何秉順 田濟揚 劉昌軍

（水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心（水旱災害防御中心），北京100038）

問題1：山洪災害監(jiān)測預警為什么要建設測雨雷達，相比地面雨量站，測雨雷達的優(yōu)勢是什么？

答：雨量監(jiān)測是山洪災害防治的重要環(huán)節(jié)。各級水利部門通過2010—2022年的山洪災害防治項目，共建設山洪災害自動雨水情監(jiān)測站點7.7萬個，布設簡易監(jiān)測站32萬個，與氣象、水文部門實現(xiàn)了信息共享，形成了山洪災害防治區(qū)的水雨情自動監(jiān)測站網(wǎng)和鄉(xiāng)村簡易監(jiān)測網(wǎng)絡，但仍存在如下問題：①自動雨量監(jiān)測站點只能監(jiān)測局部點雨量，由于布局不合理、代表性不足，不能準確把握小流域面雨量；②由于降雨的局地性或流域上游自然地理條件無法建站，依靠自動雨量站監(jiān)測存在盲區(qū)或不能捕捉到最大點雨量，在流域下游村莊出現(xiàn)“有雨不漲水，無雨發(fā)山洪”的現(xiàn)象；③站點多而散，運維難度大。

水利測雨雷達可以5 min為頻次、75 m 為網(wǎng)格，在半徑60 km 范圍內(nèi)直接輸出精度可靠的高分辨率網(wǎng)格降雨量，因而能夠監(jiān)測捕捉以局地短歷時強降雨誘發(fā)的山洪災害，大大提高預報預警的精度和時效性，填補了地面雨量站監(jiān)測的盲區(qū)，提高了監(jiān)測的保障率。

問題2：測雨雷達能夠測出降雨強度，其機理是什么？

答：測雨雷達是利用了雨滴對雷達電磁波的散射原理，實現(xiàn)對降雨的觀測。雷達發(fā)射的電磁波遇到雨滴時被散射，其中一部分向后的散射波返回雷達，被雷達天線接收，接收后的后向散射電磁波可用振幅和位相表示，從一系列回波振幅和位相中可以提取目標物的反射率因子、差分傳播相移率等，進而采用下述方法進行降雨反演：

（1）Z-R法。其原理是：雷達發(fā)射電磁波，雨滴對電磁波的散射，散射后其中一部分向后的散射波會被雷達天線接收，通過反射率因子反演降雨強度。

式中：R為降雨強度，Zh為反射率因子，B和β為系數(shù)。

利用單一的反射率因子Zh估測降水時，都是假定雨滴呈球形分布的，忽略了大雨滴非球形帶來的影響，同時Z-R關系隨雨滴譜譜型變化很明顯，故利用單一的反射率因子Zh估測降水精度不高。在差分反射率因子ZDR誤差小于0.2 dB 時，可增加ZDR，利用(Zh,ZDR) -R法，提高Z-R關系反演雨量的精度。

（2）KDP-R法。X 波段雙極化（也稱“雙偏振”或“雙線偏振”）雷達的出現(xiàn)為雨強定量推求提供了一種新的可靠路徑。其原理是：X 波段雙極化測雨雷達發(fā)射兩個方向的極化波（水平極化波和垂直極化波），見圖1。兩個方向的極化波穿過雨滴時相位發(fā)生變化，通過接收反射回波的相位差與雨滴扁平度（圖2）的關系式，進而獲取降雨強度。

圖1 極化波相位差

圖2 不同大小雨滴扁平度

反射回波的相位差可用差分傳播相移ΦDP（水平極化波與垂直極化波通過相同長度降水區(qū)后散射回雷達天線的相位差值）、差分傳播相移率KDP（單位長度上的差分傳播相位值）表示。

式中：r為徑向位移，根據(jù)KDP推求雨強的公式為：

式中：a1和a2是系數(shù)，使用雨滴粒徑分布的觀測數(shù)據(jù)進行散射計算而導出，通過觀測仰角的三次方來近似表達。陜西洛南測雨雷達采用以下的公式計算a1和a2。

式中：EL為仰角。

采用KDP推求雨強，具有以下優(yōu)勢：①KDP不受雷達接收機、發(fā)射機標定誤差的影響；②KDP受雨區(qū)雷達回波衰減影響??；③即便雷達波束存在部分阻擋，對KDP值影響也很?。虎芟鄬τ赯-R法，用KDP估測降水時，因其對雨滴譜變化更不敏感，所以能夠得到更為精確的結果；⑤濾除地物雜波等質(zhì)量控制算法對KDP的影響較小。

采用KDP-R法時，即使不進行地面雨量站修正，也能夠?qū)崟r獲得一定精度的雨強測算結果。在ZDR誤差小于0.2 dB 時，可增加ZDR，利用(KDP，ZDR)-R 法，提高KDP-R關系反演雨量的精度。

