水利測雨雷達(dá)--新質(zhì)生產(chǎn)力的研究
【上海純水設(shè)備行業(yè)新聞】
高精準(zhǔn)降雨監(jiān)測預(yù)報(bào)對于支撐水旱災(zāi)害防御等水利業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”工作至關(guān)重要。水利測雨雷達(dá)系統(tǒng)主要觀測近地面2km高度范圍內(nèi)大氣中的液態(tài)水，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫隙、精細(xì)化監(jiān)測并生成高精度實(shí)況定量降雨產(chǎn)品，具有較為精準(zhǔn)的外推13h降雨臨近預(yù)報(bào)能力，水利新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表。系統(tǒng)梳理了國降雨監(jiān)測發(fā)展歷程，包括無器具測量、雨量器萌芽、規(guī)范化人工雨量器、自動記錄式雨量器和現(xiàn)代自動測雨五個階段。此基礎(chǔ)上，從雨量站業(yè)務(wù)應(yīng)用、天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用、氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用角度，分析當(dāng)前“四預(yù)”業(yè)務(wù)中降雨監(jiān)測現(xiàn)狀與問題，進(jìn)而梳理了水利測雨雷達(dá)發(fā)展進(jìn)程并分析其技術(shù)優(yōu)勢，包括：能夠?qū)崟r生成超精細(xì)化的網(wǎng)格降雨實(shí)況數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化網(wǎng)格化降雨預(yù)報(bào)，以及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效。結(jié)合水利測雨雷達(dá)在河北省大清河流域以及湖南省撈刀河、瀏陽河流域的良好應(yīng)用效果，指出其作為水利新質(zhì)生產(chǎn)力在賦能“四預(yù)”方面具有應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：降雨監(jiān)測；裝備發(fā)展；新質(zhì)生產(chǎn)力；水利測雨雷達(dá)；四預(yù)”
作者簡介：錢峰，副主任，正高級工程師，主要研究方向?yàn)樗畔⒒?
基金項(xiàng)目：十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大自然災(zāi)害防控與公共安全”重點(diǎn)專項(xiàng)“山洪災(zāi)害信號早期識別與準(zhǔn)確預(yù)警技術(shù)裝備”項(xiàng)目（2022YFC3002900
新質(zhì)生產(chǎn)力是創(chuàng)新起主導(dǎo)作用，解脫激進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長方式、生產(chǎn)力發(fā)展路徑，具有高科技、高效能、高質(zhì)量特征，符合新發(fā)展理念的先進(jìn)生產(chǎn)力質(zhì)態(tài)，由技術(shù)革命性突破、生產(chǎn)要素創(chuàng)新性配置、產(chǎn)業(yè)深度轉(zhuǎn)型升級而催生，以勞動者、勞動資料、勞動對象及其優(yōu)化組合的躍升為基本內(nèi)涵，以全要素生產(chǎn)率大幅提升為核心標(biāo)志，特點(diǎn)是創(chuàng)新，關(guān)鍵在質(zhì)優(yōu)，實(shí)質(zhì)是先進(jìn)生產(chǎn)力。
發(fā)展水利新質(zhì)生產(chǎn)力是推動水利高質(zhì)量發(fā)展、保證我國水安全的內(nèi)在要求和重要著力點(diǎn)。降雨監(jiān)測預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”中占據(jù)業(yè)務(wù)鏈條發(fā)端與核心地位。水利測雨雷達(dá)著眼于精細(xì)化面雨量監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警，主要目標(biāo)是對近地面（2km以下）大氣中的液態(tài)水實(shí)現(xiàn)無縫隙、精細(xì)化掃描和測量。水利測雨雷達(dá)作為數(shù)字孿生水利“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系的重要組成，雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“三道防線”中發(fā)揮重要作用，推進(jìn)洪水預(yù)報(bào)從“地面雨”向“空中雨”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)延長預(yù)見期與提高精準(zhǔn)度有效統(tǒng)一，賦能水旱災(zāi)害防御等水利業(yè)務(wù)工作。
