对“水利测雨雷达”的新质生产力研究
摘要：高精准降雨监测预报对于支撑水旱灾害防御等水利业务预报、预警、预演、预案“四预”工作至关重要。水利测雨雷达系统主要观测近地面2km高度范围内大气中的液态水，能够实现无缝隙、精细化监测并生成高精度实况定量降雨产品，具有较为精准的外推1～3h降雨临近预报能力，是水利新质生产力的典型代表。系统梳理了我国降雨监测发展历程，包括无器具测量、雨量器萌芽、标准化人工雨量器、自动记录式雨量器和现代自动测雨五个阶段。在此基础上，从雨量站业务应用、天气雷达业务应用、气象卫星业务应用角度，分析当前“四预”业务中降雨监测现状与问题，进而梳理了水利测雨雷达发展进程并分析其技术优势，包括：能够实时生成超精细化的网格降雨实况数据，能够实现精细化网格化降雨预报，以及系统运行稳定高效。结合水利测雨雷达在河北省大清河流域以及湖南省捞刀河、浏阳河流域的良好应用成效，指出其作为水利新质生产力在赋能“四预”方面具有应用前景。
关键词：降雨监测；装备发展；新质生产力；水利测雨雷达；“四预”
作者简介：钱峰，副主任，正高级工程师，主要研究方向为水利信息化。
基金项目：“十四五”国家重点研发计划“重大自然灾害防控与公共安全”重点专项“山洪灾害信号早期识别与准确预警技术装备”项目（2022YFC3002900）。
新质生产力是创新起主导作用，摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径，具有高科技、高效能、高质量特征，符合新发展理念的先进生产力质态，由技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型升级而催生，以劳动者、劳动资料、劳动对象及其优化组合的跃升为基本内涵，以全要素生产率大幅提升为核心标志，特点是创新，关键在质优，本质是先进生产力。
发展水利新质生产力是推动水利高质量发展、保障我国水安全的内在要求和重要着力点。降雨监测预报在预报、预警、预演、预案“四预”中占据业务链条发端与核心地位。水利测雨雷达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缝隙、精细化扫描和测量。水利测雨雷达作为数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系的重要组成，在雨水情监测预报“三道防线”中发挥重要作用，推进洪水预报从“地面雨”向“空中雨”转变，实现延长预见期与提高精准度有效统一，赋能水旱灾害防御等水利业务工作。
本文从生产力发展角度系统梳理我国从古至今的降雨监测发展历程，分析当前雨水情监测预报预警现状与挑战，并基于水利测雨雷达在河北省大清河流域以及湖南省捞刀河、浏阳河流域的试点应用情况，结合水利测雨雷达赋能“四预”业务应用的重要作用，阐述其作为水利新质生产力的应用成效与推广前景。
01、我国降雨监测发展历程
生产力是认识、利用和改造自然的能力。降雨作为一种与人类生产生活关系密切的自然现象，自古以来一直受到人们关注和重视，不断被观察、测量、预测。对降雨的观测预测就是一种生产力，对经济社会发展和人类历史进步具有非常重要的意义。我国自古以来就重视降雨监测，从监测方式上大体可以分为无器具测量、雨量器萌芽、标准化人工雨量器、自动记录式雨量器和现代自动测雨五个阶段。
1.无器具测量阶段
史前文化对降雨监测的记录甚少，在《史记·夏本纪》《尚书·禹贡》中，存在一些洪水灾害相关的记录。比如《尚书·禹贡》中记载有“禹别九州，随山浚川，任土作贡”“禹锡玄圭，告厥成功”，以昭告天下大禹治水成功；一些学者推断大禹时期的洪水发生和消亡与极端强降雨的发生和气候变化息息相关。