在實踐中，可將KDP-R法和Z-R法共用，在KDP-R法不適應的情況下（如弱雨、雷達外邊緣部位）采用Z-R法，以提升整體觀測的精度。

問題3：測雨雷達在國際上應用情況如何？有什么經(jīng)驗？

答：美國、日本和歐盟在山洪災害防治領域已實現(xiàn)雙極化測雨雷達普遍應用。

美國于2013 年完成了Nexrad 網(wǎng)雙極化改造（圖3），使之能夠?qū)崿F(xiàn)降雨定量估算，開發(fā)了山洪預警系統(tǒng)（FFMP），將雷達監(jiān)測到的流域面降雨量對比流域山洪預警指標（FFG），來確定山洪的危險性和嚴重性。美國專家甚至發(fā)展了一門學科“雷達水文學”。

圖3 美國雷達布局示意圖

2008—2013 年，日本國土交通省水管理·國土保全局建設了39 個X 波段雙極化測雨雷達（圖4），2016 年開始面向社會公眾提供降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)（www.river.go.jp），見圖5，并廣泛應用于山洪預警和水庫預報調(diào)度。

歐洲天氣雷達網(wǎng)共有30 個成員國提供的超過200 部天氣雷達進行組網(wǎng)（圖6），大部分天氣雷達是C波段（169臺），少部分是S波段（29臺）和X波段（8臺），其中110臺屬于多普勒雷達，超過一半已升級為雙偏振。OPERA（Operational Programme on Exchange of weather RAdar information）是歐洲雷達網(wǎng)絡組織的一個項目，主要用于各國雷達數(shù)據(jù)的共享和交換，其主要產(chǎn)品為2 km 水平分辨率的3 種不同雷達組網(wǎng)產(chǎn)品（雷達反射率、雨強、累計雨量），這些產(chǎn)品每15 min更新一次，并在數(shù)據(jù)采集開始后大約15 min發(fā)布。

問題4：水利部對山洪災害測雨雷達建設有什么要求？

答：水利部辦公廳《關于加快構建雨水情監(jiān)測預報“三道防線”實施方案》（辦水文〔2023〕202 號）明確要求，到2025 年底，在重要流域暴雨洪水集中來源區(qū)、山洪災害易發(fā)區(qū)及大型水庫工程、重大引調(diào)水防洪影響區(qū)等開展測雨雷達建設與應用先行先試。水利部辦公廳《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》（辦信息〔2022〕337號），對測雨雷達系統(tǒng)組成、部署要求等做了明確規(guī)定。

水利部防御司將測雨雷達作為山洪災害防治項目建設內(nèi)容之一，要求在山洪風險高、水文氣象和地形地貌條件復雜、自動雨量監(jiān)測站點建設和運維困難的區(qū)域，試點建設X 波段測雨雷達站并配套開發(fā)降雨反演和臨近降雨預報軟件，將降雨監(jiān)測和預報數(shù)據(jù)接入省級山洪災害監(jiān)測預報預警平臺，提高小流域面雨量監(jiān)測分析能力，消除降雨監(jiān)測盲區(qū)。

問題5：水利部門已經(jīng)建設了多少測雨雷達？

答：據(jù)不完全統(tǒng)計，至2023年9月，安徽、福建、江西等13 個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）水利部門已建或在建測雨雷達36 臺，通過山洪災害防治項目資金、用于山洪災害監(jiān)測預警的已建（含在建）測雨雷達共有25臺，所選的設備大多為X 波段雙極化機械式測雨雷達?？傮w看，水利測雨雷達建設和應用尚處于起步階段，但是隨著業(yè)務目標明確、各地積極探索，相信短時間水利測雨雷達會有快速發(fā)展。

值得一提的是，中國水利水電科學研究院在河南欒川縣建設中國唯一一部X 波段調(diào)頻連續(xù)波全極化測雨雷達（發(fā)射和接收4 個方向極化波，10 W 發(fā)射功率），已運行5 年，在雷達運行管理、雨量反演、與分布式水文模型結合方面積累了豐富的經(jīng)驗。

國內(nèi)雷達主要供貨商分為老牌的軍工院所企業(yè)和新興的民營企業(yè)。無論是選擇哪家企業(yè)設備，功能和技術參數(shù)均應滿足《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》規(guī)定。

問題6：用于山洪災害監(jiān)測預警的測雨雷達建設應達到什么目標？

答：應達到以下6個目標。①以不大于75 m網(wǎng)格、5 min頻次輸出降雨強度；②與地面雨量站相比，偏差不大于15%；③應能進行組網(wǎng)觀測，實現(xiàn)雨量組網(wǎng)拼圖；④消除重點小流域防治單元降雨監(jiān)測盲區(qū)；⑤以測雨雷達監(jiān)測信息為依據(jù)，滾動開展未來0～3 h 降雨臨近預報；⑥降雨監(jiān)測和預報信息實時接入省級山洪災害監(jiān)測預報預警平臺，用于山洪災害預警。