本文從生產(chǎn)力發(fā)展角度系統(tǒng)梳理我國從古至今的降雨監(jiān)測發(fā)展歷程，分析當(dāng)前雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，并基于水利測雨雷達(dá)在河北省大清河流域以及湖南省撈刀河、瀏陽河流域的試點(diǎn)應(yīng)用情況，結(jié)合水利測雨雷達(dá)賦能“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要作用，論述其作為水利新質(zhì)生產(chǎn)力的應(yīng)用效果與推廣前景。
01國降雨監(jiān)測發(fā)展歷程
生產(chǎn)力是認(rèn)識、利用和改造自然的能力。降雨作為一種與人類生產(chǎn)生活關(guān)系密切的自然現(xiàn)象，自古以來一直受到人們關(guān)注和重視，不時被觀察、丈量、預(yù)測。對降雨的觀測預(yù)測就是一種生產(chǎn)力，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人類歷史進(jìn)步具有非常重要的意義。國自古以來就重視降雨監(jiān)測，從監(jiān)測方式上大體可以分為無器具測量、雨量器萌芽、規(guī)范化人工雨量器、自動記錄式雨量器和現(xiàn)代自動測雨五個階段。
1.無器具丈量階段
史前文化對降雨監(jiān)測的記錄甚少，史記·夏本紀(jì)》尚書·禹貢》中，存在一些洪水災(zāi)害相關(guān)的記錄。比方《尚書·禹貢》中記載有“禹別九州，隨山浚川，任土作貢”禹錫玄圭，告厥成功”以昭告天下大禹治水成功；一些學(xué)者推斷大禹時期的洪水發(fā)生和消亡與極端強(qiáng)降雨的發(fā)生和氣候變化息息相關(guān)。
國最早的雨量監(jiān)測定性記錄源于殷商時期甲骨文。甲骨文中已將雨量定性區(qū)分為大雨、小雨和多雨、無雨等類型，另外還包括風(fēng)、云霧、雷鳴、電閃等多方面天氣現(xiàn)象記載。甲骨卜辭以祭祀云神、風(fēng)神來達(dá)到問雨”目的通過觀察天氣現(xiàn)象而得知風(fēng)、云、雨之間的關(guān)系。商代社會生產(chǎn)以農(nóng)業(yè)為主，面對干旱便會祈求降雨，雨水過于泛濫時甲骨卜辭中也會祈求止雨。春秋時期，左傳·隱公》以“凡雨，自三日以往為霖”來記錄降雨時間長短。至秦代，國已存在報(bào)雨澤”制度。1975年考古發(fā)現(xiàn)的秦律十八種》竹簡，其中《秦律十八種·田律》記載了上報(bào)降雨量的制度，如“雨為〈澍〉及誘（秀）粟，輒以書言〈澍〉稼、誘（秀）粟及豤（墾）田畼毋（無）無）稼者頃數(shù)。稼已生后而雨，亦輒言雨少多，所利頃數(shù)”等。后漢書·志第五·禮儀中》記載有“自立春，至立夏，盡立秋，郡國上雨澤。若少府、郡縣各掃除社稷。其旱也，公卿官長以次行雩禮求雨”要求在農(nóng)作物生長期間向中央上報(bào)雨量。唐宋開始，人們已用生活中的一些器皿如盆、盅等接雨水量測。杜甫《白帝》詩云“白帝城中云出門，白帝城下雨翻盆”來描述降雨的強(qiáng)度。這一階段，還沒有出現(xiàn)定量的降雨監(jiān)測工具。
2.雨量器萌芽階段
宋朝開始使用雨量器具丈量降雨，如“圓罌測雨”天池測雨”據(jù)博物館文物資料,圓罌”一種中間粗、口面大于底面的壇罐狀容器；天池”一種盆狀容器，可根據(jù)其口徑、底徑、盆深和雨深數(shù)據(jù)來推算平地降雨量。北宋已利用一系列詔令法規(guī)，提出“定量”降雨降雪奏報(bào)制度—諸州降雨雪，并須本縣具時辰、尺寸上州”南宋時期又專門對奏報(bào)降雨的情況即“上雨水限”做了進(jìn)一步細(xì)化。此外，北宋時期還有利用雨水入土深度來衡量雨量大小的方法，如北宋詩人曾寫過“山邊夜半一犁雨”布谷催耕雨一犁”等詩句。南宋數(shù)學(xué)家秦九韶在數(shù)書九章》中曾列出兩道關(guān)于“圓罌測雨”天池測雨”降雨量丈量算題，但所使用的計(jì)量單位主要是尺和寸，丈量精度還不算高。
3.規(guī)范化人工觀測雨量器階段
