雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通建設應用與探討

劉志雨

（水利部水文司，100053，北京）

摘要：圍繞現代化雨水情監(jiān)測預報體系建設應用，簡要總結我國雨水情監(jiān)測預報“三道防線”建設情況與技術進展，介紹中央、流域、省級層面推進雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通建設應用的典型案例。針對當前存在的監(jiān)測與預報耦合貫通不夠、硬件與軟件技術發(fā)展不平衡等問題，研究提出雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通建設應用中需要把握數據融合與共享、模型耦合與協(xié)同、監(jiān)測與預報貫通、不確定性與風險管理、技術支撐與智能化、預警聯(lián)動與響應機制等關鍵點，探索建立由監(jiān)測感知、模型預報、預警響應、基礎支撐技術構成的雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通技術體系與“天空地水工”一體化監(jiān)測預報業(yè)務模式，為加快構建現代化雨水情監(jiān)測預報體系提供決策參考，為推動水利高質量發(fā)展、保障我國水安全提供有力的水文支撐。

關鍵詞：雨水情監(jiān)測預報；三道防線；耦合貫通；關鍵點；技術體系

作者簡介：劉志雨，司長，正高級工程師，主要從事水文水資源、防汛抗旱、水利信息化等專業(yè)領域研究與管理。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFB3900605）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.10.001

受季風氣候、地形條件、河流走向、人口分布、經濟社會發(fā)展等影響，洪澇災害是我國發(fā)生最頻繁、危害最大、造成損失最嚴重的自然災害之一，自古以來就是中華民族的心腹之患。近年來，在全球變暖的大背景下，我國極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)重發(fā)，暴雨洪澇干旱等災害的突發(fā)性、極端性、反常性越來越明顯。各種突破歷史紀錄、顛覆傳統(tǒng)認知的水旱災害事件頻繁出現，水旱災害防御工作形勢更加嚴峻，傳統(tǒng)雨水情監(jiān)測預報技術面臨嚴峻挑戰(zhàn)。2023年“七下八上”防汛關鍵期，“杜蘇芮”超強臺風帶來京津冀罕見強降水，海河流域發(fā)生“23·7”流域性特大洪水，北京門頭溝清水鎮(zhèn)5d累計點雨量達1014.5mm，超過2016年“7·20”和2012年“7·21”特大暴雨，是“63·8”特大暴雨的1.41倍。其中，北京永定河官廳山峽段三家店至盧溝橋區(qū)間（河長約17km，面積114km2），2023年7月31日4h降水量147.6mm，產生了1450m3/s的洪峰流量，打破了傳統(tǒng)的“降雨-產匯流”水文基本規(guī)律。

黨中央高度重視防汛抗旱工作，習近平總書記多次親自部署、親自指揮防汛抗洪救災工作，就保障防洪安全作出一系列重要講話和重要指示批示。黨和國家領導人多次親臨水文站視察指導并對水文工作作出重要指示，習近平總書記多次強調要強化監(jiān)測預報預警，補好災害預警短板，為做好雨水情監(jiān)測預報工作指明了前進方向，提供了根本遵循。黨的二十屆三中全會明確要求，推進國家安全體系和能力現代化，提高防災減災救災能力，完善自然災害特別是洪澇災害監(jiān)測、防控措施。水利部部長李國英強調，前瞻、及時、準確的雨水情監(jiān)測預報信息，是做好洪水災害防御工作的重要前提和保障。暴雨洪水往往來得快、來得急，傳統(tǒng)監(jiān)測預報手段預見期短、預報精準度不高。要在洪水災害防御中贏得先機，就必須以流域為單元，建設數字孿生流域，構筑由氣象衛(wèi)星、測雨雷達、雨量站和水文站加降雨預報模型、產匯流水文模型、洪水演進水動力學模型組成的雨水情監(jiān)測預報“三道防線”，實現從“落地雨”監(jiān)測預報向“云中雨”監(jiān)測預報轉變、從本站洪水測報向洪水演進傳導預報轉變，形成貫通“云雨水”、覆蓋“天空地水工”的完整監(jiān)測預報鏈條，實現延長洪水預見期與提高洪水預報精準度的有效統(tǒng)一。