問題7：測雨雷達應選擇什么類型？

答：《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》指出，水利測雨雷達分為相控陣型和機械型兩個類型，均采用X波段、全固態(tài)、雙極化體制。

機械型雷達采用拋物面反射天線，通過機械旋轉(zhuǎn)和俯仰的方式調(diào)整單波束方向進行空間掃描。雷達可以同時發(fā)射水平和垂直極化電磁波，可探測到降雨目標的雙極化信息，從而實現(xiàn)較為精細的面雨量監(jiān)測。相控陣雷達由數(shù)量眾多、獨立控制的小型天線收發(fā)單元排列成天線陣面，通過控制陣列各個單元的饋電相位來改變波束指向。水利雙極化相控陣型測雨雷達將相控陣技術與雙極化偏振技術相結合，既具備相控陣雷達快速電子掃描的特點，又擁有雙極化雷達獲取天氣系統(tǒng)豐富探測信息的優(yōu)勢。機械式雷達和相控陣雷達時間分辨率分別在5 min 和1 min 以內(nèi)，據(jù)市場調(diào)查，機械式雷達設備價格為250 萬～350 萬元，相控陣雷達設備為650萬～800萬元。

X波段，雷達波的頻率一般有C、S、X波段。對比C、S波段，X 波段雷達因其波長短，可提供更高的時空分辨率，更適用重點區(qū)域的高精度降雨定量監(jiān)測；另外，X 波段天氣雷達天線尺寸相對較小，站點建設、雷達架設均更為便捷；同時，X 波段雷達的造價較低廉，用少量的資金即可建設更多的雷達。當然，X 波段雷達也存在探測范圍短、易受雨區(qū)衰減的影響等限制。

全固態(tài)，即雷達內(nèi)元器件均采用固態(tài)器件。相比于真空器件，全固態(tài)器件具有長壽命、大帶寬、工作電壓低、體積小、重量輕、可靠性高等諸多優(yōu)勢，可大大提高雷達系統(tǒng)的可靠性。

雙極化，即雷達向外輻射電磁波及接收空間返回電磁波的通道，具有獨立的水平極化波與垂直極化波收發(fā)通道。

問題8：河南省欒川縣建設的國內(nèi)首部X 波段調(diào)頻連續(xù)波全極化測雨雷達是一種什么雷達？取得了哪些經(jīng)驗？

答：在河南欒川縣全國山洪災害防治試驗示范基地建設的測雨雷達，是荷蘭MetaSensing公司生產(chǎn)的X波段QX-60 雷達，該雷達是一部X 波段調(diào)頻連續(xù)波全極化測雨雷達。全極化，即雷達能夠同時發(fā)射接收HH、HV、VV、VH4種極化方式電磁波（比雙極化又增加了兩種極化方式），能夠顯著增強對云層混合相態(tài)層的觀測精度，特別是提升了微雨和小雨分辨檢測能力（雷達5 km 以內(nèi)達到0.01mm/h）。

除全極化之外，QX-60 雷達還有獨到的特點：①采用收發(fā)分置的雙天線（圖7）。雷達回波信號延時遠小于發(fā)射信號時寬，因此雷達發(fā)射機和接收機可以同時工作。②發(fā)射功率較低僅為10 W，（常規(guī)雙極化機械式雷達一般在200 W），低功耗使得整個系統(tǒng)集成度高、結構簡單、體積較小、重量較輕。③配套的信號處理軟件采用先進的光譜極化雷達處理方式，可以更好地濾除雜波，在復雜天氣環(huán)境下也能保持觀測的高分辨率。

經(jīng)過多年持續(xù)不斷的摸索，欒川縣X 波段全極化測雨雷達取得了以下經(jīng)驗：①提出了基于地面雨量站估測降雨強度的率定校準方法；②提出了全極化測雨雷達降水量估算方法和流程；③基于X 波段測雨雷達數(shù)據(jù)，設計完善了山洪災害預報預警流程。該雷達在欒川縣多年業(yè)務化運行，建立了X 波段雷達測雨技術流程，實現(xiàn)了標準化運行，準確預報預警了欒川縣多場的暴雨山洪過程，對復雜山區(qū)局地高分辨率暴雨監(jiān)測、水文預報和洪水預警等工作起到了典型示范作用（圖8）。

圖8 欒川縣雷達覆蓋范圍地面雨量站雨量分布及等值面示意圖

問題9：據(jù)了解，氣象部門制定了X波段天氣雷達建設規(guī)劃，正在大量建設X 波段天氣雷達，在此背景下，水利部門還有必要建設X 波段測雨雷達嗎？水利測雨雷達與氣象部門建設的X波段天氣雷達有什么區(qū)別？