明朝時期呈現(xiàn)了由政府制定的圓筒形測雨器，地方州縣使用這一統(tǒng)一規(guī)范器具計(jì)量降雨并向上級奏報(bào)，由此估量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。清朝時期，由欽天監(jiān)和各地方氣象觀測情況編寫而成的晴雨錄》作為世界上最系統(tǒng)和完整的氣象觀測歷史記錄被當(dāng)今科學(xué)界所接受，其中記載了自雍正二年至光緒二十九年（17241903年）北京地區(qū)的降雨情況。清朝的雨量器刻有標(biāo)尺，已接近現(xiàn)代水文使用的雨量器。同期，國外，1695年英國物理學(xué)家羅伯特·胡克成功設(shè)計(jì)了翻斗式雨量計(jì)，通過玻璃漏斗收集雨水到下端的容器并進(jìn)行稱量，這一設(shè)計(jì)理念沿用至今；1722年英國氣象學(xué)家盧克·霍華德改造雨量器具，采用漏斗把雨水收集到玻璃量筒，通過觀察量筒刻度估算雨量大小。國民國元年（1912年）1月，當(dāng)時的運(yùn)河工程局在山東泰安設(shè)立雨量站并于當(dāng)月開始觀測降水量，這是國在黃河流域最早設(shè)立的雨量站。
4.自動記錄式雨量器階段
自動記錄式雨量計(jì)是自動記錄降雨量變化的器具，通常分虹吸式和翻斗式兩種。民國時期，雨量觀測多采用承雨漏斗直徑為20.32cm國產(chǎn)自制規(guī)范雨量筒，用公制量雨尺觀讀至毫米。新中國成立之初，直徑20.32cm國產(chǎn)雨量器逐漸被20cm口徑人工觀測雨量器和自記式雨量計(jì)取代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1950年全國共有水文測站1465處，其中流量站419處、水位站425處、雨量站234處、實(shí)驗(yàn)站1處、報(bào)汛站386處。這個年代的一局部測站使用DST型口徑為25.2cm自記式雨量計(jì)。1951年，當(dāng)時的治淮委員會在淮河流域配發(fā)51型雨量器，器口直徑為17.85cm設(shè)置在0.6m高的錐形混凝土座上，內(nèi)有承雨筒，用特制秤稱量雨量。1955年，自記式雨量計(jì)改進(jìn)增加了儲水瓶，使自記雨量記錄可以校測。爾后生產(chǎn)的雨量器口徑統(tǒng)一改為20cm用特制玻璃量杯測記雨量，其他原有雨量觀測儀器停止使用。20世紀(jì)60年代，國水文站全部裝置了口徑為20cm器口高出地面1.2m規(guī)范虹吸式自記雨量計(jì)。
5.現(xiàn)代自動測雨階段
雨量計(jì)是國水利、氣象、農(nóng)業(yè)部門雨量監(jiān)測的主要手段，為精準(zhǔn)預(yù)報(bào)天氣、保證人民群眾生命財(cái)富平安提供了基礎(chǔ)，觀測業(yè)務(wù)自動化、站網(wǎng)布局科學(xué)化水平繼續(xù)提升。截至2023年年底，按獨(dú)立雨量測站統(tǒng)計(jì)，全國水文部門共有雨量站53413處（若包括有雨量觀測項(xiàng)目的水文站、水位站，監(jiān)測雨量的水文測站合計(jì)達(dá)6.9萬處）其中基本雨量站14823處、專用雨量站38590處；雨量站自動監(jiān)測率達(dá)到100%截至2022年年底，國氣象觀測站超越7萬個，鄉(xiāng)鎮(zhèn)覆蓋率達(dá)100%其中2423個國家級地面氣象觀測站實(shí)現(xiàn)了觀測自動化、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化、綜合判識智能化，觀測頻次比人工觀測提高48倍。
近年來，雷達(dá)測雨正在成為一種全新的降雨觀測技術(shù)方法，可實(shí)現(xiàn)近地面雨量的精細(xì)化丈量。美國自20世紀(jì)80年代后期開始建設(shè)新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)，用于布網(wǎng)的新一代雷達(dá)系統(tǒng)（WSR-88D現(xiàn)代多普勒天氣雷達(dá)，具有高質(zhì)量定量降雨探測能力。目前美國已部署了300部S/X波段雷達(dá)，覆蓋2萬多個洪水多發(fā)區(qū)。國也從20世紀(jì)90年代后期開始布置新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)，經(jīng)過“十三五”時期建設(shè)，氣象部門在網(wǎng)S/C波段天氣雷達(dá)數(shù)量已經(jīng)超越230部，其中110多部已經(jīng)完成雙偏振技術(shù)改造。氣象天氣雷達(dá)觀測目標(biāo)是對流層020km高度范圍內(nèi)大氣中的全部氣象要素，降雨估測、冰雹識別、降雨云系微物理特征等方面開展應(yīng)用。
因受設(shè)備數(shù)量和分布位置限制，借助雨量計(jì)、地基雷達(dá)等手段難以獲取大范圍的地面降雨信息。1997年美國和日本聯(lián)合發(fā)射的PMM衛(wèi)星搭載了星載測雨雷達(dá)，能夠直接丈量降雨垂直剖面分布，實(shí)現(xiàn)地面降雨的天基觀測。繼PMM之后，美國和日本于2014年聯(lián)合提出GPM計(jì)劃，裝置在GPM核心衛(wèi)星上的雙頻測雨雷達(dá)DPR可全面獲取準(zhǔn)確的降雨信息，實(shí)現(xiàn)降雨的精確丈量。
