1、收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；国家自然科学基金青年科学基金项目（）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（）；新疆水利科技专项资金项目（）作者简介：许文涛（），男，湖北恩施人，工程师，博士，研究方向为洪水频率分析与山洪灾害防治。：通信作者：王协康（），男，江西吉安人，研究员，博士，研究方向为水力学及河流动力学。：，（）：暴雨山洪监测技术研究进展与发展趋势许文涛，唐文坚，王协康，董林垚，丁文峰，郭宜薇，张平仓，（长江科学院，武汉；水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉；四川大学 水利水电学院，成都）摘 要：山区局地降雨是诱发暴雨山洪的最主要因素，加强
2、山区小流域雨量监测，分析致灾临界雨量指标值并及时发布有效预警信息，是降低山洪灾害损失的有效非工程手段。目前针对暴雨山洪灾害研究主要集中在短时临近预报预警领域，对山洪监测技术适用性研究不足，山洪暴发的时空尺度具有特异性，传统监测站网无法满足山区暴雨高强度短历时的监测需求，当前构建跨尺度山洪监测体系仍具有一定难度。针对山洪监测技术中雨量监测研究现状，评述了国内外雨量计、测雨雷达、卫星遥感、微波链路测雨及降雨融合技术研究进展。暴雨山洪监测技术虽然在不断发展，但单一监测传输手段及信息源将无法满足复杂山区环境的山洪监测要求，通过构建山洪立体监测技术体系，可为山洪过程模拟、洪灾风险评估及山洪预报预警提供实
3、时雨量监测数据和技术支撑。关键词：暴雨山洪；监测技术；雨量计；测雨雷达；卫星遥感；降雨融合中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ：；研究背景山洪是指发生在山区沟道中迅速、强烈的地表径流现象，具有暴发突然、历时较短、暴涨暴落、破坏力极强、预测难度大等特点。山区暴雨、融雪、溃坝等是山洪暴发的主要驱动因子，其中以暴雨山洪最为常见，前期和过程雨量成为山洪监测最主要对象。气候变化和人类活动耦合作用下，极端降雨频次和强度增大、山区城市化加速和下垫面条件的改变常导致山洪灾害潜在威胁剧增。山区区域经济增长的滞后性、下垫面条件复杂性以及监测站
4、点布局的不尽合理造成部分地区雨量监测数据的匮乏，而短历时强降雨及持续性降雨的临近预报是山洪灾害临期预警的核心内容。优化山区雨量监测站网布局，同时探索利用天气雷达、卫星、无人机等遥感技术获取流域下垫面基础数据，将成为暴雨山洪监测的未来发展方向。降雨是暴雨山洪形成的主要气象因子，同时也是山洪监测预警的直接依据。目前针对山洪灾害的雨量监测预警技术主要分为两类，：一种是利用水文水动力学模型对山区小流域溪沟洪水进行模拟和预报，根据河道水位预警值反推雨量临界值，该类方法需考虑多种水文、下垫面要素，模拟过程较为复杂，但具有机理性；另一种是通过经验法（统计归纳法、比拟法及内插法等）研究统计时段内过程（或累计）
5、雨量值与山洪发生发展的关系，分析判断某时段雨量特征值对山洪灾害发生的影响。因此，临界雨量一般作为山洪灾害监测预警的关键指标，研究人员一直探索降雨量与山洪灾害发生机制机理之间的相互关系，然而仍缺乏有效的物理模型去支撑。近些年，随着山洪灾害防治工作深入，基于分布式水文模型开展中小尺度洪水模拟预报模型取得了较好的进展，如水文工程中心水文模型系统（）模型，中国山洪模型框架（）模型等。降雨事件类型对山洪发生发展的影响研究表明，短历时强降雨量级、降雨时空异质性以及暴雨中心路径对山洪演进计算起到了关键作用，由此可见，山区小流域雨量监测在山洪灾害防治体系中尤为重要。为此，本文将系统梳理暴雨山洪监测技术，主要包