我国最早的雨量监测定性记录源于殷商时期甲骨文。甲骨文中已将雨量定性区分为大雨、小雨和多雨、无雨等类型，另外还包括风、云雾、雷鸣、电闪等多方面天气现象记载。甲骨卜辞以祭祀云神、风神来达到“问雨”的目的，通过观察天气现象而得知风、云、雨之间的关系。商代社会生产以农业为主，面对干旱便会祈求降雨，雨水过于泛滥时甲骨卜辞中也会祈求止雨。春秋时期，《左传·隐公》以“凡雨，自三日以往为霖”来记录降雨时间长短。至秦代，我国已存在“报雨泽”制度。1975年考古发现的《秦律十八种》竹简，其中《秦律十八种·田律》记载了上报降雨量的制度，如“雨为〈澍〉，及诱（秀）粟，辄以书言〈澍〉稼、诱（秀）粟及豤（垦）田畼毋（无）（无）稼者顷数。稼已生后而雨，亦辄言雨少多，所利顷数”等。《后汉书·志第五·礼仪中》记载有“自立春，至立夏，尽立秋，郡国上雨泽。若少府、郡县各扫除社稷。其旱也，公卿官长以次行雩礼求雨”，要求在农作物生长期间向中央上报雨量。唐宋开始，人们已用生活中的一些器皿如盆、盅等接雨水量测。杜甫《白帝》诗云“白帝城中云出门，白帝城下雨翻盆”来描述降雨的强度。这一阶段，还没有出现定量的降雨监测工具。
2.雨量器萌芽阶段
宋朝开始使用雨量器具测量降雨，如“圆罂测雨”“天池测雨”。据博物馆文物资料,“圆罂”是一种中间粗、口面大于底面的坛罐状容器；“天池”是一种盆状容器，可根据其口径、底径、盆深和雨深数据来推算平地降雨量。北宋已利用一系列诏令法规，提出“定量”的降雨降雪奏报制度——“诸州降雨雪，并须本县具时辰、尺寸上州”。南宋时期又专门对奏报降雨的情况即“上雨水限”做了进一步细化。此外，北宋时期还有利用雨水入土深度来衡量雨量大小的方法，如北宋诗人曾写过“山边夜半一犁雨”“布谷催耕雨一犁”等诗句。南宋数学家秦九韶在《数书九章》中曾列出两道关于“圆罂测雨”“天池测雨”的降雨量测量算题，但所使用的计量单位主要是尺和寸，测量精度还不算高。
3.标准化人工观测雨量器阶段
明朝时期出现了由政府制定的圆筒形测雨器，地方州县使用这一统一标准器具计量降雨并向上级奏报，由此估量农业生产情况。清朝时期，由钦天监和各地方气象观测情况编写而成的《晴雨录》，作为世界上最系统和完整的气象观测历史记录被当今科学界所接受，其中记载了自雍正二年至光绪二十九年（1724—1903年）北京地区的降雨情况。清朝的雨量器刻有标尺，已接近现代水文使用的雨量器。同期，在国外，1695年英国物理学家罗伯特·胡克成功设计了翻斗式雨量计，通过玻璃漏斗收集雨水到下端的容器并进行称量，这一设计理念沿用至今；1722年英国气象学家卢克·霍华德改造雨量器具，采用漏斗把雨水收集到玻璃量筒，通过观察量筒刻度估算雨量大小。我国民国元年（1912年）1月，当时的运河工程局在山东泰安设立雨量站并于当月开始观测降水量，这是我国在黄河流域最早设立的雨量站。
4.自动记录式雨量器阶段
自动记录式雨量计是自动记录降雨量变化的器具，通常分虹吸式和翻斗式两种。民国时期，雨量观测多采用承雨漏斗直径为20.32cm的国产自制标准雨量筒，用公制量雨尺观读至毫米。新中国成立之初，直径20.32cm国产雨量器逐渐被20cm口径人工观测雨量器和自记式雨量计取代。据统计，1950年全国共有水文测站1465处，其中流量站419处、水位站425处、雨量站234处、实验站1处、报汛站386处。这个年代的一部分测站使用DST型口径为25.2cm的自记式雨量计。1951年，当时的治淮委员会在淮河流域配发51型雨量器，器口直径为17.85cm，设置在0.6m高的锥形混凝土座上，内有承雨筒，用特制秤称量雨量。1955年，自记式雨量计改进增加了储水瓶，使自记雨量记录可以校测。此后生产的雨量器口径统一改为20cm，用特制玻璃量杯测记雨量，其他原有雨量观测仪器停止使用。20世纪60年代，我国水文站全部安装了口径为20cm、器口高出地面1.2m的标准虹吸式自记雨量计。
5.现代自动测雨阶段