21世紀(jì)初，國科研人員開始對星載降雨雷達(dá)開展前期研究。目前我國極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號C星上已經(jīng)有了一個能夠穿透云雨的儀器—微波輻射計(jì)。微波輻射計(jì)通過對比接收輻射量的前后變化，能夠推斷出降雨的強(qiáng)弱。2024年5月1日，風(fēng)云三號G星正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。風(fēng)云三號G星軌道高度407km搭載我國首套“空中雨量計(jì)”星載KuKa雙頻降水丈量雷達(dá)，將雷達(dá)觀測分辨率高和衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢結(jié)合起來，具備自上而下獲取大氣不同層次降水的三維立體結(jié)構(gòu)信息能力。風(fēng)云三號G星與C星、D星和E星在軌組網(wǎng)觀測，同時實(shí)現(xiàn)上午、下午、晨昏、傾斜4條軌道極軌氣象衛(wèi)星觀測。但當(dāng)前風(fēng)云三號G星在觀測時效和數(shù)據(jù)空間分辨率方面尚無法滿足水利防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)對于降雨觀測時效性和分辨率的數(shù)據(jù)需求，由此限制了其在水利行業(yè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。
02四預(yù)”業(yè)務(wù)中降雨監(jiān)測現(xiàn)狀與問題
前瞻、及時、精準(zhǔn)的雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)信息是打贏現(xiàn)代防汛戰(zhàn)的首要環(huán)節(jié)和重要條件，而當(dāng)前的雨量監(jiān)測能力不能滿足洪水預(yù)報(bào)對面雨量精準(zhǔn)監(jiān)測的需求。四預(yù)”業(yè)務(wù)中，以流域?yàn)閱卧ㄔO(shè)雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)“第一道防線”由氣象衛(wèi)星和測雨雷達(dá)組成的雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)體系，構(gòu)成“天基”和“空基”監(jiān)測預(yù)報(bào)的基石，更是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管控洪水防御全過程的重要基礎(chǔ)。由于衛(wèi)星資料和實(shí)時產(chǎn)品的延遲影響，實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中存在暴雨面積、降雨強(qiáng)度丈量不夠準(zhǔn)確等問題。
1.雨量站業(yè)務(wù)應(yīng)用
國雨量站站點(diǎn)分布不均、時空分辨率低，50km2以上流域暴雨中心區(qū)雨量站密度不足，無法及時獲取區(qū)間降雨數(shù)據(jù)，難以支撐洪水預(yù)報(bào)。目前水文系統(tǒng)建有6.9萬處雨量觀測站，但站點(diǎn)分布十分不均。以海河流域?yàn)槔?，平原地區(qū)1個雨量站代表5060km2降雨，西部、山區(qū)站點(diǎn)則更為稀疏。當(dāng)前大部分雨量站時間分辨率為1h滿意足對于短時強(qiáng)降雨的及時、精細(xì)觀測需求。因此，現(xiàn)有雨量站數(shù)據(jù)對于捕捉降雨的空間時間分布特征均不具備代表性。
2.天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)應(yīng)用
天氣雷達(dá)的基本功能是天氣監(jiān)視以及大范圍捕捉天氣系統(tǒng)，探測對流層020km高度范圍內(nèi)的所有類型（雨、冰、雪、雷暴大風(fēng)、龍卷風(fēng)、下?lián)舯┝鞯龋庀竽繕?biāo)。天氣雷達(dá)回波產(chǎn)品時間分辨率為10min探測半徑250km對于探測區(qū)域內(nèi)的大范圍降雨天氣的監(jiān)測預(yù)警能力較好，但由于其時空分辨率較低，受地球曲率影響低空覆蓋范圍小，對于導(dǎo)致強(qiáng)降雨的小尺度強(qiáng)對流系統(tǒng)探測能力缺乏，難以全面精確探測近地面液態(tài)水和估算降雨量，監(jiān)測數(shù)據(jù)與地面雨量站相比偏差較大，時空精度滿意足精細(xì)化降雨監(jiān)測需求，導(dǎo)致對局地強(qiáng)降雨監(jiān)測預(yù)警不夠精準(zhǔn)及時。
