[科普中国]-雷达测量降水

雷达测量降水就是根据气象雷达回波强度推算降水强度和降水量。它具有能够大面积遥测的优点。测量方法主要有两种。其技术正走向实用阶段。

简介根据气象雷达回波强度推算降水强度和降水量。它具有能够大面积遥测的优点（见天气雷达）。测量方法主要有两种：①利用雷达反射因子Z（见气象雷达方程）和降水强度I 的关系测雨强；②利用雨使雷达波衰减的效应（见云和降水中的微波衰减）和降水强度I 的关系测雨强。

方法第一种方法,根据气象雷达方程,平均回波功率圶r和Z成正比，Z 和降水粒子谱有关，而降水粒子谱又和I有关，因此Z和I有关。理论分析和观测统计等方法都得出Z=AIb的关系，其中A、b的数值同降水粒子谱的分布和降水粒子的落速有关，所以Z-I 关系因降水的类型、发展阶段和所在地理位置的不同而不同。对雨来说，大多数情况下A为30～600，b为1～2，通常取Z=200I1.6；对雪来说,一般取Z=2000I2。由雷达测量出Z分布之后,便可通过Z-I关系计算出I的分布。

由于雷达参数的标定误差、回波强度的测量误差、Z-I关系的不确定性、Z 和I取样的空间、时间的不一致性、地物回波的干扰以及雷达波的衰减等影响，早期雷达测量降水区内各点的雨强精度并不高。研究表明，当所有因子采用极端情况，其最小可能误差还有20%。而当选择不明显衰减的雷达波（如波长为10厘米），并按不同降水类型采用适当的Z-I 关系，再用标准雨量计加以校准，则测量的精度可显著提高。对回波强度进行时空平均测量某区域某时段内大面积的降水量，效果比较好，单点测量的效果较差。有人曾进行了对比：用10厘米雷达测量降水，经雨量器校正后，单点每小时降雨量的平均相对误差为37%，而在相同情况下,400平方公里面积的降雨量，误差则为13%。

第二种方法，出现于60年代初期。它利用雷达波的衰减系数α和降水强度I的关系α=kId 测量降水,其中k和d是温度和波长的函数。具体方法有两种:①用衰减波长的雷达，观测降水区远端的一个或多个已知散射截面标准目标的回波强度计算这些回波强度同无降水时所测得的回波强度的差,即可求出I。②用双波长雷达（发射衰减程度不同的两种电磁波的雷达）沿同一路径观测降水区，比较这两种波长的回波功率，即可求出I。

利用雷达波衰减效应测量降水的精度比较高，例如用 0.86厘米雷达，按标准目标法所得I的平均误差小于10%。但此法得到的是某一路径上的平均雨强，被测路径的范围受最大可测雨强所限制。

利用反射因子测量降水，虽然精度较低，但适用范围比较广，又比较简便，因此被广泛采用。1

实用随着雷达数据处理和传输技术的发展，雷达测量降水正走向实用阶段，人们已能实时地获得区域降水量资料。特别是把雷达定量测量降水的资料同气象卫星探测资料和常规气象观测资料相结合，可以进行暴雨监视和短时间的降水预报，这样，气象雷达就成为洪水预报和流量预报的工具（见水文气象学）。但是，雷达测量降雪的误差很大，还有待进一步研究。

提高雷达测量降雨精度的几个可行方法研究背景降雨量的多少不仅直接影响到工农业生产、交通运输、林业、生态、环境等，也不同程度地影响人类的生活。人类的出行和户外活动很大程度地受到降水事件的左右，降雨过量或过少引起的洪涝或干旱，甚至危及人民的生命财产安全。所以，对降雨的观测、预报不仅是人们日常关心的事务，也是气象部门的重要业务之一。对降水的观测和测量主要采用的仪器设备是地面雨量计和天气雷达。地面雨量计的单价低廉、容易维护、测量精度高，但只能测量局地的降雨情况，空间代表性差；天气雷达能够测量大范围的降雨情况，但雷达系统的成本高、维护困难，且测量精度受多种因素的影响，准确性较差。一部天气雷达系统，能够测量约十万平方公里的区域降水情况，而一个雨量计仅能反映几平方公里至数十平方公里的降雨情况。要进行大范围的降雨测量，利用天气雷达，反而比使用成千上万个雨量计更经济、更方便。所以说，天气雷达是测量区域降水的最有效工具，被气象业务部门广泛采用。但测量精度低是天气雷达的固有特点，如何采取有效的方法，提高天气雷达测量降雨的精度，是值得深入研究的课题，具有非常重要的现实意义。研究根据天气雷达的测量特点，参考国内外的研究成果，从不同雨型及冰雹、降雨垂直分布不均匀及零度层亮带、电磁波异常传播及地物杂波等几个主要方面进行探讨，以便有效地提高天气雷达的测雨精度。

