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水利测雨雷达的应用优势与挑战

2024-06-07 12:10:43

   作者:田富强,等 中国水利杂志

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[摘要] 水利测雨雷达系统,着眼于精细化面雨量监测预报预警,主要目标是对近地面(2km以下)大气中的液态水实现无盲区、精细化格点扫描和测量。测雨雷达与气象卫星相配合能够获取大范围天气信息,实现高分辨率面雨量监测和短临暴雨预警,与雨量站和水文站互相补充、相互支持、层层递进,共同组成雨水情监测预报的“三道防线”,为水

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湖南水利测雨雷达试点——蒿山雷达站  供图/李静岚

水利测雨雷达系统,着眼于精细化面雨量监测预报预警,主要目标是对近地面(2km以下)大气中的液态水实现无盲区、精细化格点扫描和测量。测雨雷达与气象卫星相配合能够获取大范围天气信息,实现高分辨率面雨量监测和短临暴雨预警,与雨量站和水文站互相补充、相互支持、层层递进,共同组成雨水情监测预报的三道防线,为水旱灾害防御调度提供更有效的技术支撑。

2011年,水利部门开始探索面雨量雷达在防汛工作中的应用,从早期的单极化X波段速调管机械型雷达,发展到目前的双极化X波段全固态全相参体制雷达(相控阵型和机械型)。2011—2018年,水利部信息中心在云南大理、河南郑州、江西婺源等地试点应用X波段面雨量雷达,采用单极化机械多普勒雷达与滴谱仪配套应用监测流域面雨量。2019年以来,水利部信息中心进一步推进高精度X波段水利测雨雷达的应用,开展了双极化固态机械多普勒和双极化相控阵等多种型号雷达的试点应用,通过以雷达站为中心,在半径大于45km且回波强度大于35dBZ水平范围内,对地面以上2km高度内大气中无缝的连续仰角进行扫描作业,实现近地面层液态水含量的精细化测量,提高暴雨中心的捕捉能力和面雨量监测精度。

本文基于水利测雨雷达在海河流域的大清河水系以及湖南省内的捞刀河、浏阳河流域两个试点区的应用,对水利测雨雷达在强降雨条件下的监测效果和应用情况进行评估,以总结系统运行中的经验和不足,提出进一步发展水利测雨雷达监测系统的建议。

 

01水利测雨雷达定量降水估算方法与评估指标

雷达定量降水估算方法

中国科学院地理资源所和清华大学联合开发的水利测雨雷达定量降水估算方法(QPE)主要包含以下4个模块:非气象回波的识别与去除模块;复合平面扫描仰角信息计算模块;③X波段雷达降水率计算模块;④X波段雷达降水组网拼图模块。

水利测雨雷达观测非气象回波的识别与去除模块,主要用于去除地物回波、海浪回波、生物回波、超折射回波、晴空回波等非气象回波,从而提高QPE的精度。QPE算法的复合平面扫描仰角信息计算模块,主要用于解决雷达电磁波受地形、建筑物等阻挡导致的低层仰角电磁波发生部分或全部信号缺失问题。降水率计算模块主要基于双偏振雷达提供的反射率、差分反射率和差分相位变化率等观测信息变量及对应的降水转换关系定量反演出降水量。降水组网拼图模块通过将多部雷达的信息有机结合,可以充分发挥多部雷达的优势,较好解决单部雷达可能存在的强降雨雨衰、静锥区和盲区等问题,为覆盖区域提供更为精细的降水信息,从而提升短临暴雨监测预报预警服务质量。

QPE产品评估指标

以自动站雨量计1h降水量观测为基准,对雷达QPE产品性能进行评估。首先把QPE产品累计成1h降水量;随后根据雨量计的经纬度信息,把QPE产品估计的降水量与雨量计观测的降水量进行匹配,取与雨量计经纬度最接近的QPE产品格点及其周边8个格点估计的降水量平均值作为QPE产品在该雨量计位置的降水量估计值;最后,选取QPE产品和雨量计1h观测降水量均大于0.1mm的数据进行统计评估。

评估的指标包括相关系数(CC)、均方根误差(RMSE)、相对平均误差(RMB),其定义分别如以下公式:

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式中,N为样本数;rkgk分别为QPE产品估计的降水量和雨量计观测的降水量;CC是体现降水估计与实际观测降水量线性关系的统计指标,CC越高,说明降水估计与实际观测降水量的一致性越高;RMSE是体现降水估计与实际观测降水量误差的统计指标,RMSE越接近0,说明误差越小,估计的离散度越低。RMB是体现平均偏离情况的指标,RMB为正(负),说明QPE产品高估(低估)了实际观测的降水。

 

02水利测雨雷达试点区强降雨监测效果评估

大清河流域试点效果评估

2020年以来,水利部在大清河流域建立了基于X波段双极化相控阵型的水利测雨雷达网,主要覆盖雄安新区及周边。综合考虑雷达有效组网探测距离、基础设施和施工条件、电磁环境及地形等,选址在北河店站、枣林庄站、东茨村站、北辛店站,于202112月全部投入运行。4部雷达组网可覆盖大清河流域雄安新区周边1.8km2范围,QPE产品时间分辨率为40s,空间分辨率为30m。选取海河“23·7”流域性特大洪水期(2023728日至81日)的极端降雨过程,对雷达网的测雨精度进行评估。

