朱 弋，潘 煒，高 磊，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設(shè)計研究分公司，上海市 200090）

雷達數(shù)據(jù)在城市內(nèi)澇實時模型中的應(yīng)用與展望

朱 弋，潘 煒，高 磊，張留瓅

（上海市城市排水有限公司排水設(shè)計研究分公司，上海市 200090）

通過介紹國外雷達數(shù)據(jù)在城市內(nèi)澇實時模型中的成功應(yīng)用經(jīng)驗，對比不同類型雷達的使用情況，數(shù)據(jù)特征以及應(yīng)用結(jié)果，指出將雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市內(nèi)澇實時模型是未來城市內(nèi)澇防汛預(yù)測的必然發(fā)展趨勢。同時結(jié)合上海等國內(nèi)大型城市的實際情況，為我國繼續(xù)研發(fā)此類技術(shù)提出一些建議。

雷達；C-波段；X-波段；防汛；城市內(nèi)澇；實時水力模型

0　引言

隨著水力實時模型在城市防汛領(lǐng)域被越來越廣泛的使用，將雷達數(shù)據(jù)引入城市內(nèi)澇實時模型的呼聲也越來越高。研究者們構(gòu)想通過模型對雷達降雨臨近預(yù)報的數(shù)據(jù)進行計算，以此給予模型計算結(jié)果一定的時間提前量，從而實現(xiàn)對城市內(nèi)澇發(fā)生地區(qū)和嚴重程度高精度的預(yù)測預(yù)報，為城市部署防汛措施爭取時間，大幅度降低內(nèi)澇事故發(fā)生概率，減輕城市財物損失。然而令人遺憾的是，為保證數(shù)據(jù)準確性，截至目前，使用雷達無線探測及測距技術(shù)得到的降雨數(shù)據(jù)仍需經(jīng)過大量的校正工作方能使用，因此很難滿足內(nèi)澇實時模型的計算要求。且即使正確測量了降雨，城市暴雨卻依舊難以預(yù)測，建立可預(yù)測未來幾小時內(nèi)降雨的模型依舊困難重重[1]。

為解決以上難題，本文收集了一些發(fā)達國家及地區(qū)成功利用雷達數(shù)據(jù)建成重點區(qū)域防汛實時模型的案例。并通過分析比較該類案例使用的雷達特點、數(shù)據(jù)處理方法、研究經(jīng)驗、取得結(jié)果等內(nèi)容，總結(jié)出雷達預(yù)測降雨實時模型的發(fā)展瓶頸和解決方法，同時嘗試提出適合上海超大型城市應(yīng)用雷達數(shù)據(jù)預(yù)測城市內(nèi)澇的發(fā)展方向。

1　雷達降雨預(yù)測技術(shù)介紹

1.1雷達降雨測量工作原理

我們知道，電視上播放的氣象預(yù)報是由雷達提供的數(shù)據(jù)通過氣象模型計算得來。因此，雷達可以相當準確地預(yù)測氣象變化，例如晴天、降雨、多云、降雪等，是大多數(shù)人根深蒂固的想法。既然如此，為什么不直接將這些神奇的雷達預(yù)測引入到城市防汛中來呢？如果事先知道了某城市的降雨數(shù)據(jù)，通過內(nèi)澇實時模型進行計算，不就可以對即將發(fā)生的內(nèi)澇災(zāi)害予以防治了么？事實當然不會那么簡單。

事實上，雷達一詞是舶來語，來源于英語的Radar，是其真實含義Radio Detection And Ranging，即無線探測和測距技術(shù)的縮寫。雷達通過一整套回聲探測系統(tǒng)發(fā)射電磁波信號，并接受回波。電磁波信號一般在極短的時間內(nèi)（一般為2 μs）發(fā)射。當波束抵達目標，如降雨云團時，部分能量將被反射，被雷達探測系統(tǒng)回收。由此，根據(jù)信號的往返時間，可以計算出目標和雷達發(fā)射器之間的距離，見圖1。

圖1　雷達工作原理

由于雷達無法同時發(fā)送和接收信號，信號發(fā)射的時間必須極短，以保證近距離回波不會丟失。監(jiān)聽時間應(yīng)盡可能長，從而為探測到較遠回波預(yù)留時間，一次發(fā)射行為和之后的監(jiān)聽時間被稱為一個周期，一周期內(nèi)回收信號的傳輸距離及頻率取決于雷達的工程限制和成本。相對的，遠距離傳輸信號功率較大，雖然可以實現(xiàn)更大的覆蓋范圍，但卻不具備近距離探測的能力。