近年來，各地在積極推進雨水情監(jiān)測預報“三道防線”建設應用中取得了一定進展，特別是衛(wèi)星遙感、雷達探測與感知技術應用顯著提升了數據獲取能力，但監(jiān)測與預報耦合貫通不夠，硬件與軟件技術發(fā)展不平衡，短臨、短期與中長期預報間仍存在“數據孤島”和“模型割裂”問題，導致預報預警鏈條響應滯后。同時，暴雨洪水預報預警的精準度和預見期距全面打贏現代化防汛戰(zhàn)的需求還存在不小差距。針對上述瓶頸，本研究提出雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通技術體系，通過多源數據同化、跨尺度模型交互和智能決策引擎，實現從短臨、短期到中長期尺度預測預報預警的無縫銜接，為構建預報、預警、預演、預案“四預”聯(lián)動工作機制和工作鏈條提供了關鍵技術支撐。

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”建設情況與技術進展

近年來，水利部門在雨水情監(jiān)測預報“三道防線”建設方面開展了一系列探索性實踐。硬件方面，積極推進衛(wèi)星遙感、無人機、超聲波、雷達、視頻解析等技術應用，實現從過去以固定站點和斷面為主的監(jiān)測模式，向“天空地水工”一體化邁進。軟件方面，強化基于現代化水文信息感知與監(jiān)測數據的分析數據模型研發(fā)，構建完善對“云中雨”的降雨預報模型、對“落地雨”的產匯流水文預報模型、對洪水演進的水動力學預報模型。尤其是結合氣象衛(wèi)星與測雨雷達數據，研發(fā)精細化降水預報系統(tǒng)，強化“第一道防線”分布式水文模型、“第二道防線”產匯流模型、“第三道防線”水力學模型研發(fā)應用，延長洪水預見期，提升預報精準度。在延長預見期方面，充分利用氣象水文耦合技術，將氣象數值降雨預報跟洪水預報進行耦合，延長洪水預報的預見期。在提高預報精度方面，利用多模型、多方法、多輸入和多情景開展洪水集合預報，以降低洪水預報的不確定性。在提高預報效率方面，充分利用現有信息化手段，完善水文預報業(yè)務系統(tǒng)，快速開展河系洪水預報，縮短預報時間。

1.“第一道防線”

“第一道防線”由氣象衛(wèi)星和測雨雷達加降雨預報模型、產匯流水文模型、洪水演進水動力學模型組成，實現對“云中雨”監(jiān)測預報，并對洪水演進全過程進行分析推演，在降雨之前就對可能發(fā)生的洪水作出預報。

（1）衛(wèi)星遙感應用與水利測雨雷達建設

目前，水利部實時共享國產風云四號、日本向日葵9號等氣象衛(wèi)星數據，全量接收高分一號、三號影像數據，按需獲取其他國產高分、資源、環(huán)境系列多顆公益性遙感衛(wèi)星數據資源。通過軍民融合渠道數據共享，可及時獲取數十顆軍用衛(wèi)星遙感影像，作為應急場景下數據源的重要補充。近年來，水利系統(tǒng)積極推進中小河流治理、山洪災害防治、重大水利工程建設等項目水利測雨雷達建設應用。截至目前，北京、天津、黑龍江、安徽、山東、湖南、廣東、廣西、四川等18個省份和小浪底、大藤峽等工程單位已建成水利測雨雷達90部。

（2）“云中雨”預報模型

在氣象衛(wèi)星應用方面，基于中國風云四號和日本向日葵9號氣象衛(wèi)星數據，水利部信息中心進行二次開發(fā)應用，在天氣數值降雨預報模式中融入氣象衛(wèi)星信息，實現預見期3d的短期數值降水預報；利用天氣學方法，預報員人工對氣象衛(wèi)星信息進行再分析，實現預見期12h的降雨區(qū)域移動發(fā)展等變化情況的預報分析；接入氣象衛(wèi)星信息并進行二次開發(fā)，實現預見期1~3h的短臨強降雨風險預警。