3.氣象衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用
目前，國雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中常用的氣象衛(wèi)星主要是中國風(fēng)云四號B星靜止氣象衛(wèi)星和日本葵花9號靜止氣象衛(wèi)星。靜止氣象衛(wèi)星距離地球遠(yuǎn)（位于赤道上空約35800km地球同步軌道中）不具備主動探測能力，主要利用氣象遙感儀器接收和丈量地球及其大氣層的多通道可見光、紅外與微波輻射，而通過紅外亮溫直接反演的降水量與實(shí)際偏差很大，難以直接應(yīng)用。因此，雨水情監(jiān)測預(yù)報(bào)工作中，主要通過對靜止氣象衛(wèi)星多個紅外通道輻射率觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)對流暴雨云團(tuán)識別、外推預(yù)報(bào)、臨近13h強(qiáng)降雨風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警，難以進(jìn)行較為準(zhǔn)確的降雨定量化估算和外推預(yù)報(bào)。
03水利測雨雷達(dá)”發(fā)展歷程與優(yōu)勢
水利測雨雷達(dá)經(jīng)歷了探索、初步應(yīng)用及迭代升級三個發(fā)展階段，為“四預(yù)”業(yè)務(wù)和水旱災(zāi)害防御等提供了有力有效的技術(shù)支撐，反映了創(chuàng)新驅(qū)動下面雨量監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，也體現(xiàn)了新一代水利行業(yè)降雨監(jiān)測“高科技、高效能、高質(zhì)量”重要特征。
1.發(fā)展歷程
1探索階段
從20世紀(jì)90年代開始，水利部信息中心通過加強(qiáng)對美國、日本等國家多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的學(xué)習(xí)交流，19972005年在黃淮流域引進(jìn)建設(shè)6部天氣雷達(dá)，開展了雷達(dá)估算面雨量試驗(yàn)，并提出建設(shè)93部天氣雷達(dá)的規(guī)劃。2009年提出增設(shè)58部，同年黃淮流域的6部天氣雷達(dá)建成，并于2010年左右投入應(yīng)用。2015年國家發(fā)展改革委印發(fā)《20162025年氣象雷達(dá)發(fā)展規(guī)劃》提出，依據(jù)氣象雷達(dá)站網(wǎng)布局、建設(shè)規(guī)范，氣象雷達(dá)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃框架下，水利部門在重點(diǎn)防洪區(qū)域設(shè)立專項(xiàng)，建設(shè)高時空分辨率面雨量雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)。
2初步應(yīng)用階段
20062018年，通過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期、二期工程建設(shè)，水利部天氣雷達(dá)應(yīng)用系統(tǒng)建成，實(shí)現(xiàn)了基于中國氣象局實(shí)時共享的天氣雷達(dá)（最多時104部）觀測基數(shù)據(jù)進(jìn)行各類回波產(chǎn)品和雨量產(chǎn)品的加工處置應(yīng)用。此系統(tǒng)從2019年汛期開始支撐日常防汛工作中的雷達(dá)短臨暴雨人工預(yù)警工作，發(fā)揮了重要作用。但由于天氣雷達(dá)主要偏重于探測大氣中高層混合氣象信息，且時空分辨率低，難以有效捕獲大氣底層小范圍局地短時強(qiáng)降雨，自動化強(qiáng)降雨預(yù)警準(zhǔn)確度較低，必需加入預(yù)報(bào)員人工經(jīng)驗(yàn)分析。
20112016年，水利部信息中心開始在大理、鄭州、婺源等地試點(diǎn)應(yīng)用X波段面雨量雷達(dá)，采用單極化速調(diào)管（磁控管）機(jī)械多普勒雷達(dá)搭配滴譜儀進(jìn)行面雨量估算。但由于單極化雷達(dá)難以識別降雨相態(tài)，每部雷達(dá)需要搭配安排24部滴譜儀，且磁控管設(shè)備壽命短、故障率高、運(yùn)維成本高，難以滿足測雨和預(yù)報(bào)預(yù)警需求，未能在水利系統(tǒng)推廣應(yīng)用。
3迭代升級階段