雷達發(fā)射信號波束的仰角、寬度以及地球的曲度都是影響雷達降雨數(shù)據(jù)準確率的重要因素，信號傳輸越遠，則波束能夠偵測到的降雨高度也就越高。比如，在距離雷達信號發(fā)射裝置100 km處，雷達回波可被1.5 km高處的雨云反射，但是對于1.5 km以下高度的云層則無法偵測。因此，在此類情況下，雷達降雨信息并不能完全反映地面上觀測到的降雨情況，所以研究者一般會借用雨量計數(shù)據(jù)來為雷達數(shù)據(jù)校準，這樣的處理過程十分耗時，當然也就更談不上實現(xiàn)什么“預(yù)測”效果了。除了以上因素之外，回波信號在大氣傳輸過程中的衰減也對雷達降雨數(shù)據(jù)的準確性存在巨大影響。因此，幾乎在每個雷達站都會對取得的雷達數(shù)據(jù)進行處理，包括糾正降雨造成的信號衰減、糾正范圍衰減、消除地面雜音影響、Z-R轉(zhuǎn)換（雷達反射率Z對降雨率R的轉(zhuǎn)換）等[2-4]。

除準確性外，分辨率也是雷達數(shù)據(jù)的重要指標。對一個城市來說，粗分辨率的雷達數(shù)據(jù)往往容易造成密集降雨強度的信息丟失，5 km分辨率與1 km分辨率的雷達數(shù)據(jù)在城市防汛上能起到的作用將完全不同（見圖2）。目前，上海市氣象局已能夠提供分辨率約為1 km的雷達降雨數(shù)據(jù)，基本能夠滿足城市內(nèi)澇實時模型的精度要求。

圖2　不同分辨率雷達數(shù)據(jù)對比

1.2臨近預(yù)報

事實上，盡管雷達降雨數(shù)據(jù)是實時取得的，但如果將其與風(fēng)向，風(fēng)速等其他天氣參數(shù)進行對應(yīng)，仍可有效估測較短時間范圍內(nèi)的降雨趨勢，這項技術(shù)被稱為臨近預(yù)報。目前，臨近預(yù)報大致可提供當前時間以后6 h的降雨信息，在實際操作中，由于影響降雨的不確定因素過多，一般會取用2 h內(nèi)的估測值作為有效預(yù)報。一般認為，臨近預(yù)報是雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市內(nèi)澇實時模型的最典型方式。

目前，最成功的臨近預(yù)報系統(tǒng)是英國氣象辦公室與澳大利亞氣象局合作開發(fā)的STEPS（短期集合預(yù)測系統(tǒng)），該系統(tǒng)根據(jù)降雨區(qū)域的不同移動速率和降雨參數(shù)差異性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隨機生成多種未來的可能狀態(tài)。STEPS獲取的降雨預(yù)報以2 km的分辨率覆蓋全英，最多可提前6 h，每隔15 min更新一次。

雖然還沒有某項特別針對臨近預(yù)報準確率的研究報告顯示其結(jié)果無可挑剔，但雷達天氣預(yù)報的準確性正在隨時間推移而變得越來越精確卻是毋庸置疑的。根據(jù)英國氣象辦公室的研究報告顯示，如果逐年比較1980年以來的預(yù)報準確度，現(xiàn)在的3 d預(yù)報要比1980年的1 d預(yù)報更加準確。因此有理由相信，隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，臨近預(yù)報準確率的上升必將增加雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用在城市防汛排水中的比重。

目前，英國氣象辦公室正在投資建造一臺新的超級氣象計算機，2017年在它投入使用后，STEPS的網(wǎng)格分辨率將增至300 m，升級后的臨近預(yù)報系統(tǒng)將更加滿足城市防汛的需求。對長江中下游降雨類型以鋒面雨為主的城市來說，另一個好消息是，臨近預(yù)報技術(shù)對鋒面雨的預(yù)報準確率要高于對流雨。

1.3雷達種類

氣象雷達根據(jù)發(fā)出電磁波信號的波段不同，一般可分為C波段雷達，X波段雷達，L波段雷達，S波段雷達以及K波段雷達等。其中，C波段雷達和X波段雷達都是常見的降雨數(shù)據(jù)測量雷達。大部分氣象預(yù)報服務(wù)雷達都會使用C波段雷達，該雷達系統(tǒng)由于自身波長和頻率的特性，發(fā)射/接受裝置不用很大，成本相對低廉。X波段雷達則被更多應(yīng)用于研究領(lǐng)域。

出于城市防汛目的，引入內(nèi)澇實時模型進行計算的雷達數(shù)據(jù)被要求滿足預(yù)測盡可能準確，分辨率盡可能高，成本盡可能低等條件。因此，根據(jù)城市實際情況進行雷達種類的正確選擇也十分重要。表1比較了不同波段雷達的分辨率、成本以及移動性，很容易發(fā)現(xiàn)，C波段雷達數(shù)據(jù)基本可滿足城市內(nèi)澇實時模型的要求。但對于范圍更小，精度要求更高的城市重點區(qū)域防汛要求來說，X波段雷達以其高分辨率，高移動性以及低廉的成本更勝一籌。