选取20237294时至7310UTC(世界标准时间)的强降水过程,以水利部提供的雨量站数据为基准,与雷达数据建立匹配关系,得到雨量站累计雨量和对应点的雷达累计雨量数据。

2023729—30日降水空间分布

下图分别为2023729日(a)和30日(bUTC的相控阵型水利测雨雷达覆盖范围内的雨量站累计雨量和相控阵型水利测雨雷达累计雨量产品。

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试点区累积降水空间分布

从水利测雨雷达给出的累积降水量分布来看,此次降水过程的降水总量空间分布具有较大差异。729日降水中心主要位于覆盖区北部,最大累积降水量超过100mm,研究区西面局部地区累积降水量超过60mm;同时,部分区域降水量小于20mm730日降水中心主要位于覆盖区南部,除了降雨中心最大累积降水量超过100mm外,其他大部分区域累积降水量低于80mm。大清河流域布置的4部水利测雨雷达,覆盖区域属于太行山东部平原区,同时也属于太行山东部迎风坡的弧形多雨带。与地面雨量站观测相比,水利测雨雷达形成的QPE产品对本次强降雨过程降水量空间分布的描述更精细,其分布特征与雨量站观测的总降水量空间分布基本一致,说明水利测雨雷达QPE产品可以充分捕捉该平原试点区强降水的空间分布特征。

2023729—30日小时降水散点图

下图为试点区雨量站观测与QPE估算小时降水散点图,整体数据统计得到2023729日小时降水的相关系数为0.858,均方根误差为3.634,相对偏差为-0.009730日小时降水的相关系数为0.878,均方根误差为2.701,相对偏差为0.021。说明本次过程中雷达估计雨量与雨量站小时雨量的误差较小,离散度低。

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试点区雨量站观测与QPE估算小时降水散点图

湖南捞刀河、浏阳河流域试点效果评估

试点区布设古蒿山站、仙圣坛站、土桥站3X波段双极化相控阵型水利测雨雷达,覆盖浏阳河流域和捞刀河流域的7000km2范围,涵盖7个县级行政区106个乡镇、1座大型水库、15座中型水库、56座小(1)型水库。QPE产品时间分辨率为40s、空间分辨率为30m。选取20236202时至7UTC的强降水过程对雷达测雨效果进行评估。

2023620日降水空间分布

下图为20236202时至7UTC的相控阵型水利测雨雷达覆盖范围内雨量站累计雨量和相控阵型水利测雨雷达累计雨量产品。可以看到,本次降雨主要集中在覆盖区的中北部,强降水中心的最大累积降水量超过40mm,其他大部分区域的累积降水量基本低于30mm。湖南试点区水利测雨雷达布设于地形复杂的山区,受山脉地形影响,如古蒿山站点东部方向受山脉影响而存在较严重的遮挡。因此在本次QPE算法计算时,充分考虑了复合平面扫描仰角信息,用于解决雷达电磁波受山地地形的影响。与图3中地面雨量站观测相比,湖南相控阵型水利测雨雷达在测量降雨时精确地捕捉到降雨区域的整体细节和轮廓信息,QPE产品的降水中心也与雨量计记录值趋于一致。这些结果,充分证明了水利测雨雷达及其配套的QPE算法在捕捉山地试点区强降水过程中的有效性。

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2023620日试点区累积降水空间分布

2023620日小时降水散点图

下图为2023620日试点区雨量站与QPE估算小时降水散点图,可以看到,散点基本聚集在45°线附近。整体数据统计得到20236202时至7UTC小时降水相关系数为0.838,均方根误差为7.136,相对偏差为0.003。说明本次过程中雷达估计雨量与雨量站小时雨量的吻合度较高、误差较小。

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2023620日试点区小时降水散点图

 

03水利测雨雷达的优势和试点应用问题

水利测雨雷达的优势

通过2023年汛期两个试点区的应用效果评估,可以看出水利测雨雷达拥有以下优势:

降雨监测的时间效率和空间分辨率高

双极化相控阵型水利测雨雷达将相控阵技术与双极化偏振技术相结合,既具备相控阵雷达快速电子扫描的特点,又拥有双极化雷达获取天气系统丰富探测信息的优势,在测雨效率上有明显提升。相控阵型水利测雨雷达实现了逐40s30m×30m网格的超精细化降雨快速监测。

组网监测的准确率和稳定性高

水利测雨雷达采用低仰角观测策略监测近地面降雨,减少大气对降雨信号的干扰和衰减,提高降雨量估算的准确性。定量降雨估算算法针对不同气象条件和雷达参数进行优化,考虑地形和大气衰减等因素,提高了准确性。经常对数据进行校正和验证,包括校正雷达系统响应、与地面观测站数据进行对比,确保数据准确性。试点应用显示,水利测雨雷达估算降水量与地面雨量站偏差约15%,相较于天气雷达的业务产品,水利测雨雷达可以获得更精细的降水分布,与自动站的观测结果相比天气雷达也更为一致,能够有效应对天气雷达对弱降水的严重高估等问题,降雨观测较天气雷达偏差小。