答：水利部門建設X 波段測雨雷達符合國家總體規(guī)劃。國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)的《2016—2025 年氣象雷達發(fā)展規(guī)劃》明確指出，水利部門在重點防汛區(qū)域設立專項，建設高時空分辨率面雨量雷達監(jiān)測系統(tǒng)。

水利測雨雷達與氣象部門建設的X 波段天氣雷達區(qū)別如下。

（1）目的不同。水利部門建設X 波段測雨雷達目的是降雨定量監(jiān)測，即輸出降雨強度，所有技術參數(shù)和指標都圍繞這個目標展開。氣象部門則同時關注不同氣象要素和天氣形勢，雷達觀測模式不利于獲得“定時、定點、定量”的雨量觀測數(shù)據(jù)，降雨監(jiān)測精度差。

（2）任務不同。水利部門建設X 波段測雨雷達是為了進行山洪災害預報預警、江河洪水預報、水庫入庫洪水預報等，而氣象部門主要監(jiān)測地面至高空大氣的各種天氣的發(fā)生、發(fā)展變化及風場、大氣湍流狀況，捕捉大范圍的天氣系統(tǒng)，一般在大城市周邊布設較為密集。

（3）探測區(qū)域和頻次不同。測雨雷達專注于近地面降雨，也就是落在空中的雨（圖9），其關注區(qū)域為云底到地表的大氣邊界層（約2 km 以下）。在雨區(qū)要加密高頻掃描，按照《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》，在地表垂直高度2 km以下俯仰掃描步進≤0.5°，仰角層數(shù)≥12層。氣象雷達掃描區(qū)域為整個對流層，垂直厚度范圍約0～20 km，一般在仰角0～19.5°，掃描9層（圖10、圖11）。

圖9 測雨雷達觀測降雨層雨滴

圖10 水利測雨雷達觀測模式

圖11 氣象雷達觀測模式

問題10：測雨雷達選址建設有什么注意事項？

答：雷達選址需要考慮地理環(huán)境、凈空環(huán)境、電磁環(huán)境、通信環(huán)境等，簡單說就是場地須寬敞堅實、視野要開闊、沒有同頻電磁干擾、網(wǎng)絡和供電環(huán)境要良好。

（1）空間要求。布設場地應有足夠地面面積、空間體積容納雷達樣機和配套設備（電子方艙），布設場地地質(zhì)條件良好，應避開山洪、泥石流、滑坡易發(fā)區(qū)。

（2）防遮擋要求。布設場地應處于地勢較高、周邊空曠的區(qū)域，雷達的方位和俯仰可視范圍內(nèi)無高層建筑、山體、植被等遮擋；在雷達周圍半徑150 m范圍內(nèi)無架空動力線，雷達周圍半徑500 m范圍內(nèi)無3 500 V以上高壓架空線。

（3）防電磁干擾要求。雷達避免與其他無線電設施產(chǎn)生相互電磁干擾。視角內(nèi)沒有金屬，反射棱鏡等其他強反射物體；距離機場和軍用設施20 km以上。

（4）方便施工要求。雷達站宜選址在交通道路通達的地方，便于施工、運輸以及安裝，同時便于日后設備的運維保障工作。

（5）無線電頻段要求。建設雷達需要當?shù)責o線電管理委員會批準頻段使用，無線電管理委員會收到建設單位提供的相應材料，審核后給予頻段批復。

（6）防雷要求。雷達建設要進行防雷設計，在雷達旁邊設計安裝避雷針，避雷針的高度應高于雷達設備，防止雷電直接導入雷達設備損壞雷達。雷達站防雷應滿足《建筑物防雷設計規(guī)范》等規(guī)范要求。

（7）覆蓋要求。雷達選址應統(tǒng)籌考慮已建地面雨量站、雷達站，優(yōu)先填補降雨監(jiān)測盲區(qū)，盡可能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

因雷達站選址有上述要求，導致雷達站施工建設費用因征地、修路、電力線和網(wǎng)絡線搭建等有較大彈性，建設費用為100萬～400萬元。

問題11：測雨雷達為什么要組網(wǎng)建設？

答：有以下原因：①地球是圓的，由于地球曲率的影響，單部雷達遠距離探測時存在大量的低空盲區(qū)；②天氣雷達受到山地等地物遮擋會產(chǎn)生盲區(qū)，通過多部雷達組網(wǎng)，可以有效地互相彌補探測盲區(qū)；③X 波段雷達在降雨區(qū)域的衰減較為嚴重，通過多部雷達組網(wǎng)相互訂正，可以有效地對強降雨區(qū)的衰減作用進行訂正，獲得準確的反射率信息；④單部雷達難以有效覆蓋保障區(qū)域（如山洪災害易發(fā)重點流域、水庫上游產(chǎn)流區(qū)等），通過多雷達組網(wǎng)可以擴展實現(xiàn)全流域的大面積監(jiān)測；⑤測雨雷達采用極坐標觀測，在雷達探測范圍的邊緣，一個網(wǎng)格的大小約為150 m×1.68 km（80 km半徑），需要其他雷達對此部位加密觀測。