20192023年，水利部信息中心應(yīng)用新技術(shù)開展高精度X波段雷達(dá)測雨技術(shù)探索，與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所、清華大學(xué)、廣東納睿雷達(dá)科技股份有限公司、河北省水文勘測研究中心、湖南省水文水資源勘測中心、中國航天科工二院二十三所、中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所、中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所等單位，進(jìn)行了雙極化全固態(tài)機(jī)械多普勒和雙極化全固態(tài)相控陣等多種型號雷達(dá)的測雨試點(diǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大氣近地面層超高時空分辨率降雨量監(jiān)測，推進(jìn)了落地雨”洪水預(yù)報(bào)向“空中雨”洪水預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了試點(diǎn)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級臨近暴雨洪水自動預(yù)警，強(qiáng)化了天空地”一體化暴雨監(jiān)測預(yù)警，全方位感知暴雨洪水態(tài)勢。
對“水利測雨雷達(dá)”新質(zhì)生產(chǎn)力研究
機(jī)械測雨雷達(dá)（左）和相控陣測雨雷達(dá)（右）
2.優(yōu)勢
水利測雨雷達(dá)作為現(xiàn)代化高科技裝備，集成多種先進(jìn)技術(shù)和算法，可實(shí)現(xiàn)對降雨情況的高精度、高時空分辨率監(jiān)測。測雨雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)能夠快速識別降雨變化，實(shí)時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，為水利部門提供更高效能的決策依據(jù)。通過嚴(yán)格質(zhì)量控制和繼續(xù)優(yōu)化升級，測雨雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)保證了準(zhǔn)確性和可靠性，為“四預(yù)”業(yè)務(wù)提供了高質(zhì)量的信息支持。
1實(shí)時生成超精細(xì)化的網(wǎng)格降雨實(shí)況數(shù)據(jù)
雨量站的降雨觀測為點(diǎn)觀測，存在布設(shè)區(qū)域有限、大面積稀疏布設(shè)難度高等缺乏。水利測雨雷達(dá)主要觀測近地面層的液態(tài)水，3部相控陣型測雨雷達(dá)組網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效覆蓋1萬km2范圍、逐4030m30m網(wǎng)格的超精細(xì)化降雨快速監(jiān)測，相當(dāng)于在1萬km2范圍內(nèi)部署了約1100萬個雨量計(jì)（每30m30m網(wǎng)格布設(shè)一個）機(jī)械型測雨雷達(dá)組網(wǎng)也能達(dá)到覆蓋1萬km2范圍、逐5min75m75m網(wǎng)格精細(xì)化降雨監(jiān)測，可有效解決雨量站難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測雨監(jiān)測的缺陷。
2實(shí)現(xiàn)精細(xì)網(wǎng)格化的降雨預(yù)報(bào)
組網(wǎng)建設(shè)的水利測雨雷達(dá)系統(tǒng)具備逐分鐘更新快速外推未來13h精細(xì)化（相控陣型30m30m網(wǎng)格、機(jī)械型75m75m網(wǎng)格）降雨預(yù)報(bào)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級臨近（未來13h暴雨自動預(yù)警的能力。第一道防線”通過氣象衛(wèi)星提供的高分辨率衛(wèi)星云圖和大范圍氣象數(shù)據(jù)以及測雨雷達(dá)對降雨云體的實(shí)時監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對降雨情況的精準(zhǔn)測算和短臨預(yù)報(bào)，為后續(xù)“四預(yù)”爭取珍貴時間，提供精確數(shù)據(jù)支持。
3系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定高效