6、括雨量计、测雨雷达、卫星遥感、微波链路测雨及降雨融合技术等研究进展，阐述各类雨量监测技术的优缺点并展望未来暴雨山洪多要素立体监测技术的发展方向。暴雨山洪监测技术研究进展山区降雨在时空变化上具有高度异质性，表现出强烈的非均匀性，非稳定性以及垂直空间变异性。以不同时空尺度及观测来源划分，降雨测量技术主要包含雨量计测量、天气雷达测量和卫星遥感测量；从观测手段看，可以分为接触式和非接触式测量；以雨量值的不同记录方式来看，又可以分为点雨量、线雨量和面雨量。年国家批复的全国山洪灾害防治规划奠定了“以非工程措施为主”的山洪灾害防御原则，而山洪水雨情监测工作是非工程措施重要内容，因此，下面将重点阐述暴雨山洪监
7、测设备及技术研究进展。雨量计在现代信息技术投入应用到水文气象观测以前，雨量计是最为常用且有效的雨量观测手段。年，宋代数学家秦九韶采用天池盆、圆罂及竹笼来测量雨雪深度，是世界最早的雨量测量方法，奠定了雨量计算理论基础。传统雨量计最早可以追溯到 年，即朝鲜采用“秦九韶法”发明的圆筒形雨量器，该雨量器是气象史上有记录以来最早的雨量定量测量仪器，并采用统一雨量器来布设监测网。年英国建筑师 设计的称锤式测雨器推动了雨量计的发展。年，现代雨量计之父英国人 研制了雨量计早期模型，由他制定的雨量计标准沿用至今。随后的几个世纪里，各国研究者不断改进更新雨量计才形成目前多种类型的雨量计，包括虹吸式、称重式、翻斗式
8、、超声波式、光学式以及压电式雨量计等，具体分类说明如下。人工雨量计人工雨量计通过简单的承雨器、刻度条来量化雨量，是一种完全依靠人工操作记录的雨量计。据 世纪 年代末期统计，全球范围内有超过 万个雨量计，约 种不同型号的简易雨量计仍在使用，其中不含地区进行升级改造自动化的部分，全球常用简易雨量计的主要参数信息如表 所示。简易雨量计以其操作简便、数据可靠、成本较低等优点适宜于广泛的山洪灾害防治区。长江科学院院报 年 表 全球常用人工雨量计主要参数信息 产地国雨量计数目器口面积 材质使用国家数德国 镀锡铁中国 镀锡铁英国 黄铜俄罗斯 镀锡铁美国 黄铜印度 玻璃 机械式雨量计机械式雨量计主要包含三类，
9、即虹吸式、称重式、翻斗式雨量计。虹吸式雨量计通过承雨桶中雨水收集带动浮子变化，在记录纸上绘制降雨变化曲线，简便快捷，精度较高，如上海仪器厂 型虹吸式雨量计；称重式雨量计则利用机械发条装置或平衡锤系统，称量承雨桶中所有累计降水的重量，从而转化为场次雨量；翻斗式雨量计由翻斗承接雨水，每次翻斗倾倒便会记录数据，如 型、型翻斗式雨量计。上述机械式雨量计较早应用到山洪前期雨量监测中，对人力要求较高、自动化程度低，难以适应山区复杂环境。山洪灾害非工程措施防治多采用此类雨量计进行临界雨量测量、预警雨量值计算，并对偏远贫困地区进行雨量预警，其优点是记录的数据较为准确可靠、操作简便，但是该类记录方式存在维护成本
10、高、缺乏实时传输预警功能 电子雨量计相比传统雨量测量装置，结合了现代光电、声学技术的雨量观测设备在测量精度和数据稳定性上具有优势，主要包括超声波式、光学式、压电式。超声波雨量计是一种基于超声测距原理的雨量计，按传播介质可划分固、液、气三种雨量计，其中最为常用的是液介式超声雨量计。超声波雨量计在测量精度和使用寿命上有所提高，从宏观上描述了降雨特性，如降雨量、降雨强度、降雨历时等，而光学雨量计是在光电探测传感技术发展大背景下，采用光学散射和采集成像技术进行降雨微观观测的测雨技术，能够获取包括雨滴大小、下落速度和个数等微观特性，这些数据的获取在进行雷达反演降雨、降雨冲击力、土壤侵蚀动力等方面有很好的
11、应用。其基本原理是基于散射技术利用降雨粒子在可见光或者红外线光束的散射效应，通过发射、接收降水粒子的散射信号，测量雨强、雨量等，目前基于散射原理的光学雨量计，代表产品有、等；基于光强衰减技术，代表产品有德国 公司 雨滴谱仪、法国 双束雨滴谱仪、法国 光谱雨量 计 等；基 于 相 位 多 普 勒 测 速，代 表 产 品；基于图像采集技术的雨量计近年来发展迅速，代表性产品有奥地利 系统、美国 的 系统以及加拿大 公司的。光学雨量计由于成本较为昂贵，在无人值守的山区环境易受尘霾、霜露等环境因素影响，因而在山区暴雨监测中难以推广应用，但可较好捕捉降雨时空分布及形态特征。压电式雨量计是运用雨滴冲击测量原