《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》提出，為充分發(fā)揮水利測雨雷達監(jiān)測預警能力，要求根據(jù)監(jiān)測流域面積確定雷達組網(wǎng)方式（三角式、四方式、菱形式等），組網(wǎng)觀測雷達數(shù)應≥3 臺；各雷達站間距應在30～60 km距離的范圍內(nèi)進行選址布設。

問題12：周邊已經(jīng)有氣象部門建設的X波段雙極化天氣雷達，水利部門應怎樣建設和應用測雨雷達，實現(xiàn)對局地強降雨的協(xié)同觀測？

答：目前，由于氣象部門建設的X 波段雙極化天氣雷達和水利部門建設的X 波段雙極化測雨雷達兩者在應用目的和監(jiān)測對象上不同，在觀測模式上也存在著一定的差異。如果不能協(xié)調(diào)氣象部門的天氣雷達按照水利測雨雷達的觀測模式運行，可與氣象部門協(xié)商建立數(shù)據(jù)共享機制、數(shù)據(jù)處理與組網(wǎng)方式，利用兩者之間的探測數(shù)據(jù)進行組網(wǎng)拼圖，以實現(xiàn)對局地強降雨的組網(wǎng)觀測。

問題13：水利部門自建了測雨雷達，但觀測效果不佳，需要從哪幾個方面著手檢查以提升觀測效果？

答：需要從以下5個方面檢查：①檢查雷達硬件設備是否存在故障，重點查看雷達基數(shù)據(jù)是否處于正常取值范圍；②檢查雷達天線方位是否準確，可與氣象部門已建雷達回波或星載雷達回波對比；③判斷是否掃描模式有誤，按照要求，測雨雷達在地面以上2 km垂直高度大氣中應采用無覆蓋盲區(qū)的連續(xù)仰角步進掃描模式，測雨雷達仰角設置步進幅度小于等于0.5°，在雨區(qū)要加密高頻掃描；④判斷是否采用了非雨區(qū)雷達波信號（如地面2 km 以上）用于降雨反演；⑤判斷是否主要利用Z-R關系進行雨量估算，而沒有充分發(fā)揮雙極化雷達多參數(shù)的效能，利用KDP-R法或聯(lián)合ZDR、Z等參數(shù)建立測雨方程。

如上述誤差來源均已排除，效果仍不佳，則需要檢視雷達自身誤差。一方面需要對雷達硬件進行嚴格測試和定標，以提高雷達的探測精度；另一方面還需要盡可能濾除地物雜波，充分考慮探測目標差異性（如雷達探測高度和地面降水的差異）等因素的影響。

問題14：用測雨雷達進行降雨定量觀測，其誤差來源主要有哪些？

答：①雷達硬件故障或標定不當會產(chǎn)生很大誤差。②地面以上一定高度存在融化層（零度層），融化層根據(jù)季節(jié)和大氣條件而波動，并隨區(qū)域而變化。在冬天，其可能距離地面不到1 km。在融化層（及以上部分）使用的Z-R或KDP-R關系方程式，將把實際發(fā)生的降雪誤以為降雨，降低降雨的估算量值。③測雨雷達可能會接收其他雷達等外部輻射源產(chǎn)生的同頻率電磁波，會導致條形或螺旋形的電磁干擾回波。④接收到達并返回雷達觀察區(qū)之外的電磁波，可能會產(chǎn)生二次回波。⑤由于大氣層化，電磁波會異常傳播（折射），在晴朗的天氣中，可能會發(fā)生弱的反射回波。⑥隨著雷達探測距離增加，測雨雷達會遇到衰減問題，且大雨會比晴空或小雨引起更大的衰減。⑦測雨雷達觀測的是空中的降雨，在墜落過程中降雨可能會受到風引起的對流的影響。因此，雷達觀測降雨不一定與其正下方的地面降雨1∶1 相對應。⑧雜波可能是由從地面或海面返回的散射波產(chǎn)生的。從地面返回的散射波稱為地雜波，其強度會根據(jù)地面狀態(tài)、季節(jié)和其他因素而波動；從海面返回的散射波被稱為海雜波，會因臺風和低壓引起的膨脹而變得明顯。⑨當強降雨區(qū)域直接經(jīng)過雷達站上方時，在覆蓋雷達的天線罩表面會生成水膜，并且無線電波會被水膜衰減，從而導致整個觀測區(qū)域的觀測量值偏小。因此，需要對天線罩進行防水涂裝處理，且防水涂裝受大氣狀態(tài)和日照等環(huán)境影響，2～3年就會變質(zhì)，需要定期維護。