在測雨雷達應用方面，根據北京永定河流域、湖南撈刀河瀏陽河流域、珠江流域大藤峽水利樞紐等地的水利測雨雷達建設試點應用情況分析，測雨雷達能夠實時生成高精度的降雨實況數據，通過組網運行實現對降雨的同步高精度監(jiān)測，且具有外推1~3h的預報能力，但短時強降雨（1h降雨量≥50mm）監(jiān)測預警能力有待進一步提升。

在數值降雨預報方面，目前水利部主要采用歐洲中心的數值降水預報產品開展洪水作業(yè)預報，此外也會參考德國、美國、日本等國家的數值天氣預報產品。近兩年，水利部信息中心基于WRF構建了高時空分辨率的降雨預報模式，并逐步開始在業(yè)務中使用。

2.“第二道防線”

“第二道防線”由雨量站加產匯流水文模型、洪水演進水動力學模型組成，實現對“落地雨”監(jiān)測并開展洪水形成演進預報，在洪水發(fā)生之前對洪水過程作出預報。

（1）雨量站

截至2024年年底，全國水文部門共有各類測站133369處，其中降水量站57432處。與2023年相比，降水量站增加了1153處。

（2）“落地雨”監(jiān)測技術

降水量自動監(jiān)測設備主要有翻斗式雨量計、虹吸式雨量計、稱重式雨量計、雨雪量觀測儀器等成熟設備，降水量觀測自動化基本實現。衛(wèi)星、光電、遙感等其他降水先進監(jiān)測技術，如GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）面雨量監(jiān)測儀、光學雨量計、微波雨量探測儀、雷達雨量計、壓電式雨量計等，正處于探索應用階段。

（3）流域產匯流模型/水文模型

在產匯流模型方面，目前在用的產匯流模型主要有兩類：一類是概念型模型，最常用的是適用于濕潤、半濕潤半干旱地區(qū)的三水源新安江模型，還有適用于干旱地區(qū)的河北雨洪模型等；另一類是數據統(tǒng)計類模型，坡面匯流模型一般用滯后演算模型、單位線模型等，河道演算一般采用馬斯京根模型。近年來，為開展中小河流洪水早期預警，已開始研究使用分布式水文模型，比如TOPKAPI（后發(fā)展改進為TOKASIDE）、VIC、GBHM等。同時，我國學者也將地表和地下人類活動影響成功引入模型，比如河海大學研發(fā)了柵格新安江-地表地下雙人工調蓄分布式水文模型。

3.“第三道防線”

“第三道防線”由水文（流量）站加洪水演進水動力學模型組成，實現對洪水演進過程的監(jiān)測預報。水文站在對本站洪水進行精準測報的同時，向下游水文站或斷面預報洪水演進信息，實現滾動傳導預報。

（1）流量（水位）站

截至2024年年底，全國水文部門共有流量站9660處，水位站23212處。與2023年相比，流量站增加1179處，水位站增加2579處。

（2）水文監(jiān)測技術

水位自動監(jiān)測設備主要有浮子式、壓力式、超聲波、雷達、激光、視頻水位計、電子水尺等，基本實現水位觀測自動化。流量自動監(jiān)測主要采用“流速面積法”計算，設備有ADCP、超聲波時差法測速儀、定點式電波、側掃電波和影像測速儀等。實際工作中，采用“一站一策”，多種技術和儀器設備組合，實現高、中、低水位條件下流量在線監(jiān)測。對于采用堰槽、水工建筑物測流的測站，通過水力學法實現流量在線監(jiān)測。對標“世界一流”標準，我國在高精度傳感技術、綜合數據處理能力、應急情況下的快速響應和決策支持能力等方面還有不小的差距。未來發(fā)展方向：從現在有限的地面測站節(jié)點，向河流連續(xù)數據拓展；從節(jié)點小數據，向遙感大數據拓展；從“天空地”技術、遙感大數據和大模型出發(fā)，發(fā)展水文新質生產力，加快構建“天空地水工”一體化水文監(jiān)測感知體系。