12、理对降水雨滴的重量进行测量并获取相关数据，进而计算降雨量，其体积小、能耗低，适合作为密集分布的野外监测站点，如 公司的 系列雨量计。压电传感器的压电材料（如石英晶片或压电陶瓷片）受到机械载荷时，会在其特定的表面上产生电荷信号，通过将雨滴的冲击力转化为电压值，进而输出为雨量数据，现有仪器产品存在的主要问题是雨滴撞击传感器的受力大小变化是非线性的，常难以保证各量级雨量都具有较高的测量精度。测雨雷达山区小流域布设雨量站数量有限，通常难以达到世界气象组织（）以及山洪灾害防治规定的标准密度。传统地面雨量监测难以有效捕捉山区降雨时空变化，不易确定暴雨中心路径，因而常出现山区小流域“有雨不涨水，无雨发山洪，
13、山前下雨，山后预警”的现象。然而，测雨雷达具有面雨量监测特性，可随时跟踪雨区范围、暴雨走向和降雨量的变化，有效弥补单站点雨量观测短板。通过高分辨率系统探测降雨云和降水结构的发生发展，可满足高精度水文模型（如高精度分布式水文模型）对降雨参数的要求，因而在中、小尺度流域降雨监测中具有较强优势。此外，雷达测雨有较好的应用前景，指出未来山区雨量观测发展方向应为雷达测雨，同时肯定传统雨量站在雷达校准方面发挥的积极作用。常用测雨雷达所选用波长为（波段或）、（波段或 ）和 （波段或），波长选取范围主要是由降雨粒子大小散射回波所决定，波段和 波段雷达建站体积小，但随着雨强增大其衰减程度也在加快。世纪 年代，欧
14、美国家率先布设区域雷达观测网，如美国下一代天气雷达（），已基本实现业务化并发布实时降雨产品，目前全球设有 多个天气雷达站用以观测降雨及其他气象要素。年以来，中国开始布设新一代天气雷达网（第 期许文涛 等 暴雨山洪监测技术研究进展与发展趋势），截至 年，全国范围内已建成 部由 波段和 波段组成雷达网。雷达测雨的方法主要有两类，一类为直接利用 关系（反射率因子降雨强度）确定降雨强度，估算降雨量值；另一类方法为雨量计雷达联合估测降雨量，后者在山区小流域雨量估测计算中，应用更为广泛。采用基于雷达测量的定量降水估计和预报（）技术，在法国南部加德地区进行山洪道路淹没风险评估，指出道路淹没预警系统（）对降水
15、输入和降雨径流模型校准具有显著的敏感性，可用于评估优选水文模型，并计算无资料地区的径流阈值。刘福新等利用 波段的 型天气雷达，分析了 场典型暴雨山洪的雨量图像特征及强回波移动特点，指出该型雷达能提前 进行山洪预警，有效提高山洪防御能力。等采用经过校正的雷达测雨数据驱动 模型研究暴雨山洪过程，该模型在预测短历时的山洪过程较为准确，然而山洪暴发对降雨强度的时空分布非常敏感。雷达测雨的误差来源主要包括观测设备、观测环境、观测目标等，具体为：设备自身误差，如雷达标定失准；观测区域地物杂波、波束遮挡和天气垂向结构变异性造成的基数据误差；降雨类型不同造成建立的 关系的系统误差。事实上，研究人员已经系统地总
16、结了校正这些类型误差的手段和方法，包括平均校准、最优校准、联合校准和卡尔曼滤波校准等方法，但山区特殊的下垫面条件给雷达雨量观测带来了挑战。和，等利用阿尔卑斯山区长时间序列雷达测雨值，与地面站点观测值进行大样本比较，通过一定的偏差校正，指出地物杂波和波束遮挡是雷达测雨精度的最大影响因素，从而影响山洪预报时效性。刘晓阳等运用雷达和雨量计联合估测了梅山水库集水区的降水分布，雷达联合雨量计对径流模拟精度要优于任意单一降水源，且可以获得更高空间分辨率的降水分布。在山洪前期或过程雨量测量中，无论是雨量计还是雷达测雨都面临着共同的问题，即数据的稳定传输、上传、储存和预警信息及时有效发布。卫星遥感自 世纪 年代首次引入卫星观测系统以来，给自然灾害监测带来新的发展机遇。卫星遥感技术的发展直接促进地形复杂、低密度站网的山区流域的气象观测，其监测要素包含降雨、温度、湿度等，同时也能为无资料地区提供有效的水文基础信息。根据低轨道卫星星载传感器类型划分卫星测雨方式有：（）可见光与红外遥感技术（）。（）被动微波技术（）。（）主动微波技术（），如 卫星搭载的 波段雷达，卫星搭载的 波段雷达，以及 搭载的 双波段雷达