問題15：測雨雷達仰角如何設置？遮蔽區(qū)域仰角如何設定？

答：《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》提出了水利測雨雷達的掃描模式。對于機械型雙極化雷達，體掃時間≤5 min，在地面以上2 km 垂直高度大氣中應采用無覆蓋盲區(qū)的連續(xù)仰角步進掃描模式（圖10），方位角度0～360°，方位掃描步進≤1°，地表垂直高度2 km 以下俯仰掃描步進≤0.5°，地表垂直高度2 km 以上俯仰掃描步進≤2.0°，仰角層數(shù)≥12 層。其要點是在雨區(qū)要加密高頻掃描，為了精確計算降雨量，需要確保脈沖命中的數(shù)量為100 或更多。脈沖命中數(shù)的計算方法如下。

式中：N為脈沖命中數(shù)，V為天線旋轉(zhuǎn)速度，n為方位角方向劃分數(shù)，PRF為重復頻率。

日本國土交通省國土技術綜合研究所河川研究部針對39 臺雙極化測雨雷達，提出了另外一種仰角模式，可供我們借鑒。日本設定了雨量測算的兩個仰角：距離雷達30 km 處的觀測高度為1 km 時的仰角被稱為“低仰角的最大仰角”（一般多為1.7°），距離雷達30 km 處的觀測高度為1.5 km（有時因屏蔽情況等而異）時的仰角被稱為“高仰角的最大仰角”（一般多為2.7°）。在一些雷達中，對高仰角進行例外設置和微調(diào)，以改善遮擋問題（最大可為4°）。為了減少地雜波的干擾，一些雷達的低仰角也進行微調(diào)。日本設定了以5 min為周期各進行5個頻次的掃描模式，天線轉(zhuǎn)速為3.5～4.5 rpm，在5 min 內(nèi)達到15 個層數(shù)，而雨量估算時采用每分鐘兩個仰角觀測數(shù)據(jù)的合成值（圖12）。

圖12 兩個仰角合成觀測模式

問題16：低仰角帶來的大量地雜波怎么消除？

答：地雜波是由山地及其上的各種建筑物等對電磁波的散射所產(chǎn)生的回波。產(chǎn)生地物雜波的目標體主要是地表（包括山脈、丘陵、樹林等）和地表上的人工建筑物。由于地物目標是靜止的，其地雜波徑向速度接近零，可根據(jù)地雜波的這些特點采用移動目標指示法（Moving Target Indicator，MTI），包括快速傅里葉變換方式（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）和無限脈沖響應方式（Infinite Impulse Response，IIR）濾除。

問題17：測雨雷達需要安裝部署什么軟件，傳輸什么數(shù)據(jù)？

答：在單個雷達側，需要部署運行顯示和控制軟件，生成的數(shù)據(jù)包括：反射率因子Z、徑向速度V、譜寬W、差分反射率因子ZDR、差分傳播相位ΦDP、差分傳播相位率KDP、相關系數(shù)CC，以上數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至省水利廳。

在省水利廳層級，需要建設雷達數(shù)據(jù)處理服務器，配置測雨雷達數(shù)據(jù)處理軟件，軟件模塊構成有質(zhì)控處理模塊、組網(wǎng)拼圖模塊、反演產(chǎn)品處理模塊、預報產(chǎn)品處理模塊、數(shù)據(jù)服務接口。通過反演產(chǎn)品處理模塊、預報產(chǎn)品處理模塊生成的雨量產(chǎn)品和預報產(chǎn)品要接入省級山洪災害監(jiān)測預報預警平臺。

根據(jù)《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》，省水利廳接收到雷達基數(shù)據(jù)時，應實時（延遲時間＜5 min）共享至水利部信息中心（圖13）。

圖13 組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)傳輸流程

問題18：多個測雨雷達如何組網(wǎng)觀測，如何獲取組網(wǎng)合成雨量？

答：根據(jù)《水利測雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》，測雨雷達應至少以3 臺起組網(wǎng)觀測（圖14）。組網(wǎng)雷達觀測重疊區(qū)域應覆蓋重要流域暴雨洪水集中來源區(qū)、山洪災害易發(fā)區(qū)以及大型水庫工程、重大引調(diào)水防洪影響區(qū)。

圖14 組網(wǎng)雷達觀測重疊區(qū)域

雷達組網(wǎng)獲得雨量產(chǎn)品有兩種方法：①對多部雷達基數(shù)據(jù)進行組網(wǎng)，形成組網(wǎng)Z、KDP和KDP，之后反演降雨量；②也可對單個雷達反演單雷達降雨量，之后進行插值合成。

第一種方式的優(yōu)勢是在雷達基數(shù)據(jù)層面可參考的觀測信息較多，可先行相互檢驗、補充和調(diào)整，有助于提升雷達降雨反演的準確性和一致性，缺點是花費的時間和算力較多，且完全依賴算法進行調(diào)整，可能導致與實際不符；第二種方式的優(yōu)勢是計算速度更快，缺點是如果組網(wǎng)的幾部雷達反演雨量相差較大時，無法判斷觀測數(shù)據(jù)的誤差來源。