至于其它问题如双线偏振Doppler雷达对测雨精度的改进、衰减订正问题(张培昌2001)等，由于大陆的气象业务雷达属于S-波段和C-波段Doppler雷达，没有偏振功能，且S-波段和C-波段，衰减并不严重，故不作这方面的描述。

不同雨型及冰雹的判别在推导雨强I和雷达反射率因子Z的关系式时，隐含了雨滴的数密度N(D)和雨滴的直径D等和降雨密切相关的参数。观测表明，不同的雨型，N(D)是不同的，说明了式中的系数a、b与降雨类型的密切关系。

针对降雨的类型，通常划分为均匀性降雨(层状云降雨)、对流性降雨(积状云降雨)以及这两种类型共存的混合型降雨。进行降雨类型的判别，选择合适的系数a和b，可以更准确地测出降雨强度I。

进行雨型分类的基本方法是基于层状云、积状云降雨的各自特点，前者比较均匀、雷达回波强度较小、空间范围大、发展高度较低、持续时间较长。在许多情况下，层状云降水回波中会出现以雷达站为中心的环状或弧状增强回波带，称为“零度层亮带”。零度层亮带总是在大气温度为零度附近的高度层，这是因为来自更高层的冰雪融化引起的复折射指数变化等原因造成的，它是稳定的层状云降雨的重要特征之一。

对流性降雨在时间和空间上呈现明显的不均匀性或跃变性、雷达回波强度较大(35dBZ以上)、发展高度可达到8公里以上、雷达回波呈小块状分布等，水平空间梯度较大。对流性降雨中可能会出现冰雹，冰雹因为直径大，其回波特别强，可以达到5dBZ以上，但其降水强度不一定很大，需要加以判别和订正。美国WSR-88D雷达系统中提供了一种以回波强度和回波发展高度(温度)为参考的冰雹识别算法，成功率比较高。大陆的新一代天气雷达CNIRAD系统中也集成了同样的冰雹识别算法，但为了应用到降水测量中，需要将此识别算法提取出来，并进行一定的修改后，嵌人到降水测量程序中。但对于强冰雹产生的三体散射(Three-Body段回波，虽然容易进行主观识别，但要用利用计算机进行客观识别，尚有难度。

根据层状云降雨、积状云降雨和冰雹等的回波特性，利用计算机对雷达体扫资料进行实时判别，分析出某一时段内、雷达测量场中每一格点上的降雨类型。对于零度层亮带和冰雹造成的增强回波，在进行自动识别后，可以采用邻近回波替代，进而利用相应的Z-I关系计算出降雨强度I。

利用双线偏振雷达，可以在一定的假设基础上得到雨滴谱参数，理论上可以得到更准确的测量效果。此外，对于大雨滴的非球形散射问题，利用偏振雷达也可以有效地识别，进而采取订正措施。考虑到气象业务雷达CINRAD并不具有这样的功能，所以研究不作这方面的讨论。

研究结论降水测量是天气雷达的一个重要应用，但由于众多难以克服的原因，与地面雨量计相比，雷达的测量结果还有较大的误差，为了减少这种误差，提高雷达测量的准确性，研究从雨型判别、冰雹识别及订正、雷达反射率因子廓线订正、地物回波识别及超折射回波等方面加以预处理，最终进行雨量计订正。通过这一系列处理过程，有效地保证了雷达测量的可信度。雷达测量误差，可以控制到40%以下，基本能够满足业务需要。

随着多参数雷达的出现和其它遥感设备的联合应用，如微波辐射计、闪电定位仪、GPS等，雷达测量降雨的精度会逐步提高。2

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学