（3）河道洪水演進模型/水力學模型

主要有網格化運動波模型、網格化擴散波模型、網格化動力波模型等水力學模型。近年來，水利部信息中心研發(fā)了一維水動力學、二維水動力學模型，在應對2023年海河“23·7”流域性特大洪水、2024年湖南洞庭湖團洲垸險情和黑龍江烏蘇里江洪水中投入應用。未來，依賴于新技術進步、數據的積累以及跨學科合作的深入，水文模型將向更加智能化、多學科融合、精細化和應用廣泛的方向邁進。從以數據驅動（概念性模型）、數學統(tǒng)計為主的傳統(tǒng)模型向數據和機理雙驅動混合模型的發(fā)展，需耦合貫通監(jiān)測和“四預”，加強基于數字孿生技術的新模型研發(fā)應用，特別是加大對水文學水力學耦合、AI（人工智能）模型、大模型等新模型技術的創(chuàng)新應用。

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通建設應用典型案例

近年來，各地按照水利部工作部署，加強氣象衛(wèi)星、測雨雷達、地面站網和地形測量等多源數據融合運用，深化“云—雨”、產匯流、洪水演進變化規(guī)律研究，強化機理算法和智能研發(fā)，積極推進雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通建設應用實踐。目前，全國已初步建立北京永定河官廳山峽段、山東沂沭河、湖南瀏陽河和撈刀河、西江大藤峽段等“三道防線”耦合貫通的雨水情監(jiān)測預報體系，近期水利部水文司組織各流域和重點省份選取典型流域在主汛期前建成一批，后續(xù)結合中小河流測雨雷達建設等項目，指導相關省份再建成一批。

水利部信息中心融合貫通“三道防線”業(yè)務應用，提升“四預”支撐能力取得新進展?！暗谝坏婪谰€”業(yè)務化應用風云四號B星和向日葵9號衛(wèi)星云圖等信息，以流域為單元解析氣象衛(wèi)星數據，實現強降雨定量化預報預警；匯集各地測雨雷達基數據，實現“云中雨”精細化監(jiān)測和短臨暴雨預警；開發(fā)高時空分辨率的水利降雨預報模式，利用激光雷達更新提取下墊面數據，耦合產匯流水文模型和洪水演進水動力學模型，對“降雨—產流—匯流—演進”洪水形成演進全過程進行分析推演，在降雨之前就對可能發(fā)生的洪水作出預報。“第二道防線”基于國產化環(huán)境和微服務架構建成多源空間信息融合的洪水預報平臺，開發(fā)集總式水文模型、分布式水文模型、一二維水動力學模型、數理統(tǒng)計模型、參數率定模型等46個微服務，集成全國15.4萬個雨量站實時監(jiān)測信息，在精準監(jiān)測“落地雨”的基礎上，對接“第一道防線”監(jiān)測預報成果，耦合水動力學模型對“產流—匯流—演進”過程進行分析推演，在洪水發(fā)生之前對洪水過程作出預報，在保證預見期的同時提高預報精準度，實現全國近2000條河流4300余個斷面洪水作業(yè)預報常態(tài)化?！暗谌婪谰€”建設水動力學洪水演進預報風險分析平臺，集成全國1.9萬個水文（位）站、6.2萬個水庫站實時信息，在實時精準監(jiān)測江河湖庫水位、流量等要素變化的基礎上，對接“第二道防線”監(jiān)測預報成果，耦合下墊面DEM、堤防斷面、蓄滯洪區(qū)等數據，對洪水演進過程進行滾動預報并逐站傳導，開展洪水演進水面線及風險分析，研判干堤和重要支流回水堤風險點，進一步提高預報精準度。在實際作業(yè)預報中，通過氣象水文耦合，延長洪水預見期；通過模型參數在線率定，提高洪水預報精度；通過河系滾動傳導預報，為水工程精準調度提供有力支撐。

