“三道防线”是以流域为单元，由气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情立体化监测预报体系。其中，气象卫星和测雨雷达系统是第一道防线，通过遥测“云中雨”估算地面降雨；雨量站网是第二道防线，利用固定体积换算等方法监测“落地雨”；水文站网是第三道防线，用于观测江河、湖泊、水库的水位、流量变化。

“三道防线”以保护对象所处流域为对象，以支撑洪水防御为目的。各道防线间互为补充、层层递进，共同构成雨水情监测的完整体系。其中，气象卫星和测雨雷达从上部或侧面遥测降雨，可提供大范围、全局性、高分辨率“空中雨”信息，但与地面真实降雨存在差异；雨量计可以提供准确的地面降雨信息，对气象卫星和测雨雷达监测结果进行订正，但受数量限制存在空间代表性不足的问题。前两道防线共同构成“天空地”立体化降雨监测体系，为基于暴雨临界阈值和洪水模型的洪水预警模式准备了基本数据。第三道防线基于水文站网对关键河道断面水位、流量进行实时监测，可通过洪水实况告警或洪水演进模拟为下游地区提供水情信息，具有兜底作用。

“三道防线”是水利感知体系的重要组成，是水文现代化的主要内容，也是数字孪生水利建设的基础支撑。构建“三道防线”的意义重大：一是对人民至上、生命至上理念的生动实践。“三道防线”建设通过构建雨水情立体化监测预警体系，有利于强化水文专业“尖兵”“耳目”“参谋”的作用，对减少洪灾损失、保障人民生命财产安全意义重大；二是有效应对变化环境的客观要求。全球气候变化和持续城市化背景下，洪水灾害表现出新特点、新规律，传统监测体系已经难以满足新时期洪水防御的要求。加快构建雨水情监测“三道防线”，强化水文监测预警能力，将在防灾、减灾、救灾各个环节发挥重要作用。

空间变异性是城市降雨的显著特点，降雨数据空间分辨率不足是制约城市洪水预报准确度的重要因素。国外学者VINCENZA等人曾以意大利的一个城市流域为例，分析了降雨空间分辨率对城市洪水模拟的影响。结果表明，随着雨量计数量增加，城市洪水模拟的准确性显著提高。为满足城市洪水模拟精度要求，每1.7km2需要有一个雨量计。根据2021年《中国城市统计年鉴》，我国建成区面积已经超过6万km2，而水利系统水文部门目前仅有5.3万处雨量计。假设有一半以上（3万处）均匀分布在建成区，每2km2的面积仍不足一个雨量计。“三道防线”建设将在提高雨量计布设密度的同时有力促进气象卫星和测雨雷达在水文领域的应用，推动实现高分辨率降雨监测全域覆盖，提升城市洪水预报水平。

降雨预报时限是决定洪水预见期的关键因素。基于传统雨量计的点降雨观测虽然精确但难以反映降雨的空间分布，无法在空间上推演未来降雨变化。“三道防线”建设将进一步强化气象卫星和测雨雷达在水利领域的应用，获得诸如卫星影像、气象雷达回波图等大量连续的遥感影像数据，使时空序列分析、云团运动矢量求解、降雨场外推预测成为可能。一般而言，降雨预报时限和遥感观测方法、观测尺度、观测时空分辨率等因素有关。利用气象卫星观测可进行3小时以内的降雨临近预报，利用测雨雷达观测可进行2小时以内的降雨临近预报。湖南省试点区已将测雨雷达临近预报技术接入洪水预报系统，并在圭塘河流域开展了多次洪水预警应用，实现了精准预报和延长预见期的双重目标。

洪水预报技术是根据洪水形成和运动规律，利用水文气象资料对未来洪水情势进行预测的技术。预报内容一般包括洪峰流量、峰现时间和洪水总量。“三道防线”建设将进一步丰富水文气象观测数据，增加洪水预报方法的选择。一方面，可基于“降雨-产流-汇流-演进”链条推演，预测洪水情势变化。其中，降雨数据可以来源于雨量计、测雨雷达和气象卫星的实时观测，也可以是卫星和雷达的临近预测；另一方面，可基于水文站网观测进行洪水实况告警，或通过洪水演进计算为下游洪水防御提供信息。

城市集水区汇流面积小、汇流时间短，精确的降雨时空估计对城市暴雨洪水模拟十分重要。“三道防线”提供了雨量计、测雨雷达和气象卫星三种降雨数据获取来源，然而单一来源的降雨数据都存在不确定性大的问题。为此，国内外科研人员提出了多源降雨数据融合技术，通过客观分析、尺度递归估计、贝叶斯模型平均等方法将不同来源的降雨数据融合起来，实现比“单传感器”更准确的判断。2023年，孙健等人将多源降雨融合技术应用于城市小流域洪水预报，显著提高了洪水预报的准确性。相较于单一雨量计数据，采用融合降雨数据后河道径流模拟的纳什系数平均提高0.05以上，相关性系数提高0.06。但是，目前多源降雨融合技术依然存在一些问题，例如，（1）降雨产品种类众多，其精度有着明显的区域性。不同区域下降雨产品的选择方案需要系统梳理和分析；（2）多源降雨数据融合的效果受制于雨量计观测质量。如何在不利气象条件下确保雨量计观测的准确性，获得准确的降雨融合数据仍是一个需要回答的问题。由此可见，在“三道防线”建设背景下，多源降雨数据融合技术可以有效提高城市洪水预报的准确性，但依然需要在实践中进一步发展和完善。

高分辨降雨数据只有应用于精细化城市雨洪模型才能发挥更大的价值。随着对城市产汇流机理认识的不断深化以及相关算法的持续发展，各类城市雨洪模型大量涌现，可基本满足宏观分析的需要。但城市雨洪精细化模拟技术依然存在许多尚未解决的问题，例如，（1）下垫面网格单元划分的问题。城市下垫面地表覆盖类型多样，呈现为破碎的斑块状分布，有着显著的空间异质性。城市雨洪模型如何才能在满足模拟效率要求的同时做到足够精细，准确描述降雨的产流过程和汇流路径；（2）关键对象的模型表征问题。如城市雨洪模型构建中立体交通如何刻画、地下空间如何考虑、闸泵调控如何描述等。这些模拟对象对城市产汇流过程有较大的影响，不同概化方式可能导致显著的模拟差异。

城市洪水模型结构复杂、参数众多，存在大量的不确定因素。基于历史观测数据率定得到的洪水模型未必适用于未来所有的情景，某一降雨条件下可能出现较大的模拟误差。数据同化技术可以把新的观测资料不断添加至预测模型，矫正模型参数和状态变量，从而提高模型预报的准确性。过去的十年里，河道径流数据同化技术受到越来越多的关注。刘永伟等人曾在淮河上游将径流数据同化技术应用于洪水模拟，证明了径流数据同化技术对模型参数的优化能力，对提高洪水预报准确度的有效性。