雷達測量降水就是根據氣象雷達回波強度推算降水強度和降水量。它具有能夠大面積遙測的優點。測量方法主要有兩種。其技術正走向實用階段。
基本介紹
- 中文名：雷達測量降水
- 外文名：Radar measurement of precipitation
- 簡述：根據氣象雷達回波強度推算降水量
- 套用：天氣預報
- 學科：大氣學
簡介,方法,實用,提高雷達測量降雨精度的幾個可行方法,研究背景,不同雨型及冰雹的判別,研究結論,
簡介
根據氣象雷達回波強度推算降水強度和降水量。它具有能夠大面積遙測的優點（見天氣雷達）。測量方法主要有兩種：①利用雷達反射因子Z（見氣象雷達方程）和降水強度I 的關係測雨強；②利用雨使雷達波衰減的效應（見雲和降水中的微波衰減）和降水強度I 的關係測雨強。
方法
第一種方法,根據氣象雷達方程,平均回波功率圶r和Z成正比，Z 和降水粒子譜有關，而降水粒子譜又和I有關，因此Z和I有關。理論分析和觀測統計等方法都得出Z=AIb的關係，其中A、b的數值同降水粒子譜的分布和降水粒子的落速有關，所以Z-I 關係因降水的類型、發展階段和所在地理位置的不同而不同。對雨來說，大多數情況下A為30～600，b為1～2，通常取Z=200I1.6；對雪來說,一般取Z=2000I2。由雷達測量出Z分布之後,便可通過Z-I關係計算出I的分布。
由於雷達參數的標定誤差、回波強度的測量誤差、Z-I關係的不確定性、Z 和I取樣的空間、時間的不一致性、地物回波的干擾以及雷達波的衰減等影響，早期雷達測量降水區內各點的雨強精度並不高。研究表明，當所有因子採用極端情況，其最小可能誤差還有20%。而當選擇不明顯衰減的雷達波（如波長為10厘米），並按不同降水類型採用適當的Z-I 關係，再用標準雨量計加以校準，則測量的精度可顯著提高。對回波強度進行時空平均測量某區域某時段內大面積的降水量，效果比較好，單點測量的效果較差。有人曾進行了對比：用10厘米雷達測量降水，經雨量器校正後，單點每小時降雨量的平均相對誤差為37%，而在相同情況下,400平方公裡面積的降雨量，誤差則為13%。
第二種方法，出現於60年代初期。它利用雷達波的衰減係數α和降水強度I的關係α=kId 測量降水,其中k和d是溫度和波長的函式。具體方法有兩種:①用衰減波長的雷達，觀測降水區遠端的一個或多個已知散射截面標準目標的回波強度計算這些回波強度同無降水時所測得的回波強度的差,即可求出I。②用雙波長雷達（發射衰減程度不同的兩種電磁波的雷達）沿同一路徑觀測降水區，比較這兩種波長的回波功率，即可求出I。
利用雷達波衰減效應測量降水的精度比較高，例如用 0.86厘米雷達，按標準目標法所得I的平均誤差小於10%。但此法得到的是某一路徑上的平均雨強，被測路徑的範圍受最大可測雨強所限制。
利用反射因子測量降水，雖然精度較低，但適用範圍比較廣，又比較簡便，因此被廣泛採用。
實用
隨著雷達數據處理和傳輸技術的發展，雷達測量降水正走向實用階段，人們已能實時地獲得區域降水量資料。特別是把雷達定量測量降水的資料同氣象衛星探測資料和常規氣象觀測資料相結合，可以進行暴雨監視和短時間的降水預報，這樣，氣象雷達就成為洪水預報和流量預報的工具（見水文氣象學）。但是，雷達測量降雪的誤差很大，還有待進一步研究。
提高雷達測量降雨精度的幾個可行方法
研究背景