雨量计是我国水利、气象、农业部门雨量监测的主要手段，为精准预报天气、保障人民群众生命财产安全提供了基础，观测业务自动化、站网布局科学化水平持续提升。截至2023年年底，按独立雨量测站统计，全国水文部门共有雨量站53413处（若包括有雨量观测项目的水文站、水位站，监测雨量的水文测站合计达6.9万处），其中基本雨量站14823处、专用雨量站38590处；雨量站自动监测率达到100%。截至2022年年底，我国气象观测站超过7万个，乡镇覆盖率达100%，其中2423个国家级地面气象观测站实现了观测自动化、数据精准化、综合判识智能化，观测频次比人工观测提高4～8倍。
近年来，雷达测雨正在成为一种全新的降雨观测技术方法，可实现近地面雨量的精细化测量。美国自20世纪80年代后期开始建设新一代天气雷达网，用于布网的新一代雷达系统（WSR-88D）——现代多普勒天气雷达，具有高质量定量降雨探测能力。目前美国已部署了300部S/X波段雷达，覆盖2万多个洪水多发区。我国也从20世纪90年代后期开始部署新一代天气雷达网，经过“十三五”时期建设，气象部门在网S/C波段天气雷达数量已经超过230部，其中110多部已经完成双偏振技术改造。气象天气雷达观测目标是对流层0～20km高度范围内大气中的全部气象要素，在降雨估测、冰雹识别、降雨云系微物理特征等方面开展应用。
因受设备数量和分布位置限制，借助雨量计、地基雷达等手段难以获取大范围的地面降雨信息。1997年美国和日本联合发射的TRMM卫星搭载了星载测雨雷达，能够直接测量降雨垂直剖面分布，实现地面降雨的天基观测。继TRMM之后，美国和日本于2014年联合提出GPM计划，安装在GPM核心卫星上的双频测雨雷达DPR可全面获取准确的降雨信息，实现降雨的精确测量。
21世纪初，我国科研人员开始对星载降雨雷达开展前期研究。目前我国极轨气象卫星风云三号C星上已经有了一个能够穿透云雨的仪器——微波辐射计。微波辐射计通过对比接收辐射量的前后变化，能够推断出降雨的强弱。2024年5月1日，风云三号G星正式投入业务运行。风云三号G星轨道高度407km，搭载我国首套“空中雨量计”——星载Ku、Ka双频降水测量雷达，将雷达观测分辨率高和卫星观测范围广的优势结合起来，具备自上而下获取大气不同层次降水的三维立体结构信息能力。风云三号G星与C星、D星和E星在轨组网观测，同时实现上午、下午、晨昏、倾斜4条轨道极轨气象卫星观测。但当前风云三号G星在观测时效和数据空间分辨率方面尚无法满足水利防灾减灾业务对于降雨观测时效性和分辨率的数据需求，由此限制了其在水利行业的业务化应用。
02、“四预”业务中降雨监测现状与问题
前瞻、及时、精准的雨水情监测预报信息是打赢现代防汛战的首要环节和重要条件，而当前的雨量监测能力不能满足洪水预报对面雨量精准监测的需求。在“四预”业务中，以流域为单元建设雨水情监测预报“第一道防线”，由气象卫星和测雨雷达组成的雨水情监测预报体系，是构成“天基”和“空基”监测预报的基石，更是实现精准管控洪水防御全过程的重要基础。由于卫星资料和实时产品的延迟影响，实际业务应用中存在暴雨面积、降雨强度测量不够准确等问题。
1.雨量站业务应用
我国雨量站站点分布不均、时空分辨率低，50km²以上流域暴雨中心区雨量站密度不足，无法及时获取区间降雨数据，难以支撑洪水预报。目前水文系统建有6.9万处雨量观测站，但站点分布十分不均。以海河流域为例，平原地区1个雨量站代表50～60km²的降雨，西部、山区站点则更为稀疏。当前大部分雨量站时间分辨率为1h，不满足对于短时强降雨的及时、精细观测需求。因此，现有雨量站数据对于捕捉降雨的空间时间分布特征均不具备代表性。
2.天气雷达业务应用