水利部珠江水利委員會深化大藤峽水利樞紐工程現代化雨水情監(jiān)測預報體系建設與調度運用?！暗谝坏婪谰€”依托數字孿生大藤峽系統(tǒng)，集成融合氣象衛(wèi)星、測雨雷達數據，實現“云中雨”提前監(jiān)測預報?！暗诙婪谰€”對接“第一道防線”監(jiān)測預報成果，并通過測雨雷達提供的定量降雨數據實時監(jiān)測庫區(qū)降雨，耦合模型對庫區(qū)“產流—匯流—演進”過程進行分析推演，確?！奥涞赜辍睖y得準?！暗谌婪谰€”在紅水河、柳江等匯入河流新建入庫流量站，在大壩下游新建出庫流量站，壩址區(qū)間新建專用水位站24個、水文站5個，精準掌握庫區(qū)河道“河中水”的水位、流量情況，依托庫區(qū)分布式產匯流、洪水演進模型，實現區(qū)間洪水的“降雨—產流—匯流—演進”全過程精細計算和可視化動態(tài)展示，精確掌握大藤峽工程入庫洪水組成。

北京市積極發(fā)揮“三道防線”組合作用。層層遞進、聯(lián)動發(fā)力，構建不同預見期的迭代式、漸進式“四預”工作機制，有效支撐洪水、山洪、內澇風險分析?！暗谝坏婪谰€”接入水利部氣象衛(wèi)星二次開發(fā)成果，構建“云中雨”超精細網格化監(jiān)測預報體系，運用降雨預報模型，基于測雨雷達監(jiān)測成果外推未來3h降雨預報柵格數據，并接入分布式水文模型耦合一維水動力學模型，快速研判局部山洪、內澇災害情勢?！暗诙婪谰€”以官廳山峽區(qū)間雨量站監(jiān)測“落地雨”數據為輸入，結合“第一道防線”監(jiān)測預報成果，在降水過程中滾動迭代洪水預報結果，實現流域內干支流洪水由降水到徑流過程的預先刻畫，同時迭代優(yōu)化山洪風險預報結果，在保障預見期的同時，提高預報精度?！暗谌婪谰€”結合“第二道防線”監(jiān)測預報成果，在對本站洪水進行精準測報的同時，向下游水文站預報洪水演進信息，實現滾動傳導預報，進一步提高預報精準度，同時支撐預警信息的及時發(fā)布。

山東省著力打造全域水文監(jiān)測預報服務體系。完成骨干河道地理數據測量和1.7萬km2傾斜攝影，高效集成測雨雷達應用、骨干河道及大中型水庫洪水預報、小型水庫雨水情監(jiān)測預警等功能，集成開發(fā)雨水情監(jiān)測預報“三道防線”數字化平臺?！暗谝坏婪谰€”接入新建成的測雨雷達應用模塊，協(xié)議化引進氣象短歷時降雨預報成果，初步實現“云中雨”監(jiān)測預報并延伸產匯流及洪水演進預報?！暗诙婪谰€”匯集7000多處雨水情測站及5200多座小型水庫雨水情和視頻安全監(jiān)控數據，全面實現“落地雨”監(jiān)測并延伸產匯流及洪水演進預報?！暗谌婪谰€”開發(fā)水文測算報一體化應用系統(tǒng)，對沂河、沭河、泗河、大汶河等主要骨干河道，構建高精度L3級數據底板，預報范圍由72處省級斷面增加到324處大中型水庫及骨干河道，實現全省域防洪關鍵河段和大中型水庫的水文實時作業(yè)預報全覆蓋，基本實現水文站洪水測報并延伸洪水演進傳導預報。

水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通的關鍵點

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”是以流域為單元，圍繞流域防洪、水利工程聯(lián)合調度等實際需求，由氣象衛(wèi)星和測雨雷達、雨量站和水文站組成的現代化雨水情監(jiān)測預報體系，通過“天空地水工”立體監(jiān)測手段，依托預報模型，對流域雨水情進行實時監(jiān)測和預報預警，以便及時采取措施應對可能出現的洪澇等災害。