降雨量的多少不僅直接影響到工農業生產、交通運輸、林業、生態、環境等，也不同程度地影響人類的生活。人類的出行和戶外活動很大程度地受到降水事件的左右，降雨過量或過少引起的洪澇或乾旱，甚至危及人民的生命財產安全。所以，對降雨的觀測、預報不僅是人們日常關心的事務，也是氣象部門的重要業務之一。對降水的觀測和測量主要採用的儀器設備是地面雨量計和天氣雷達。地面雨量計的單價低廉、容易維護、測量精度高，但只能測量局地的降雨情況，空間代表性差；天氣雷達能夠測量大範圍的降雨情況，但雷達系統的成本高、維護困難，且測量精度受多種因素的影響，準確性較差。一部天氣雷達系統，能夠測量約十萬平方公里的區域降水情況，而一個雨量計僅能反映幾平方公里至數十平方公里的降雨情況。要進行大範圍的降雨測量，利用天氣雷達，反而比使用成千上萬個雨量計更經濟、更方便。所以說，天氣雷達是測量區域降水的最有效工具，被氣象業務部門廣泛採用。但測量精度低是天氣雷達的固有特點，如何採取有效的方法，提高天氣雷達測量降雨的精度，是值得深入研究的課題，具有非常重要的現實意義。研究根據天氣雷達的測量特點，參考國內外的研究成果，從不同雨型及冰雹、降雨垂直分布不均勻及零度層亮帶、電磁波異常傳播及地物雜波等幾個主要方面進行探討，以便有效地提高天氣雷達的測雨精度。
至於其它問題如雙線偏振Doppler雷達對測雨精度的改進、衰減訂正問題(張培昌2001)等，由於大陸的氣象業務雷達屬於S-波段和C-波段Doppler雷達，沒有偏振功能，且S-波段和C-波段，衰減並不嚴重，故不作這方面的描述。
不同雨型及冰雹的判別
在推導雨強I和雷達反射率因子Z的關係式時，隱含了雨滴的數密度N(D)和雨滴的直徑D等和降雨密切相關的參數。觀測表明，不同的雨型，N(D)是不同的，說明了式中的係數a、b與降雨類型的密切關係。
針對降雨的類型，通常劃分為均勻性降雨(層狀雲降雨)、對流性降雨(積狀雲降雨)以及這兩種類型共存的混合型降雨。進行降雨類型的判別，選擇合適的係數a和b，可以更準確地測出降雨強度I。
進行雨型分類的基本方法是基於層狀雲、積狀雲降雨的各自特點，前者比較均勻、雷達回波強度較小、空間範圍大、發展高度較低、持續時間較長。在許多情況下，層狀雲降水回波中會出現以雷達站為中心的環狀或弧狀增強回波帶，稱為“零度層亮帶”。零度層亮帶總是在大氣溫度為零度附近的高度層，這是因為來自更高層的冰雪融化引起的復折射指數變化等原因造成的，它是穩定的層狀雲降雨的重要特徵之一。
對流性降雨在時間和空間上呈現明顯的不均勻性或躍變性、雷達回波強度較大(35dBZ以上)、發展高度可達到8公里以上、雷達回波呈小塊狀分布等，水平空間梯度較大。對流性降雨中可能會出現冰雹，冰雹因為直徑大，其回波特彆強，可以達到5dBZ以上，但其降水強度不一定很大，需要加以判別和訂正。美國WSR-88D雷達系統中提供了一種以回波強度和回波發展高度(溫度)為參考的冰雹識別算法，成功率比較高。大陸的新一代天氣雷達CNIRAD系統中也集成了同樣的冰雹識別算法，但為了套用到降水測量中，需要將此識別算法提取出來，並進行一定的修改後，嵌人到降水測量程式中。但對於強冰雹產生的三體散射(Three-Body段回波，雖然容易進行主觀識別，但要用利用計算機進行客觀識別，尚有難度。
根據層狀雲降雨、積狀雲降雨和冰雹等的回波特性，利用計算機對雷達體掃資料進行實時判別，分析出某一時段內、雷達測量場中每一格點上的降雨類型。對於零度層亮帶和冰雹造成的增強回波，在進行自動識別後，可以採用鄰近回波替代，進而利用相應的Z-I關係計算出降雨強度I。
利用雙線偏振雷達，可以在一定的假設基礎上得到雨滴譜參數，理論上可以得到更準確的測量效果。此外，對於大雨滴的非球形散射問題，利用偏振雷達也可以有效地識別，進而採取訂正措施。考慮到氣象業務雷達CINRAD並不具有這樣的功能，所以研究不作這方面的討論。
研究結論
降水測量是天氣雷達的一個重要套用，但由於眾多難以克服的原因，與地面雨量計相比，雷達的測量結果還有較大的誤差，為了減少這種誤差，提高雷達測量的準確性，研究從雨型判別、冰雹識別及訂正、雷達反射率因子廓線訂正、地物回波識別及超折射回波等方面加以預處理，最終進行雨量計訂正。通過這一系列處理過程，有效地保證了雷達測量的可信度。雷達測量誤差，可以控制到40%以下，基本能夠滿足業務需要。