天气雷达的基本功能是天气监视以及大范围捕捉天气系统，探测对流层0～20km高度范围内的所有类型（雨、冰、雪、雷暴大风、龙卷风、下击暴流等）气象目标。天气雷达回波产品时间分辨率为10min，探测半径250km，对于探测区域内的大范围降雨天气的监测预警能力较好，但由于其时空分辨率较低，受地球曲率影响低空覆盖范围小，对于导致强降雨的小尺度强对流系统探测能力不足，难以全面精确探测近地面液态水和估算降雨量，监测数据与地面雨量站相比偏差较大，时空精度不满足精细化降雨监测需求，导致对局地强降雨监测预警不够精准及时。
3.气象卫星业务应用
目前，在我国雨水情监测预报业务工作中常用的气象卫星主要是中国风云四号B星静止气象卫星和日本葵花9号静止气象卫星。静止气象卫星距离地球远（位于赤道上空约35800km的地球同步轨道中），不具备主动探测能力，主要利用气象遥感仪器接收和测量地球及其大气层的多通道可见光、红外与微波辐射，而通过红外亮温直接反演的降水量与实际偏差很大，难以直接应用。因此，在雨水情监测预报工作中，主要通过对静止气象卫星多个红外通道辐射率观测数据进行二次开发应用，实现强对流暴雨云团识别、外推预报、临近1～3h强降雨风险监测预警，难以进行较为准确的降雨定量化估算和外推预报。
03、“水利测雨雷达”的发展历程与优势
水利测雨雷达经历了探索、初步应用及迭代升级三个发展阶段，为“四预”业务和水旱灾害防御等提供了有力有效的技术支撑，反映了创新驱动下面雨量监测技术的进步，也体现了新一代水利行业降雨监测“高科技、高效能、高质量”的重要特征。
1.发展历程
（1）探索阶段
从20世纪90年代开始，水利部信息中心通过加强对美国、日本等国家多普勒天气雷达技术的学习交流，1997—2005年在黄淮流域引进建设6部天气雷达，开展了雷达估算面雨量试验，并提出建设93部天气雷达的规划。2009年提出增设58部，同年黄淮流域的6部天气雷达建成，并于2010年左右投入应用。2015年国家发展改革委印发《2016—2025年气象雷达发展规划》提出，依据气象雷达站网布局、建设标准，在气象雷达发展专项规划框架下，水利部门在重点防洪区域设立专项，建设高时空分辨率面雨量雷达监测系统。
（2）初步应用阶段
2006—2018年，通过国家防汛抗旱指挥系统一期、二期工程建设，水利部天气雷达应用系统建成，实现了基于中国气象局实时共享的天气雷达（最多时104部）观测基数据进行各类回波产品和雨量产品的加工处理应用。此系统从2019年汛期开始支撑日常防汛工作中的雷达短临暴雨人工预警工作，发挥了重要作用。但由于天气雷达主要侧重于探测大气中高层混合气象信息，且时空分辨率低，难以有效捕获大气底层小范围局地短时强降雨，自动化强降雨预警准确度较低，必须加入预报员人工经验分析。
2011—2016年，水利部信息中心开始在大理、郑州、婺源等地试点应用X波段面雨量雷达，采用单极化速调管（磁控管）机械多普勒雷达搭配滴谱仪进行面雨量估算。但由于单极化雷达难以识别降雨相态，每部雷达需要搭配部署2～4部滴谱仪，且磁控管设备寿命短、故障率高、运维成本高，难以满足测雨和预报预警需求，未能在水利系统推广应用。
（3）迭代升级阶段
2019—2023年，水利部信息中心应用新技术开展高精度X波段雷达测雨技术探索，与中国科学院地理科学与资源研究所、清华大学、广东纳睿雷达科技股份有限公司、河北省水文勘测研究中心、湖南省水文水资源勘测中心、中国航天科工二院二十三所、中国电子科技集团公司第三十八研究所、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位，进行了双极化全固态机械多普勒和双极化全固态相控阵等多种型号雷达的测雨试点应用，实现了大气近地面层超高时空分辨率降雨量监测，推进了“落地雨”洪水预报向“空中雨”洪水预报转变，实现了试点区乡镇级临近暴雨洪水自动预警，强化了“天空地”一体化暴雨监测预警，全方位感知暴雨洪水态势。
▲机械测雨雷达（左）和相控阵测雨雷达（右）
