服務系統針對收集到的雨情信息和監控區的地理信息，做相關計算處理并發布展示（系統結構見圖2）。

圖2 系統拓撲圖

1.3 主要技術指標

該X 波段雨量雷達采用中頻相參脈沖多普勒體制，工作頻率為X波段，發射峰值功率≥75 kW，采用地型匹配掃描和垂直功率譜自動探測方式，可定量測量96 km 范圍內氣象目標的強度、平均徑向速度、譜寬及垂直功率譜，以5 min 為探測周期，自動獲取60 m×60 m 分辨率的格點雨量數據，并實時傳輸至數據處理單元進行處理，可實現對流域高分辨率格點雨量的精確測量。

雨量雷達結構形式具有小型化、高可靠性、靈活性等優點，電訊設計具有以下技術優點。

（1）系統工作脈寬0.4μs，可實現60 m 距離分辨率，實現高分辨格點雨量監測。

（2）天線口徑1.8 m，實現1.3°窄波束，波束充塞系數好，探測更精細。

（3）發射峰值功率≥75 kw，可提升X 波段雷達強降雨時探測效果，避免雨量過大探測不準。

（4）采用數字中頻接收機，實現數字自動頻率跟蹤和數字定相，實現雷達較高的改善因子，確保系統達到較高的測速精度和地雜波對消能力，地物抑制能力優于30dB。

（5）成熟、穩定的小型交流伺服系統，控制靈活，設計雨量自動探測模式，采用“垂直指向和最佳地型匹配”的掃描模式，探測結果更接近于實際地面的降雨情況，為實時準確測量降水提供可靠數據支持。

（6）網絡化系統拓撲設計，雷達數據傳輸及控制操作（包括電源）均可通過網絡方式由計算機進行遙控，實現全天候24 h連續不間斷無人值守工作；依據網絡和環境條件可靈活組成面雨量監測網。

2 雷達估測降雨數據的處理

雷達每5 min 掃描生成5 個文本文件PRH、PRZ、PRV、PRW、PRI，與之對應并入庫的4 個雨滴譜儀監測站數據通過應用系統生成PSD 文件并交換到雨量雷達工作站，數據處理單元通過對雷達5個文件和雨滴譜儀數據文件PSD的處理，最終輸出雨強數據文件PRD。PRD 交換到區水文局應用服務器上，應用服務軟件通過對PRD數據的處理生成60 m×60 m（36 km）和600 m×600 m（96 km）的兩種格點雨量數據，以兩個TXT文本的形式存儲在中心應用服務器上。

600 m×600 m 的格點雨量是60 m×60 m 的格點雨量累加求平均，且600 m×600 m 精度的格點雨量已經能夠滿足業務需求，為了減少后續數據計算量，后續參與計算的均是分辨率為600 m×600 m 的格點雨量。

（1）網格展示。業務應用系統通過對600 m×600 m 格點雨量的計算，生成2.4 km×2.4 km 格點雨量，存儲到SQLserver 數據庫RD_ZONALSTATISITCS表中，并在地圖界面顯示。

（2）分區雨量的計算。根據水口河和平而河河道流向，將上游監測區域劃分為16 個分區（將水口流域劃分為7 個區，編號：807ld001-007；平而流域劃分為9 個區，編號：807ld008-016，每個區域以一個站碼代表該區域的面雨量）。每個分區面雨量根據區域內包含的格點雨量數目和對應的數值計算面平均雨量，16個分區的面平均雨量存儲在數據庫RD_AREA 表中。

如1號區域有n個600 m×600 m的格點，每個格點的小時面雨量為R1、R2、R3…Rn-1、Rn。則1號區域對應的小時面平均雨量：R=（R1+R2…Rn-1+Rn）/n。