“第一道防線”實現“云中雨”監(jiān)測預報并延伸產匯流及洪水演進預報；“第二道防線”在實時精準監(jiān)測“落地雨”的基礎上，對接“第一道防線”監(jiān)測預報成果，耦合模型對“產流—匯流—演進”過程進行分析推演，在洪水發(fā)生之前對洪水過程作出預報，在保證預見期的同時，提高預報精準度；“第三道防線”在實時精準監(jiān)測江河湖庫水位、流量等要素變化的基礎上，對接“第二道防線”監(jiān)測預報成果，耦合模型對洪水演進進行分析推演，實現滾動傳導預報，進一步提高預報精準度。雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通的信息傳遞關系如下圖所示。

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通的信息傳遞關系

“三道防線”耦合貫通是提升防災減災能力的關鍵，其核心是加強學科交叉與部門協(xié)作，通過數據驅動、模型協(xié)同、技術賦能和機制創(chuàng)新，形成從“天”到“地”、從“預報”到“行動”的全鏈條閉環(huán)，最終實現“預報更準、預警更早、響應更快”的防災目標。

1.數據融合與共享

整合氣象衛(wèi)星、雷達、地面觀測站、水文站、地形監(jiān)測設備等多源數據，構建統(tǒng)一的時空數據庫，消除“數據孤島”。推進實時性與標準化，確保氣象預報數據（如降雨量、時空分布）與水文模型（如河道流量、土壤墑情）的實時對接，統(tǒng)一數據格式和時空分辨率。建立健全動態(tài)修正機制，通過數據同化技術，將實測降雨、水位等數據實時反饋到預報模型中，動態(tài)修正預測結果，提升精度。

2.模型耦合與協(xié)同

通過跨學科模型嵌套，實現降雨預報模型與水文模型、水力學模型、災害風險預警模型無縫耦合，形成“氣象—水文—災害”鏈式模擬。通過時空尺度匹配，解決氣象預報（大范圍、粗分辨率）與洪水/山洪預報（小流域、高精度）的時空尺度差異，通過降尺度技術或動態(tài)網格調整實現兼容。

3.監(jiān)測與預報貫通

本質是“數據—模型—決策”鏈路的垂直整合，需突破傳統(tǒng)水文業(yè)務中監(jiān)測與預報的“割裂”狀態(tài)，相互促進，協(xié)調發(fā)展。通過優(yōu)化地面水文站網，應用衛(wèi)星遙感、雷達監(jiān)測、大數據、云計算、物聯(lián)網等技術手段，“天空地水工”水文監(jiān)測感知體系不斷完善。隨著人工智能、大數據、數字孿生等技術的引入，預報精度和時效性將進一步提升，最終實現“監(jiān)測即預報、預報即服務”的業(yè)務目標。

4.不確定性與風險管理

推進影響預報和風險預警業(yè)務，通過量化模型輸入（如降雨預報誤差）與參數（如產匯流系數）的不確定性，采用概率預報或集合預報技術，提供風險區(qū)間而非單一結果。

5.技術支撐與智能化

加強高性能計算與云計算能力建設，應對海量數據與復雜模型的高效運算需求，利用分布式計算和邊緣計算技術縮短預報響應時間。加強人工智能輔助手段，利用機器學習補全缺失數據、優(yōu)化模型參數，或通過深度學習識別雷達回波中的極端降雨模式。積極應用數字孿生技術，構建流域數字孿生平臺，模擬不同降雨情景下的洪水演進路徑和災害風險，實現“預報—預警—預演—預案”一體化。

6.預警聯(lián)動與響應機制

根據實時降雨、土壤濕度、河道水位等信息，動態(tài)更新預警閾值，避免“一刀切”導致的漏報或誤報。加強多部門協(xié)同，氣象、水利、應急管理、自然資源等部門加強信息共享共用，建立聯(lián)合研判機制，確保預警信息快速傳遞至基層責任人。通過物聯(lián)網設備（如智能雨量站）和公眾上報（如移動App）收集災情反饋，反向驗證和優(yōu)化預報模型，建立社會反饋閉環(huán)機制。

雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通的技術體系與業(yè)務模式

構建雨水情監(jiān)測預報“三道防線”耦合貫通的技術體系，包括“天空地水工”監(jiān)測感知技術體系（監(jiān)測與感知）、模型預報技術體系（模型與算法）、預警響應技術體系（決策與行動）、基礎支撐技術體系（通信與計算）等，旨在通過多層次技術融合、“監(jiān)測—預報—響應”閉環(huán)管理，提高災害預警和應急響應能力，提升防災減災效能。