2.优势
水利测雨雷达作为现代化高科技装备，集成多种先进技术和算法，可实现对降雨情况的高精度、高时空分辨率监测。测雨雷达组网系统能够快速识别降雨变化，实时提供监测数据和分析结果，为水利部门提供更高效能的决策依据。通过严格质量控制和持续优化升级，测雨雷达系统监测数据保证了准确性和可靠性，为“四预”业务提供了高质量的信息支持。
（1）实时生成超精细化的网格降雨实况数据
雨量站的降雨观测为点观测，存在布设区域有限、大面积稠密布设难度高等不足。水利测雨雷达主要观测近地面层的液态水，3部相控阵型测雨雷达组网能够实现有效覆盖1万km²范围、逐40s、30m×30m网格的超精细化降雨快速监测，相当于在1万km²范围内部署了约1100万个雨量计（每30m×30m网格布设一个）；机械型测雨雷达组网也能达到覆盖1万km²范围、逐5min、75m×75m网格精细化降雨监测，可有效解决雨量站难以实现精细化测雨监测的缺陷。
（2）实现精细网格化的降雨预报
组网建设的水利测雨雷达系统具备逐分钟更新快速外推未来1～3h精细化（相控阵型30m×30m网格、机械型75m×75m网格）降雨预报和乡镇级临近（未来1～3h）暴雨自动预警的能力。“第一道防线”通过气象卫星提供的高分辨率卫星云图和大范围气象数据以及测雨雷达对降雨云体的实时监测，可实现对降雨情况的精准测算和短临预报，为后续“四预”争取宝贵时间，提供精确数据支持。
（3）系统运行稳定高效
水利测雨雷达主要部署在暴雨洪水易发区和山区、丘陵等山洪灾害易发区，目的是观测区域降雨情况。它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。水利测雨雷达尺寸小、重量轻，易于安装维护，功率和耗电量也相对较小，还配备了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；具备自动化运维功能，降低了人工操作需求，提高了运行稳定性。河北雄安和湖南湘江相控阵型测雨雷达试点区于2021年12月底建成，自2022年1月开机以来，7部相控阵测雨雷达不间断连续运行，未出现因雷达硬件故障导致的停机。
04、水利测雨雷达应用成效与前景
2020年以来，水利部信息中心会同黄河水利委员会水文局以及河北、湖南、安徽、四川水文部门，联合相关企业，在北京永定河流域、河北雄安新区大清河流域、湖南捞刀河浏阳河流域、山陕区间无定河流域、安徽巢湖流域、四川成都、珠江流域大藤峡水利枢纽等地开展了高精度X波段水利测雨雷达（相控阵型和双极化机械型）建设和试点应用。由于水利测雨雷达监测地表以上2km空中雨，雷达选址需基本满足让雷达最低有效仰角可以观测到地表以上2km内降雨的条件，即测雨雷达最低有效仰角电磁波离地面高度需要在2km内（见下图）。目前基于7部相控阵测雨雷达，已在河北大清河流域以及湖南捞刀河、浏阳河流域实现了自动化乡镇级雷达短临暴雨定量化分级（蓝、黄、橙、红）预警。
▲试点区水利测雨雷达最低有效仰角电磁波离地面高度
1.河北大清河流域应用成效
大清河流域试点综合考虑了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，测雨雷达于2021年12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1.8万km²范围，定量降雨估算（Quantitative Precipitation Estimetion，QPE）产品时间分辨率为40s，空间分辨率为30m。主要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。
