我国科学家利用手机信号微波大数据监测降雨等环境要素取得新进展

  近年来，全球气候平均状态随时间的变化异常，极端水文气象事件频繁发生并不断加剧，城市内涝、山洪滑坡等自然灾害，对经济社会持续健康发展和人民群众生命财产安全造成重大威胁，防洪减灾面临新挑战。针对新时期挑战，研发了局地气象高分辨率微波探测仪，建立了微波大数据驱动的降雨密集监测技术，探索出降雨精细化监测新途径。研究成果发表在《Atmospheric Research》等国内外著名期刊，申请与授权35件发明专利，PCT专利4件，主编水利团体标准1项，入选2022年水利先进实用技术推广目录，形成了自主核心技术。2022年10月，成果得到前国家防总秘书长、应急管理部副部长、水利部副部长周学文的重点批示，指出要逐步加强该技术的示范和应用，不断探索和发展。牵头编写的相关建议入选国家“十四五”重点研发专项和国家自然科学基金重点项目指南。

  电磁波在大气传输过程中，除了自由空间损耗外，还会受到降雨、水汽、空气、降雪等介质的衰减效应，造成电磁波能量损耗，其中降雨的衰减效应尤为显著。降雨造成的信号衰减（雨致衰减）与降雨强度之间有着密切关系。基于微波大数据驱动的降雨密集监测技术，是利用大气中的雨致衰减信号与降雨强度之间的关系，反演得出微波链路网络覆盖范围内的降水强度分布。

  利用该原理，研究团队充分挖掘国内外微波链路数据潜力，开展微波信号雨衰特征反演和可变尺度的空间离散插值方法研究，成功获取了空间二维降雨场。根据结果得出，微波链路能够非常灵敏地感知到降雨事件的起始点，并成功捕捉到各场次降雨的暴雨中心及降雨空间分布不均匀特征。以雷达监测降雨获得的二维雨量场为参照，微波反演得到的雨量场与雷达的相关性系数均高于0.9，平均绝对误差最小为0.10 mm/h，有效提升了传统雨量场的时空分辨精度。

  研究团队通过建立微波衰变的特征响应指纹数据库、混叠信号反卷积分离算法、有限地面站资料条件下城市降雨反演的实时校正算法等，最终搭建了基于空间网格化管理的无线微波降雨监测信息管理平台，并在南昌市、南京市、江阴市等典型区镇进行了示范应用，探索出一条解决高时空分辨率降雨精细化监测与城市内涝预警的全新途径。

  研究团队与以色列特拉维夫大学著名通信学家Hagit Messer会士等国际学者建立了广泛、深入的合作，积累了以色列、荷兰、法国、瑞典等4个国家数万组无线微波链路秒级数据及自动气象站数据，为研发技术及换代升级打下了坚实的数据基础。

  “十三五”期间，杨涛团队已在东南亚、南亚等13个“一带一路”国家与地区开展了防洪抗旱减灾的技术服务实践，奠定了良好的工作基础，微波监测预警新技术为“一带一路”国家的自然灾害与公共安全管理，提供了重要中国方案，将会发挥积极、重要的作用。

  微波监测可实现降水、湿度等近地面气象要素微小突变探测，与自动气象站相比，有效空间分辨率精细可提高到100米，最短探测频次提高到10秒钟/次，对短历时超标准暴雨监测预警有很高的应用价值。微波监测可有效填补多功能自动气象站5公里以下的探测空白，克服天气雷达精密与精准度不足难题，破解局部重大气象灾害探测预警的科技瓶颈。目前，研究团队在微波测雨技术基础上，进一步拓展模型算法，在对空气中水分含量、冰雹、沙尘暴等环境要素的反演和密集监测方面，也取得可喜成果。

  研究团队依托水灾害防御全国重点实验室、洪涝灾害风险预警与防控应急管理部重点实验室等优势平台，与中国气象局、应急管理部国家自然灾害防治研究院、中国水利水电科学研究院、水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院、清华大学、四川大学等单位建立了长期稳定的合作伙伴关系，充分的发挥各自优势，逐步推动基于微波大数据驱动的密集监测技术在气象、水利、水务、应急等行业的智慧应用推广。

  研究团队下一步计划扩大示范应用场景范围，深入研究不同天气影响下无线微波的时空衰减机理，探索野外天然和室内人工相结合的无线微波衰减观测实验方法，以最低经济社会成本实现水文气象环境要素密集获取与精准分析，并将创新成果拓展至能源、交通、农业、环境、市政等行业。

  “二十大”报告说明，要健全国家安全体系，这中间还包括提高公共安全治理水平，坚持安全第一、预防为主，完善公共安全体系，提高防灾减灾救灾和急难险重突发公共事件处置保障能力。在全球变化背景下，暴雨、洪水、干旱、内涝与滑坡等重大自然灾害频繁发生，发展无线微波监测预警技术，充分的利用我国丰富的无线基站资源，革新传统探测预警手段，实现低成本、精细化、无人值守式天气监测，对逐步推动平安中国与智慧社会建设具备极其重大意义。

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