1.4城市內(nèi)澇建?？蚣?/p>

當雷達臨近預(yù)報的準確性、分辨率都達到實時模型的要求后，這時降雨預(yù)報數(shù)據(jù)就可以和計量水位數(shù)據(jù)，流量數(shù)據(jù)，閘門和水泵數(shù)據(jù)，管道數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)庫中的其他數(shù)據(jù)一起被錄入城市內(nèi)澇實時模型進行運算（見圖3）。根據(jù)計算結(jié)果，專業(yè)人員可以迅速預(yù)知城市街道的積水情況，管線利用情況，以及水泵運行情況等內(nèi)容，進而提出防汛設(shè)施運行優(yōu)化方案，為最終防汛決策提供可靠的技術(shù)支持。

表1　不同雷達的適用范圍

圖3　城市內(nèi)澇實時模型建?？蚣?/p>

目前，世界范圍內(nèi)可供城市內(nèi)澇建模的商用系統(tǒng)軟件構(gòu)架主要有荷蘭代爾夫特三角洲研究院開發(fā)的Delft-FEWS預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)、丹麥DHI的MIKE Flood Watch洪水預(yù)報決策支持系統(tǒng)以及美國INNOVYZE公司的FloodWorks系統(tǒng)。出于商業(yè)合作基礎(chǔ)等原因，上海的排水企業(yè)更多使用后兩者進行實時預(yù)警系統(tǒng)的建模工作。

2　國內(nèi)外雷達降雨預(yù)測驅(qū)動水力模型成功經(jīng)驗

2.1倫敦雷達降雨預(yù)測系統(tǒng)

倫敦雷達降雨預(yù)測系統(tǒng)是C波段雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用于INNOVYZE公司開發(fā)的InforWorks CS水力模型中的成功案例。該項目始于倫敦北部Beckton集水區(qū)的一項試驗性應(yīng)用，當時倫敦的水務(wù)人員開發(fā)了一套基于實時控制的決策支持工具，用于改善部分下水道的運行效率。在項目取得成功后，水務(wù)人員便將成功經(jīng)驗伴隨模型范圍向外不斷擴展。

英國氣象辦公室的Nimrod雷達（C波段雷達）降雨觀測系統(tǒng)為該項目提供了雷達降雨實時數(shù)據(jù)和臨近預(yù)報。其中，實時降雨數(shù)據(jù)每5 min提供1次，分辨率為1 km；臨近預(yù)報每15 min提供1次，預(yù)報時間范圍為6 h，分辨率為2 km（見圖4）。雷達數(shù)據(jù)和其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)被錄入數(shù)據(jù)庫后，被用于驅(qū)動該地區(qū)下水道網(wǎng)絡(luò)的InforWorks ICMLive水力模型。

圖4　泰晤士水務(wù)（倫敦地區(qū)）管理區(qū)域

該項目目前可以監(jiān)測到的災(zāi)害預(yù)警包括洪水事件、合流污水溢流（CSO）事件、街道積水事件等，同時可以為這些事件提供解決方案建議。通過提前預(yù)警，該項目幫助泰晤士水務(wù)預(yù)防水災(zāi)和內(nèi)澇的發(fā)生，避免財物損失，確保市民滿意度，保障倫敦城市的安全運行。此外，該項目還主動承擔了泵站運行管理工作，以避免溢流的發(fā)生。

2.2RainGain研究項目

歐盟的Interreg RainGain項目旨在開發(fā)更多利用X波段雷達的高分辨率優(yōu)勢對大范圍C波段雷達降雨預(yù)測進行補充的方法。為挖掘X雷達在城市重點區(qū)域降雨預(yù)測方面的潛在優(yōu)勢，利用好X雷達高分辨率、高移動性和低成本的特性，RainGain項目組在倫敦中部一幢高層建筑樓頂安裝了一臺X波段雷達RS90，雷達于2013年6月至10月期間運行。值得一提的是，該項目得到的雷達數(shù)據(jù)分辨率精細至200 m，預(yù)報間隔時間也縮短至1 min。