1.監(jiān)測感知技術體系

①衛(wèi)星遙感測雨技術。2023年，我國發(fā)射首顆低傾角軌道降水測量衛(wèi)星風云三號G星（FY-3G），搭載Ku/Ka雙頻降水測量雷達，為解決臺風等災害性天氣系統(tǒng)強降水監(jiān)測提供遙測數據。高分合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星能克服云霧天氣的影響，實現全天時、全天候對地觀測。李德仁等構建Ka SAR影像降水強度定量反演模型、水位流量定量反演模型，支撐監(jiān)測站“點”狀采集、流域“面”狀監(jiān)測和水利“工程”狀態(tài)精細管理，為流域水災害防御、水資源管理與調配提供了有效的航天遙感新方案。利用高分辨率Ka波段SAR衛(wèi)星—珞珈二號01星對地觀測數據，結合地面雨量站實測降水數據，實現基于Ka SAR的降水估測及暴雨中心識別。

②多波段雷達組網觀測技術。統(tǒng)籌考慮多波段雷達布設情況，通過多波段雷達（大型天氣雷達+小型水利測雨雷達）融合技術，在雷達信號處理、雷達拼圖、降雨反演算法、預警信息、質量控制等方面融合應用，可進一步提高降雨預報預警精準度。

③現代化水文測驗技術。強化“云中雨”、流量、泥沙、冰情、水下地形等監(jiān)測裝備國產化研發(fā)，推動大數據、云計算、量子傳感、區(qū)塊鏈、數字孿生、人工智能等前沿技術與水文監(jiān)測深度融合創(chuàng)新。應用Ka SAR遙感、側掃雷達、激光雷達等設備監(jiān)測和提取下墊面條件及其變化，采用ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）、雷達表面流速儀、視頻測流、光電測沙儀等現代化水文測驗設備監(jiān)測“落地雨”及水流全要素、全量程、全過程，最終實現河流數字流場在線監(jiān)測。強化多源融合、多維感知及遙感、大數據等技術應用，推動水文測報方式改革。

2.模型預報技術體系

①數字化映射、可視化、智能識別、精細化/智能預報等模型相關技術。結合氣象衛(wèi)星與雷達數據，研發(fā)精細化降水預報系統(tǒng)，強化“第一道防線”分布式水文模型、“第二道防線”產匯流模型、“第三道防線”水力學模型研發(fā)應用，延長洪水預見期，提升預報精準度。AI（人工智能）賦能雷達與衛(wèi)星數據多源信息融合，實現高精度面雨量預報。基于雷達反演的網格化、高時空分辨率面雨量監(jiān)測預報，助推分布式水文模型研發(fā)應用，特別是中小河流洪水預警預報。創(chuàng)新智慧化產匯流模型，實現產匯流模式與流域下墊面及水情、工情變化的實時匹配，推動水文模型由固定結構參數向變結構參數轉變。

②知識圖譜、機器學習、人工智能等知識相關技術。構建具象化、實用化、自主化知識平臺，并應用于實際業(yè)務。

③環(huán)境集成、數據集成、應用集成、服務集成等系統(tǒng)集成技術。推進統(tǒng)分結合的預報預警業(yè)務系統(tǒng)建設，實現信息處理、數據分析、預報預警等全流程數字化。推進影響預報業(yè)務實踐，實現從水文要素預報向災害影響預報的轉變。

3.預警響應技術體系

①多級預警系統(tǒng)：基于洪水風險等級觸發(fā)分級響應，多渠道發(fā)布預警信息。

②風險預警發(fā)布：利用GIS（地理信息系統(tǒng)）平臺疊加實時水情、人口密度、基礎設施數據，生成風險熱力圖。推動由雨量、水位、流量等要素預警，向洪水影響范圍、影響人員等遞進式影響的風險預警轉變。