單個雷達生成雨量數(shù)據(jù)后，可采用Cressman 內(nèi)插法合成區(qū)域內(nèi)多個雷達站和不同仰角觀測得到的降雨強度數(shù)據(jù)（極坐標系），生成75 m網(wǎng)格（直角坐標系）的合成雨量數(shù)據(jù)（圖15）。

圖15 Cressman內(nèi)插法示意圖

Cressman 插值基本原理是在空間上確定觀測點的影響圓，然后根據(jù)影響圓圓心與待插值點的距離確定權重，進而進行加權計算。對于遮擋、回波異常（孤立點）、受地雜波影響嚴重濾除效果不佳、電磁波消散、ΦDP不連續(xù)的區(qū)域應進行無效化處理，不參與本雷達的雨量反演，插值合成時僅采用其他雷達觀測成果。

問題19：X波段雷達波降雨衰減嚴重，應如何修正？

答：由于雷達回波相位差是固有屬性，不受降雨衰減和波束傳播阻擋的影響，故可以用KDP對反射率因子Z和ZDR進行衰減訂正，使用KDP計算衰減率，并根據(jù)距離積分計算衰減損失，與探測的數(shù)據(jù)相加即可得到訂正后的Z和ZDR。

問題20：為什么會存在雷達電磁波消散區(qū)域，該區(qū)域怎么判定？

答：由于衰減作用，雷達探測降雨區(qū)時電磁波能量沿發(fā)射路徑會逐漸減弱，直至消失。衰減大小主要取決于路徑上降雨強度和雨區(qū)范圍。當測雨雷達探測強降雨區(qū)時，如果降雨足夠強且范圍足夠大，電磁波穿越雨區(qū)后會出現(xiàn)能量消失（低于雷達最小可測功率）的現(xiàn)象，導致雷達觀測不到強降雨后方的雨區(qū)。這種由于衰減而引起的觀測盲區(qū)，稱為電磁波消散區(qū)域。

電磁波消散區(qū)域（衰減盲區(qū)）采用下式進行判定：

式中：PIA為雙程路徑累積衰減量，dB；r為觀測點與雷達站之間的距離；ZXmm(r)為沿路徑用最小可測降雨強度閾值（一般設為3 mm/h）反算得到的反射率因子，dBZ；Znosie(r)為距離r處的最小可測回波強度，利用雷達方程計算。

如果滿足上述公式，則距離r之后的徑向區(qū)域，判定為電磁波消散區(qū)，循環(huán)對所有方位進行判定后，建立電磁波消散區(qū)域標記圖。通過多雷達組網(wǎng)，利用其他雷達的有效觀測填補電磁波消散區(qū)域。

問題21：如何通過雷達波反演降雨？

答：有兩個概念。第一個概念，要根據(jù)強弱雨選擇不同的公式。根據(jù)強弱雨區(qū)分。一般情況下，弱雨時選擇Z-R關系式，強雨時選擇KDP-R關系式。第二個概念，假設雷達掃描范圍內(nèi)地面雨量站量測數(shù)據(jù)精準，以此為標準校核調(diào)整關系式系數(shù)，通過多場降雨逐步摸索測雨雷達雨量反演規(guī)律。下面以日本國土交通省39 部X 波段測雨雷達為例，簡要說明。

（1）Z-R和KDP-R法適用范圍。2010年標準：在KDP=0.5°/km 以上（對應雨強約為11 mm/h）、SNR=10 dB 以上（SNR為信噪比）、Zh=30 dBZ 以上的情況，采用KDP-R法；上述之外的情況，采用Z-R法。其中B和β的初始值可如下設置。

2013年以來，日本通過大量測試，進一步擴大了KDP-R法范圍，為KDP=0.1°/km 以上（對應雨強約為4 mm/h），SNR=-50 dB 以上，Zh=30 dBZ 以上，KDP-R式的使用頻率平均增加了約2.5倍，降雨反演精度提高了10%左右。

（2）KDP-R法增設放大系數(shù)。日本國土交通省發(fā)現(xiàn)KDP-R法推求的降雨比實際降雨偏小20%～25%，故在R=a1KDPa2的基礎上加了一個放大系數(shù)α，大致為1.15～1.3：

通過放大系數(shù)α，反演降雨和實際降雨的回歸系數(shù)達到了0.9以上。

（3）Z-R法參數(shù)擬合（圖16）。將Z=BRβ對數(shù)化，logZ=βlogR+ logB，將反射率因子和地面雨量站降雨監(jiān)測數(shù)值繪制散點圖如下，該直線的斜率為β，截距為B（具體操作時可按反射率35 dBZ為節(jié)點分兩段分別擬合）。

圖16 通過線性擬合獲取Z - R法參數(shù)