圖5為X波段雷達降雨數(shù)據(jù)與C波段雷達降雨數(shù)據(jù)的比較，可以明顯發(fā)現(xiàn)X波段雷達數(shù)據(jù)確實在準確性方面要高于C波段雷達，尤其在降雨強度較大的降雨事件中，這種優(yōu)勢格外明顯。遺憾的是，在X雷達數(shù)據(jù)采集過程中，來自城市的大量地面雜波一直對數(shù)據(jù)準確性產(chǎn)生重大影響，使采集到的數(shù)據(jù)不得不高度依賴其他傳感器的數(shù)據(jù)來進行校正才能使人滿意[5,6]；并且當研究者們將高分辨率（200 m/min）的降雨預(yù)測值輸入至城市內(nèi)澇實時模型中，和輸入由當?shù)貒覛庀缶痔峁┑牡头直媛剩? km/5 min）的降雨預(yù)測值相比，結(jié)果并沒有明顯的進步。因此，雖然目前日本下水道新技術(shù)機構(gòu)（JIWET）已實現(xiàn)將X波段雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用于FloodWorks水力模型平臺中，并取得防洪、溢流控制、以及節(jié)能等多方面的效果，但X波段雷達目前仍只應(yīng)用于監(jiān)測城市周邊區(qū)域的局部化暴雨，難以勝任在人口稠密地區(qū)的預(yù)報工作。

圖5　X波段雷達與C波段雷達探測降雨數(shù)據(jù)對比

2.3國內(nèi)雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用情況

我國的雷達建設(shè)始于20世紀50年代，50年代末，中國氣象科學(xué)研究院引進了第一臺英國X波段雷達。上世紀70年代起，我國對雨量計結(jié)合雷達測量降水進行了大量研究。上世紀90年代后期，我國開始將雷達測雨技術(shù)引入水文領(lǐng)域的水力模型中使用。如任立良和劉新仁于2001年在淮河流域試驗中將雷達估測雨量用于新安江模型模擬史灌河流域的流量過程，取得較好的效果。劉曉陽等用雷達聯(lián)合雨量計估測降水作為流域水文模型TOPMODEL的降水輸入，對梅山水庫的入庫流量及史灌河流域的徑流進行了模擬。然而截至目前，由于雷達數(shù)據(jù)分辨精度和準確性的限制，還沒有確切的將其引入城市內(nèi)澇實時模型中使用的先例。上海市城市排水有限公司在建立“上海城市排水防汛預(yù)警系統(tǒng)”時，特別為雷達數(shù)據(jù)預(yù)留了數(shù)據(jù)接入口，開創(chuàng)了國內(nèi)將雷達數(shù)據(jù)與城市排水實時模型相結(jié)合的先河。

3　建議與展望

總結(jié)雷達預(yù)測降雨技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒國外的成功經(jīng)驗，并結(jié)合上海等國內(nèi)特大型城市的實際情況，為我國雷達數(shù)據(jù)與城市內(nèi)澇實時模型相結(jié)合提出以下建議：

（1）將雷達預(yù)測降雨技術(shù)引入城市內(nèi)澇實時模型在國外已有成功先例，其在預(yù)防洪水、城市內(nèi)澇、合流污水溢流、優(yōu)化都市排水系統(tǒng)運行模式等方面均呈現(xiàn)顯著效果，有非常值得期待的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（2）C波段雷達有探測范圍廣、測量數(shù)據(jù)準確、數(shù)據(jù)校正步驟相對簡易等特點，其偵測范圍和分辨率（200 km，1 km）基本滿足國內(nèi)大型城市內(nèi)澇實時模型的要求，建議作為雷達與城市實時模型結(jié)合的主要發(fā)展方向；X波段雷達具有分辨率高、成本低、移動性強等特點，但考慮到其受地面雜波干擾較大，建議部署在城市非人口稠密的防汛重點區(qū)域作為防汛補充機制，進一步提高重點區(qū)域的防汛能力。

（3）進一步提高雷達臨近預(yù)報的可靠性十分重要。國外經(jīng)驗表明，在預(yù)報過程中，進行連續(xù)預(yù)報方式將有助于增強預(yù)報的準確度。同時，將預(yù)報時間從6 h縮短為2～3 h，取得的預(yù)報也將更加準確。

（4）由于目前在我國雷達預(yù)測技術(shù)與城市防汛結(jié)合仍屬于創(chuàng)新體制，因此在新體制建設(shè)過程中，除了要考慮技術(shù)發(fā)展的同時，還需考慮這一新技術(shù)對自然環(huán)境，人文環(huán)境以及經(jīng)濟環(huán)境的潛在影響，制定相關(guān)配套的法律和規(guī)范，以使在支持新技術(shù)發(fā)展的同時，限制其對社會可能造成的負面影響，達到使技術(shù)“以人為本，為人服務(wù)”的最終目的。

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X4

A

1009-7716（2016）02-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.050

2015-11-09

上海市城市建設(shè)投資開發(fā)總公司資助項目“上海市重點區(qū)域排水防汛實時預(yù)警系統(tǒng)研究”

朱弋（1982-），男，上海人，工程師，從事城市排水及污水處理工作。