水利測雨雷達(dá)主要安排在暴雨洪水易發(fā)區(qū)和山區(qū)、丘陵等山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)，目的觀測區(qū)域降雨情況。采用高頻雷達(dá)波段進(jìn)行觀測，具有高抗干擾性能，可在復(fù)雜氣象環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。水利測雨雷達(dá)尺寸小、重量輕，易于裝置維護(hù)，功率和耗電量也相對較小，還配備了遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)測雷達(dá)狀態(tài)并提供警報(bào)和診斷信息；具備自動化運(yùn)維功能，降低了人工操作需求，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。河北雄安和湖南湘江相控陣型測雨雷達(dá)試點(diǎn)區(qū)于2021年12月底建成，自2022年1月開機(jī)以來，7部相控陣測雨雷達(dá)不間斷連續(xù)運(yùn)行，未出現(xiàn)因雷達(dá)硬件故障導(dǎo)致的停機(jī)。
04水利測雨雷達(dá)應(yīng)用效果與前景
2020年以來，水利部信息中心會同黃河水利委員會水文局以及河北、湖南、安徽、四川水文部門，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)，北京永定河流域、河北雄安新區(qū)大清河流域、湖南撈刀河瀏陽河流域、山陜區(qū)間無定河流域、安徽巢湖流域、四川成都、珠江流域大藤峽水利樞紐等地開展了高精度X波段水利測雨雷達(dá)（相控陣型和雙極化機(jī)械型）建設(shè)和試點(diǎn)應(yīng)用。由于水利測雨雷達(dá)監(jiān)測地表以上2km空中雨，雷達(dá)選址需基本滿足讓雷達(dá)最低有效仰角可以觀測到地表以上2km內(nèi)降雨的條件，即測雨雷達(dá)最低有效仰角電磁波離地面高度需要在2km內(nèi)（見下圖）目前基于7部相控陣測雨雷達(dá)，已在河北大清河流域以及湖南撈刀河、瀏陽河流域?qū)崿F(xiàn)了自動化鄉(xiāng)鎮(zhèn)級雷達(dá)短臨暴雨定量化分級（藍(lán)、黃、橙、紅）預(yù)警。
對“水利測雨雷達(dá)”新質(zhì)生產(chǎn)力研究
試點(diǎn)區(qū)水利測雨雷達(dá)最低有效仰角電磁波離地面高度
1.河北大清河流域應(yīng)用效果
大清河流域試點(diǎn)綜合考慮了雷達(dá)有效組網(wǎng)探測距離、基礎(chǔ)設(shè)施和施工條件、電磁環(huán)境及地形等，選址在北河店站、棗林莊站、東茨村站、北辛店站，測雨雷達(dá)于2021年12月全部投入運(yùn)行。4部雷達(dá)組網(wǎng)可覆蓋大清河流域雄安新區(qū)周邊1.8萬km2范圍，定量降雨估算（QuantitPrecipitEstimetQPE產(chǎn)品時間分辨率為40空間分辨率為30m主要覆蓋區(qū)域?qū)儆谔猩綎|部平原區(qū)，同時也屬于太行山東部迎風(fēng)坡的弧形多雨帶。
對海河“237流域性特大洪水期間（2023年7月28日—8月1日）極端降雨過程測雨精度進(jìn)行評估，結(jié)果標(biāo)明，水利測雨雷達(dá)形成的QPE產(chǎn)品對本次強(qiáng)降雨過程降雨量空間分布的描述更精細(xì)，其分布特征與雨量站觀測的總降雨量空間分布基本一致，說明水利測雨雷達(dá)QPE產(chǎn)品可以充分捕捉該平原試點(diǎn)區(qū)強(qiáng)降雨的空間分布特征。對試點(diǎn)區(qū)雨量站觀測小時降雨量與QPE估算小時降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，二者7月29日的相關(guān)系數(shù)為0.858均方根誤差為3.634相對偏差為-0.0097月30日的相關(guān)系數(shù)為0.878均方根誤差為2.701相對偏差為0.021本次過程中雷達(dá)估計(jì)雨量與雨量站小時雨量誤差較小，離散度低。
2.湖南撈刀河、瀏陽河流域應(yīng)用效果
湖南撈刀河、瀏陽河流域試點(diǎn)區(qū)布設(shè)古蒿山站、仙圣壇站、土橋站3部X波段雙極化相控陣型水利測雨雷達(dá)，覆蓋撈刀河流域和瀏陽河流域7000km2范圍，涵蓋7個縣級行政區(qū)106個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及1座大型水庫、15座中型水庫、56座?。?型水庫。