同时,水利测雨雷达采用高频雷达波段进行观测,具有高抗干扰性能,可在复杂气象环境下稳定运行。自动化运维功能降低了人工操作需求,提高了运行稳定性。配备远程监控和故障诊断系统,可实时监测雷达状态并提供警报和诊断信息。大清河流域和捞刀河、浏阳河流域相控阵型水利测雨雷达试点区自2021年年底建成以来,运行连续性好,故障主要由电力和网络中断引起,未因硬件故障停机。

测雨自动化水平高,成本低

当前单部相控阵型水利测雨雷达硬件费用约500万元,安装费用约150万元,可实现半径不小于45km水平范围内近地面液态水含量的精细化(30m×30m网格)测量,覆盖面积约6300km2,相比同样空间网格精度条件下使用雨量站进行测雨,成本大大降低。另外,所选型的测雨雷达尺寸相对较小,降低了设计、制造和运输成本,简化了安装和布设,减少了相关工程和设施费用。如在全国推广应用,可通过大规模生产和标准化运行进一步降低成本。

另外,水利测雨雷达具备自动化运维功能,监测和诊断系统状态,自动检测故障、报警和异常情况;通过远程监控和管理系统,操作人员可以实时监视雷达状态,收集数据和进行配置调整,减少了现场维护需求,降低了人力和物力成本。

试点应用中存在的问题

电力网络保障不足

综合试点区实际运行情况,雷达供电线路不稳定及电压过低、市电变压器故障及市电跳闸、因运营商机房供电异常导致的雷达站断网等不利因素时有发生,一定程度上影响了水利测雨雷达的运行状态和效果。

极端条件运行能力不足

试点区水利测雨雷达站都配置了UPS(不间断电源),用于雷达供电断电后的电力供应,尚缺乏应对特大洪水等极端条件下的持续运行能力。海河“23·7”流域性特大洪水期间,北辛店雷达站因洪水漫过方舱内底部约50cm,电池受损8块,UPS主机损坏导致断电断网;东茨村雷达站因涿州市洪涝严重,光纤多处断裂,导致雷达数据因断网无法及时回传。

雷达监测覆盖不足

当前各试点区内组网观测雷达仅有3~4台,大清河试点区组网覆盖面积不足大清河流域的1/3,制约了水利测雨雷达探测范围以及基于测雨雷达观测的外推降水临近预报技术的应用。

 

04总结和建议

水利测雨雷达是水利部门用来实现水文测雨作业提档升级的专业测雨装备,综合其技术特点以及在2023年汛期两个试点区的应用评估效果,水利测雨雷达在降雨监测的时间效率、空间分辨率、组网监测准确性和稳定性方面,与传统雷达相比有显著提升,可为洪水预报提供更为全面可靠的数据支撑。因此,应该加大推广应用力度,早日建成覆盖全国范围的第一道防线,为防洪减灾提供更为坚实的保障。为更好地建设水利测雨雷达系统,结合以往研究经验和试点工作体会,提出如下建议:

制定水利测雨雷达建设标准

测雨雷达作为重要的水利行业基础设施,需要确保其在极端暴雨洪水期的正常运行。因此,应研究制定水利测雨雷达的建设标准,包括供电、防洪、算力、通信等方面,保证其在极端条件下的安全稳定运行。

加强复合型人才培养

水利测雨雷达的原理、技术特点与传统的天气雷达存在显著差异,对从业人员的专业性和技术能力要求高。亟须水利和气象部门密切合作,加强培养一批既熟悉水文业务又精通水利测雨雷达技术的复合型人才,保障水利测雨雷达的正常业务化应用。

提升面雨量精细监测条件下的洪水预报模型能力

水利测雨雷达实现了近地面层液态水含量的精细化测量,大幅度提高了面雨量的监测精度,对洪水模型构建思路方法和模型参数确定方法均有深刻影响,亟须开展相关的研究工作,提升面雨量精细监测条件下的洪水预报模型能力。

研发测雨雷达数据的卫星传输技术

水利测雨雷达建设的防护标准高,在极端暴雨灾害情形下也能做到运行稳定、故障率低,提供高精度的观测数据,但不能避免传统通信中断的问题。应建设卫星通信手段作为备用信息通道,研发专用的数据压缩技术,以便在极端情况下将大量数据传输平稳过渡到卫星通信,从而最大程度减少数据传输的中断时间,保持数据的连续性。

 

本文引用格式:

田富强,赵占锋,王琳,等.水利测雨雷达的应用优势与挑战[J].中国水利,202410):15-19.

 

来源《中国水利》2024年第10

作者田富强(清华大学水利水电工程系教授),赵占锋,王琳,倪广恒,戚友存

责编李博远

校对吕彩霞

审核王慧

监制轩玮

关键词: 水利 测雨雷达

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