多普勒天气雷达估测降水及雨洪应用研究进展
陈垚森 1，任启伟 2，徐会军 3
【摘 要】多普勒天气雷达具有测量范围广、时空分辨率高等优点，可获得大面积定量降水数据，具有较好的时空代表性。基于国内外多普勒天气雷达数据资料的应用研究成果，从雷达数据质量控制、联合雨量计校正、耦合天气雷达的应用等方面，对应用研究进展与最新动态进行综述。结果表明，虽然当前雷达探测降雨的精度仍较低，应用深度也不够，但是随着应用研究的深入，雷达将不断实现其具有的强大优势。 【期刊名称】水利信息化 【年(卷),期】2012(000)004 【总页数】8
【关键词】多普勒天气雷达；雷达估测降水；雨洪；数据质量控制；联合雨量计校正；雷达耦合应用
0 引言
定量估测降水一直是天气雷达应用的主要目标之一。从第二次世界大战后雷达技术开始在气象部门应用，至今已有 60 多年的历史了，随着应用研究的广泛开展，雷达估测降水发展非常迅速。1959 年Battan [1] 首次提出雷达气象学概念，并对那一时期雷达气象学的研究进展和成果作了概述。由此，多普勒天气雷达作为一种重要的技术手段逐步发展成为专门学科。在天气雷达应用研究的早期，就发现雷达估测降水的潜力，并对联合雨量计的多普勒天气雷达定量估测降水进行了大量研究 [2]。同时，在雷达数据质量控制及耦合水文模型应用方面均取得较好研究成果。
随着多参数雷达的迅速发展，利用双波长和双极化雷达提供的衰减、差分反射率因子等信息估算降水，以及用双极化多普勒雷达的差分相移提供的信息估算降水，乃至用机载或者星载雷达探测降水等工作，也相继开展起来。总之，随着雷达估测降水技术不断进步，应用研究不断深入，雷达估测降水的应用价值将得到不断提升。本文着重从雷达数据联合雨量计的校正，雷达数据质量控制中的回波衰减、波束阻挡、地物杂波、反射率垂直方向的变化 4 种控制方法，以及耦合水文的雷达测雨应用等方面，对国内外相关研究进展进行综述。
1 雷达数据质量控制研究
天气雷达可以探测大范围降水，探测精度主要受雷达系统参数、云雨衰减、大气折射等因素影响。测量误差是多普勒雷达的重要误差来源，因此对测量数据进行质量控制是提高多普勒雷达降水定量估算的重要途径。
2000年Harrison [3] 对雷达误差进行了详细分析，提出雷达误差来源包括如下因素：1）雷达标定与硬件稳定误差；2）地物回波及异常传播（超折射）；3）回波阻挡；4）波束衰减；5）滴谱分布假定误差；6）反射率因子在垂直方向的变化（Vertical profile of reflectivity，VPR）；7）波束充塞。本文对雷达回波阻挡、回波衰减、地物杂波、反射率因子在垂直方向上的变化等 4 种因素的相关应用研究进展简要概述。 1.1 雷达回波衰减
雷达接收的电磁波随降水强弱、探测距离远近呈现不同程度的衰减，主要原因是当电磁波投射到大气中的气体分子或液态、固态的云和降水粒子上时，有一部分能量被该粒子吸收，变成热能或转化成其它形式的能量；另一部分能量被粒子散射，削弱了原来入射方向的电磁波能量 [4]。因此，雷达回波衰减，就是
大气粒子对电磁波吸收和散射 2 种作用的总和。然而，影响降水粒子对雷达回波衰减的因素有很多，各种因素彼此之间的关系也非常复杂。
张培昌等 [4] 在 20 世纪 90 年代中期研究总结指出，影响雷达回波衰减的因素，除电磁波波长外，还包括大气环境中雨滴的滴谱、相态、湿度、温度、气压等诸多因素。
雷达测量降水的衰减问题研究可回溯到 1954年，当时 Hitschfeld 等 [5] 根据衰减系数 k 和雷达反射率因子 Z 之间的关系，提出衰减订正的解析解。此后，国内外先后研究出多种衰减订正方法，如在国内，吕达人等 [6] 在 1980 年提出用工作在同一波段的地基雷达和辐射计进行同方向的联合遥感，利用微波辐射计测得的较为稳定的路径总衰减（PIA）对起伏较大的雷达资料进行衰减总量控制。到 1993年，刘锦丽等 [7] 根据这一方法所作的试验表明，利用微波辐射计的资料对雷达进行订正后，比仅用雷达效果明显改善；但雷达回波垂直结构的不均匀性表明，该方案仍存在原理上的局限性，有待进一步改进。而在国外，Winman 等 [8] 于 1990 年利用机载雷达和微波辐射计，对一次降水进行垂直方向的联合探测，亦得到较好效果。进入 21 世纪之后，赵小艳 [9] 提出基于 H-B 算法的 k-Z 关系衰减订正法，得出这种订正算法在雷达回波强度不大时具有很好订正效果的结论。 1.2 波束阻挡校正
天气雷达的低层探测仰角资料为定量测量降水提供了最有用的信息，但在山区往往由于部分或完全的波束阻挡而限制了对低仰角探测资料的利用，导致雷达探测降水的精度降低。雷达周围的地形所造成的波束阻挡，增加了降水监测估算的困难，也降低了雷达估测降水的精度。为了最大限度地减少山区地形对雷
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