雷达估测降水的研究如果从20世纪40年代末(1948年)算起,已经有60多年了,许多科学家赋予了很大的努力。对于水文应用,现代雷达系统的校正受到了重视,雷达校正的概念包括地杂波的消除,回波强度在垂直方向的廓线订正。欧洲国家雷达系统的参数在正常的业务运行期间有非常好的稳定性,偏差在0.2dBz,即降雨强度的3%以内,因此维护良好的雷达引起的误差和由天气过程差别引起的变化[诸如强度在垂直方向的变化,不均匀的波束充塞,Z—R(反射率因子—雨强)关系的不同和雷达回波的衰减等]相比较已经达到可以忽略的程度。

在雷达可靠稳定运行的情况下,雨量计测量降水的标准偏差比较小,即代表性较好,用雨量计调整雷达降水会得到较好的结果。但是由于降水在时间和空间上的变化会明显降低雨量计的代表性,因此目前许多国家仍然在努力寻求利用地面雨量计值调整雷达降水的优化方法。

在月降水量估测中雷达和雨量计的测量比较一致,但是由于雷达波束的截断和扩展,偶尔也有明显的差别。

欧洲国家得到的结论,当雷达探测距离超过100km 时,由于地球曲率和雷达波束不完全充塞的原因,雷达回波的强度会有显著降低,因此会低估地面的降水。在近距离处,由于亮带(融化带,在0℃层以下200～300m)的存在会导致显著的过高估计降水量,通过订正,定量估测降水会有明显的改善。

表11-1说明了欧洲各个国家估测降水精度(或偏差)的情况。

由于雨滴为非球形,在20世纪70年代美国Seliga和Bringi(1976年)提出了偏振技术估测降水,他们提出差分反射率ZDR 和水平反射率ZH 估测降水。在20世纪80年代,Sachidanada和Zrnic基于水平和垂直偏振波在雨区中双程传输的相位变化ΦDP 随距离增加而增加的事实,提出利用比差分相位移KDP 估测降水,它比目前应用ZH 估测雨强有更好的精度(如图11-1所示)。(www.daowen.com)

在国内,长期以来很多气象科学家(比较著名的有南京气象学院的张培昌教授、戴铁丕老师和南京大学的葛文忠教授)以及气象(如武汉市气象局)和水文部门也在不断研究雷达定量测量降水,主要还是依靠雨量计调整雷达测雨精度。最早投入业务使用的是Z—I 关系法,即根据雷达气象方程,由天气雷达测得的回波功率算出雷达反射率因子Z 值,然后通过Z—I关系,利用已知的Z 值求出I 值。但是实际工作中的Z—I 关系很难确定,它随时间、空间以及降水类型而发生改变。20世纪80年代后期研究者们先后用平均法和空间校准法校准雷达测量降水。这些方法虽然比较简单,尽管还存在不少缺陷,如平均法校准可能平滑掉降水中心,而空间校准法则要求在同一格点上雷达和雨量计值必须同时存在,否则无法校准,但它们在一定程度提高了雷达测雨精度。1992 年张培昌和戴铁丕提出用最优化方法求Z—I关系,其原理是利用实测得到的雷达和雨量计资料通过一个判别函数确定一个最佳的Z—I关系。研究表明,最优化方法在区域降水量测定中的精度与选取的区域有关,例如,选定一个大区域建立的最优Z—I 关系,对这个大区域来说是最优的,但对于这个小区域来说,未必最优,还有一个问题就是该方法需要每次观测时都有较多的资料配对,否则无法建立最优Z—I关系。同年葛文忠教授、张培昌教授对变分法进行了研究,结果表明变分方法在雨量计分布比较均匀的时候可以比较有效的提高校正精度。由于雷达测量降水的精度受到多方面因素的影响,而且雨量计的测量本身也可能存在问题,因此到目前为止,已经研究的方法对提高雷达的测量降水精度都是比较有限的。另外现在一些研究工作者也在进行双偏振雷达测雨的研究,国内一些单位也开始生产双偏振多普勒雷达,但由于这一技术才刚刚起步,还需要不断改进硬件技术以及不断深入的研究。总的来说,国内的关于雷达定量降水的研究主要还是在算法上,即利用最新的数理方法设计好的算法,通过雨量计调整雷达降水。不过由于现有的观测设备限制,往往无法得到比较好的资料进行算法验证,现在国家加大对气象和水利部门的投入,进行基础设施建设,最近引进了美国最先进的WSR-88D 多普勒天气雷达在全国建多普勒雷达网,因此将来的研究中我们可以得到最新的资料进行更深入的研究工作。

表11-1　欧洲各个国家雷达测雨精度和校正雨量计数目

图11-1　KDP 估测降水和ZH 估测降水比较