湖南試點(diǎn)區(qū)已將測雨雷達(dá)估算降雨網(wǎng)格化數(shù)據(jù)接入瀏陽河洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，朗梨水文站數(shù)字孿生平臺“四預(yù)”系統(tǒng)中試運(yùn)行，圭塘河流域進(jìn)行洪水預(yù)警預(yù)報(bào)試點(diǎn)。據(jù)湖南省水文水資源勘測中心監(jiān)測分析評估，2022年以來接入測雨雷達(dá)數(shù)據(jù)的洪水預(yù)測情況與實(shí)測洪水趨勢基本一致，其中在2022年5月10日圭塘河暴雨洪水預(yù)測預(yù)警中取得良好效果，提高預(yù)報(bào)精度7%延長洪水預(yù)見期1h2023年6月20日湖南相控陣型水利測雨雷達(dá)在丈量降雨時精確地捕捉到降雨區(qū)域整體細(xì)節(jié)和輪廓信息，QPE產(chǎn)品的降雨中心也與雨量計(jì)記錄值趨于一致，充分證明了水利測雨雷達(dá)及其配套的QPE算法在捕捉山地試點(diǎn)區(qū)強(qiáng)降雨過程中的有效性。對試點(diǎn)區(qū)雨量站觀測小時降雨量與QPE估算小時降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，2023年6月20日2時至7時UTC小時降雨相關(guān)系數(shù)為0.838均方根誤差為7.136相對偏差為0.003說明本次過程中雷達(dá)估計(jì)雨量與雨量站小時雨量吻合度較高、誤差較小。2024年汛期，基于測雨雷達(dá)數(shù)據(jù)有效發(fā)布10期小河流致洪致災(zāi)暴雨洪水自動風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，平均預(yù)見期1h其中4月16日圭塘河預(yù)警水位漲幅誤差為2%預(yù)見期為1.1h汛期洪澇災(zāi)害防御中發(fā)揮了重要作用。同時，還開展了水利測雨雷達(dá)系統(tǒng)降雨效果與水文預(yù)報(bào)模型的耦合應(yīng)用研究，為洪水精準(zhǔn)預(yù)警預(yù)報(bào)提供強(qiáng)有力支撐。
3.水利測雨雷達(dá)應(yīng)用前景
水利測雨雷達(dá)在賦能“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用中展現(xiàn)出強(qiáng)大能力和潛力，水旱災(zāi)害防御領(lǐng)域的新質(zhì)生產(chǎn)力。預(yù)報(bào)方面，水利測雨雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對近地面大氣中的液態(tài)水進(jìn)行無盲區(qū)、精細(xì)化格點(diǎn)掃描和測量，與氣象衛(wèi)星相配合獲取大范圍天氣信息，提高預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度。預(yù)警方面，通過實(shí)時監(jiān)測和預(yù)報(bào)，水利測雨雷達(dá)能夠及時發(fā)現(xiàn)并預(yù)警潛在洪水風(fēng)險(xiǎn)，為應(yīng)急響應(yīng)提供珍貴時間窗口。預(yù)演方面，利用水利測雨雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，可以預(yù)演洪水演進(jìn)過程，為制定和優(yōu)化調(diào)度方案提供支撐。預(yù)案方面，基于預(yù)演結(jié)果，可以制定更加科學(xué)、精準(zhǔn)的應(yīng)急預(yù)案，提高應(yīng)對洪水災(zāi)害能力。
05結(jié)語
推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。高質(zhì)量發(fā)展需要新的生產(chǎn)力理論指導(dǎo)和能力發(fā)現(xiàn)。作為當(dāng)前水利新質(zhì)生產(chǎn)力代表的水利測雨雷達(dá)，已經(jīng)在實(shí)踐中初步形成效能并展示出對高質(zhì)量發(fā)展的強(qiáng)勁推動力、支撐力。目前水利測雨雷達(dá)逐步在多地投入使用，為當(dāng)?shù)睾樗烙蛻?yīng)急避險(xiǎn)提供精準(zhǔn)有效的技術(shù)保證。
全球氣候變化條件下的防汛防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用方面，水利測雨雷達(dá)正展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。水利測雨雷達(dá)能夠?qū)崟r生成高精度的降雨實(shí)況數(shù)據(jù)，通過組網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對降雨的同步高精度監(jiān)測，且具有外推13h預(yù)報(bào)能力，顯著提高中小流域洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的精度和時效性。另外，水利測雨雷達(dá)的業(yè)務(wù)產(chǎn)品可與數(shù)字孿生等技術(shù)深度融合，充分發(fā)揮“第一道防線”防災(zāi)減災(zāi)工作中的重要作用。
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