对海河“23·7”流域性特大洪水期间（2023年7月28日—8月1日）极端降雨过程测雨精度进行评估，结果表明，水利测雨雷达形成的QPE产品对本次强降雨过程降雨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雨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雨的空间分布特征。对试点区雨量站观测小时降雨量与QPE估算小时降雨量进行统计分析，结果显示，二者7月29日的相关系数为0.858，均方根误差为3.634，相对偏差为-0.009；7月30日的相关系数为0.878，均方根误差为2.701，相对偏差为0.021。本次过程中雷达估计雨量与雨量站小时雨量误差较小，离散度低。
2.湖南捞刀河、浏阳河流域应用成效
湖南捞刀河、浏阳河流域试点区布设古蒿山站、仙圣坛站、土桥站3部X波段双极化相控阵型水利测雨雷达，覆盖捞刀河流域和浏阳河流域7000km²范围，涵盖7个县级行政区106个乡镇及1座大型水库、15座中型水库、56座小（1）型水库。
湖南试点区已将测雨雷达估算降雨网格化数据接入浏阳河洪水预报系统，在朗梨水文站数字孪生平台“四预”系统中试运行，在圭塘河流域进行洪水预警预报试点。据湖南省水文水资源勘测中心监测分析评估，2022年以来接入测雨雷达数据的洪水预测情况与实测洪水趋势基本一致，其中在2022年5月10日圭塘河暴雨洪水预测预警中取得良好效果，提高预报精度7%，延长洪水预见期1h。2023年6月20日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整体细节和轮廓信息，QPE产品的降雨中心也与雨量计记录值趋于一致，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雨过程中的有效性。对试点区雨量站观测小时降雨量与QPE估算小时降雨量进行统计分析，2023年6月20日2时至7时UTC小时降雨相关系数为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吻合度较高、误差较小。2024年汛期，基于测雨雷达数据有效发布10期小河流致洪致灾暴雨洪水自动风险预警，平均预见期1h，其中4月16日圭塘河预警水位涨幅误差为2%，预见期为1.1h，在汛期洪涝灾害防御中发挥了重要作用。同时，还开展了水利测雨雷达系统降雨成果与水文预报模型的耦合应用研究，为洪水精准预警预报提供强有力支撑。
3.水利测雨雷达应用前景
水利测雨雷达在赋能“四预”业务应用中展现出强大能力和潜力，是水旱灾害防御领域的新质生产力。在预报方面，水利测雨雷达能够实现对近地面大气中的液态水进行无盲区、精细化格点扫描和测量，与气象卫星相配合获取大范围天气信息，提高预报精准度。在预警方面，通过实时监测和预报，水利测雨雷达能够及时发现并预警潜在的洪水风险，为应急响应提供宝贵时间窗口。在预演方面，利用水利测雨雷达数据进行模拟仿真，可以预演洪水演进过程，为制定和优化调度方案提供支撑。在预案方面，基于预演结果，可以制定更加科学、精准的应急预案，提高应对洪水灾害能力。
05、结语
推动新阶段水利高质量发展是一项复杂的系统工程。高质量发展需要新的生产力理论指导和能力发现。作为当前水利新质生产力代表的水利测雨雷达，已经在实践中初步形成效能并展示出对高质量发展的强劲推动力、支撑力。目前水利测雨雷达逐步在多地投入使用，为当地洪水防御和应急避险提供精准有效的技术保障。
在全球气候变化条件下的防汛防灾减灾应用方面，水利测雨雷达正展现出广阔的应用前景。水利测雨雷达能够实时生成高精度的降雨实况数据，通过组网运行实现对降雨的同步高精度监测，且具有外推1～3h的预报能力，显著提高中小流域洪水预报预警的精度和时效性。另外，水利测雨雷达的业务产品可与数字孪生等技术深度融合，充分发挥“第一道防线”在防灾减灾工作中的重要作用。