此外，也有研究給出了KDP、ZDR和Z使用方式，具體參考下圖，即通過判斷KDP和ZDR的強弱，確定使用何種降雨反演方法。KDP較強（弱）時，使用與KDP有關（無關）的降雨反演關系式；在ZDR較強（弱）時，使用與ZDR有關（無關）的定量降水估計關系。但具體到某一個雷達，需要經(jīng)過不同降雨進行驗證，不斷嘗試確定降雨反演公式及其參數(shù)，以提高降雨反演精度（圖17）。

圖17 降雨反演方法選取流程示例

最后，對于鄰近雷達的區(qū)域（以雷達為中心，半徑1 km范圍內(nèi)），由于可不進行雨量反演，采用鄰近雨量數(shù)據(jù)進行插值。

問題22：用什么指標評估雷達反演雨量的精度？

答：將10 min 和60 min 時段長的地面雨量、雷達反演雨量的繪制散點圖，計算出回歸系數(shù)、相關系數(shù)、雨量比、均方根誤差，將以上指標作為精度指標。一般可按距離雷達30 km 以內(nèi)、30～60 km 兩個范圍進行精度評估?！端麥y雨雷達系統(tǒng)建設與應用技術要求（試行）》提出，60 min雨強≥20 mm 時，均方根誤差≤18 mm/h；60 min 雨強≥10 mm時，均方根誤差≤12 mm/h。

問題23：在正式的雷達測雨產(chǎn)品的發(fā)布前，需要開展哪些檢驗測試工作？

答：雷達降雨監(jiān)測產(chǎn)品的發(fā)布前，需要經(jīng)歷雷達硬件調(diào)整、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、雨量反演參數(shù)調(diào)整、降雨監(jiān)測精度評估和降雨監(jiān)測產(chǎn)品發(fā)布5個過程，如圖18所示。

圖18 雷達降雨監(jiān)測產(chǎn)品發(fā)布流程

問題24：如何利用測雨雷達數(shù)據(jù)開展臨近預報，方法是什么？

答：（1）傳統(tǒng)方法：采用交叉相關法或光流法估計降水運動場，采用拉格朗日外推降水到2 h。這種方法不考慮降雨發(fā)生發(fā)展的物理機理。

（2）譜分解方法：采用變分光流法估計降水運動場，施加擾動模擬估計誤差?；诓煌叨冉邓倪\動和演變規(guī)律不同的事實，采用譜分解技術將降水場分解為多個不同尺度場，分別外推后，再合成生成預報。優(yōu)勢在于方法更符合降水規(guī)律，外推結果更自然合理，評分也高于傳統(tǒng)方法。

（3）機器學習方法：當雷達數(shù)據(jù)積累到一定程度，可以采用機器學習方法進行預報。

問題25：針對山洪災害防御，雷達測雨產(chǎn)品有哪些要求？

答：面向水旱災害防御部門，雷達測雨產(chǎn)品應包括3類：①精細網(wǎng)格降雨產(chǎn)品；②小流域面雨量產(chǎn)品；③政區(qū)面雨量產(chǎn)品。

精細網(wǎng)格降雨產(chǎn)品網(wǎng)格分辨率為75 m×75 m，每5 min生成一個降雨產(chǎn)品（包括降雨監(jiān)測產(chǎn)品和0～3 h降雨預報產(chǎn)品）的nc 文件，雷達配套軟件系統(tǒng)應能查看每一個網(wǎng)格點、不同時段的雨量值。

小流域面雨量產(chǎn)品包括山洪災害調(diào)查評價劃分的小流域面雨量和小流域防治單元面雨量，每5 min 生成一次小流域面雨量產(chǎn)品（圖19），包括降雨監(jiān)測產(chǎn)品和0～3 h降雨預報產(chǎn)品，雷達配套軟件系統(tǒng)應能查看每一個小流域、不同時段的雨量值。

圖19 小流域面雨量變化

政區(qū)面雨量產(chǎn)品包括縣、鄉(xiāng)、村面雨量，每5 min 生成一次政區(qū)面雨量產(chǎn)品（包括降雨監(jiān)測產(chǎn)品和0～3 h降雨預報產(chǎn)品），雷達配套軟件系統(tǒng)應能查看每一個縣、鄉(xiāng)、村，不同時段的雨量值。

面向社會公眾，雷達測雨產(chǎn)品應包括縣、鄉(xiāng)、村等的政區(qū)面雨量，每15 min 生成一次政區(qū)面雨量產(chǎn)品（包括降雨監(jiān)測產(chǎn)品和0～3 h 降雨預報產(chǎn)品），雷達配套軟件系統(tǒng)應能查看社會公眾關注政區(qū)不同時段的雨量值。

最重要的一點，要利用測雨雷達網(wǎng)格雨量和0～3 h 小時臨近預報成果，結合分布式水文模型，開展小流域山洪預報（圖20）。

圖20 以測雨雷達網(wǎng)格雨量為輸入開展山洪預報