③協(xié)同調度平臺：繃緊“四預”工作鏈條，統(tǒng)籌河道/堤防、水庫、蓄滯洪區(qū)等防洪工程體系，通過優(yōu)化算法（如動態(tài)規(guī)劃），制定防洪工程聯(lián)調方案和洪水防御預案。

4.基礎支撐技術體系

①物聯(lián)網、5G、北斗等信息傳輸技術。通過傳感器網絡和低功耗傳輸技術（如LoRa、NB-IoT），覆蓋偏遠地區(qū)監(jiān)測盲區(qū)。結合北斗的定位數據，實現設備的精確定位和狀態(tài)監(jiān)測，提高維護效率和設備可靠性。

②其他技術。遠程控制技術，以及云計算、邊緣計算、GIS等數據計算存儲技術。

5.“天空地水工”一體化監(jiān)測預報業(yè)務模式

推動建立巡測為主、駐巡結合、自動測報、應急補充的水文巡測基地和應急監(jiān)測能力體系，構建以勘測隊、中心站等為依托的基層業(yè)務生產與管理高效運行機制。構建以流域為單元的水文預報工作機制，推進大江大河及其主要支流、有防洪任務的中小河流預報預警全覆蓋，實現從“落地雨”監(jiān)測預報向“云中雨”監(jiān)測預報轉變、從本站洪水測報向洪水演進傳導預報轉變，形成貫通“云雨水”、覆蓋“天空地水工”的完整監(jiān)測預報鏈條。

結語

雨水情監(jiān)測預報體系和能力現代化是水文事業(yè)高質量發(fā)展的重要標志。以流域為單元建立“三道防線”耦合貫通的雨水情監(jiān)測預報體系,是水利部黨組作出的一項影響長遠的重要決策部署，也是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要鍥而不舍、久久為功抓落實。

2025年是決勝“十四五”、謀劃“十五五”的關鍵之年，要全面做好《全國水文事業(yè)發(fā)展規(guī)劃》《水文現代化建設規(guī)劃》等總結評估，聚焦水文現代化建設的短板弱項，攻堅克難，大力發(fā)展水文新質生產力，做好“十五五”水文發(fā)展規(guī)劃工作。要堅持現代化雨水情監(jiān)測預報體系建設“一二三四”總體架構和實施路徑，采取更加有力的措施，加快推動建設應用。要加快形成高質量現代化國家水文站網體系、“天空地水工”一體化水文精準測報體系、短中長期無縫銜接的水文科學預報體系，以及支撐水利和經濟社會高質量發(fā)展的水文精細服務體系、高水平自立自強的水文科技創(chuàng)新體系、科學高效和規(guī)范有序的水文行業(yè)管理體系，全力推進現代化雨水情監(jiān)測預報體系和能力建設，為推動水利高質量發(fā)展、保障我國水安全提供堅實水文支撐。

Abstract: Focusing on the construction application of a modern rainfall and water regime monitoring and forecasting system, this paper briefly summarizes the construction status and technical advancements of China’s “three lines of defense” for rainfall and water regime monitoring and forecasting. It introduces typical cases at the central government, basin, and provincial levels to promote the coupling and integration of these “three lines of defense”. Aiming at current issues such as insufficient coupling and integration between monitoring and forecasting, and unbalanced development of hardware and software technologies, the paper identifies key points to address in the coupling and integration of the “three lines of defense”, including data fusion and sharing, model coupling and collaboration, integration of monitoring and forecasting, uncertainty and risk management, technical support and intelligence, and early warning linkage and response mechanisms. It explores the establishment of a technical system for coupling and integrating the “three lines of defense” composed of monitoring and sensing, model forecasting, early warning response, and basic support technologies, as well as an integrated monitoring and forecasting business model of “space-sky-ground-water-engineering” providing decision-making references for accelerating the construction of a modern rainfall and water regime monitoring and forecasting system and strong hydrological support for promoting high-quality water conservancy development and ensuring China’s water security.

Keywords: precipitation monitoring and flood forecasting; three lines of defense; coupling and integration; core points; technical system

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責編｜王慧

校對劉磊寧

審核軒瑋

監(jiān)制趙洪濤

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