（3）將雷達監測到的實時面雨量數據按時段每小時一次存入實時雨水情數據庫，供查詢和洪水預警預報使用。

3 與傳統雨量監測站數據對比分析

為了更好了解16 個分區雷達測雨數據精度情況，找出與傳統雨量監測站數據的相關情況，開展相關數據如下對比分析。

由于距離越遠，雷達波反射越差，因此主要選取距離平而、水口兩個站0～50 km區域內或附近有傳統雨量監測點的 807ld003、807ld005、807ld006、807ld007、807ld008、807ld009、807ld011、807ld013等8個分區來做對比分析。

其中807ld003、807ld005、807ld006、807ld007等4 個分區為水口站上游集水區域，與其龍、岳西、高平、水口等雨量站的雨量資料進行對比分析；807ld008、807ld009、807ld011、807ld013 等4 個分區為平而站上游集水區域，與沿邊、范米、涼山等雨量站的雨量資料進行對比分析。

選取水口站9 場（漲幅1.22～4.22 m）、平而站10 場（漲幅1.22～8.81 m）洪水過程開展數據對比。洪水期間集水區域與對應鄰近傳統雨量站點資料對比情況見表1、表2和圖3、圖4。

表1 水口站相關集水區域與鄰近雨量站資料對比結果列表 mm

圖3 水口上游相關集水區與傳統雨量站雨量對比柱狀圖

表2 平而站相關集水區域與鄰近雨量站資料對比結果列表 mm

圖4 平而上游相關集水區與傳統雨量站雨量對比柱狀圖

從表1、表2 和圖3、圖4 中可以看出，距離雷達相對較近的807ld005、807ld007、807ld009、807ld011的4 個分區雨量值基本上比傳統雨量站的偏大；距離雷達相對較遠的807ld008、807ld013 的2 個分區雨量值大多比傳統雨量站的偏小；有部分場次上游集水分區雨量值與傳統雨量站的偏差較大。

總體來說，上游相關集水分區與傳統雨量站的數據對比偏差有大有小，大小差值有的偏差較大，基本無規律可循，暫時未能率定有效關系。

4 在廣西洪水預報系統中應用

4.1 參數率定

以雷達監測分析入庫16 個區域的面降雨數據為依據，采用泰森多邊形法計算區域的面平均降雨量，采用中國洪水預報系統，率定新安江模型參數后，臨時用于實時預警預報。

以水口站為例，采用有雷達資料的2018年4月1日～10月19日進行率定參數，新安江三水源蓄滿產流參數（SMS_3）結果見表3，新安江三水源滯后演算匯流模型（LAG3）參數率定結果見表4。率定結果表明：該方案水量平衡，確定性系統0.615，方案為丙等。

4.2 實際應用

2019年9月1日，水口站出現洪水過程，經采用水口站一年的資料率定的方案進行洪水洪峰流量分析，計算結果見表5。

表3 基于新安江三水源模型的產流參數結果

表4 基于新安江三水源模型的匯流參數結果

表5 水口水文站2019年9月1日洪水情況

預報分析結果：預計 2019年 9月 1日 1 時出現洪峰流量 1544 m3/s，實際 9月 1日 10 時出現洪峰流量1280 m3/s，洪峰流量預報相對誤差20%，允許誤差20%，剛好合格。

5 結語

與傳統自動監測雨量站相比，高分辨率面雨量雷達測雨系統在空間連續性、降雨演進、監測密度、維護工作量等方面具有較大優勢。

高分辨率面雨量雷達測雨系統對雷達估測區域的降雨量進行分區，并將分區計算結果作為該區域面降雨量，通過開展與相鄰的傳統雨量監測站數據對比分析，研究雷達面與點的相關關系并與廣西洪水預報系統結合，初步率定參數，為逐步開展左江上游的洪水預警預報工作提供技術支撐。

目前，由于雷達面雨量與傳統點雨量數據關系未建立，下一步隨著越南報汛站點的增加，再結合多場洪水期間監測數據，進一步對雷達面雨量與傳統監測點計算的面雨量進行對比分析，將兩者結果通過相關關系轉化為有效面雨量，應用到左江的洪水預警預報中，為做好左江預警預報積累經驗，同時為高分辨率面雨量雷達測雨系統在廣西的有效應用打下基礎。