山洪灾害测雨雷达25问

何秉顺 田济扬 刘昌军

（水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心（水旱灾害防御中心），北京100038）

问题1：山洪灾害监测预警为什么要建设测雨雷达，相比地面雨量站，测雨雷达的优势是什么？

答：雨量监测是山洪灾害防治的重要环节。各级水利部门通过2010—2022年的山洪灾害防治项目，共建设山洪灾害自动雨水情监测站点7.7万个，布设简易监测站32万个，与气象、水文部门实现了信息共享，形成了山洪灾害防治区的水雨情自动监测站网和乡村简易监测网络，但仍存在如下问题：①自动雨量监测站点只能监测局部点雨量，由于布局不合理、代表性不足，不能准确把握小流域面雨量；②由于降雨的局地性或流域上游自然地理条件无法建站，依靠自动雨量站监测存在盲区或不能捕捉到最大点雨量，在流域下游村庄出现“有雨不涨水，无雨发山洪”的现象；③站点多而散，运维难度大。

水利测雨雷达可以5 min为频次、75 m 为网格，在半径60 km 范围内直接输出精度可靠的高分辨率网格降雨量，因而能够监测捕捉以局地短历时强降雨诱发的山洪灾害，大大提高预报预警的精度和时效性，填补了地面雨量站监测的盲区，提高了监测的保障率。

问题2：测雨雷达能够测出降雨强度，其机理是什么？

答：测雨雷达是利用了雨滴对雷达电磁波的散射原理，实现对降雨的观测。雷达发射的电磁波遇到雨滴时被散射，其中一部分向后的散射波返回雷达，被雷达天线接收，接收后的后向散射电磁波可用振幅和位相表示，从一系列回波振幅和位相中可以提取目标物的反射率因子、差分传播相移率等，进而采用下述方法进行降雨反演：

（1）Z-R法。其原理是：雷达发射电磁波，雨滴对电磁波的散射，散射后其中一部分向后的散射波会被雷达天线接收，通过反射率因子反演降雨强度。

式中：R为降雨强度，Zh为反射率因子，B和β为系数。

利用单一的反射率因子Zh估测降水时，都是假定雨滴呈球形分布的，忽略了大雨滴非球形带来的影响，同时Z-R关系随雨滴谱谱型变化很明显，故利用单一的反射率因子Zh估测降水精度不高。在差分反射率因子ZDR误差小于0.2 dB 时，可增加ZDR，利用(Zh,ZDR) -R法，提高Z-R关系反演雨量的精度。

（2）KDP-R法。X 波段双极化（也称“双偏振”或“双线偏振”）雷达的出现为雨强定量推求提供了一种新的可靠路径。其原理是：X 波段双极化测雨雷达发射两个方向的极化波（水平极化波和垂直极化波），见图1。两个方向的极化波穿过雨滴时相位发生变化，通过接收反射回波的相位差与雨滴扁平度（图2）的关系式，进而获取降雨强度。

图1 极化波相位差

图2 不同大小雨滴扁平度

反射回波的相位差可用差分传播相移ΦDP（水平极化波与垂直极化波通过相同长度降水区后散射回雷达天线的相位差值）、差分传播相移率KDP（单位长度上的差分传播相位值）表示。

式中：r为径向位移，根据KDP推求雨强的公式为：

式中：a1和a2是系数，使用雨滴粒径分布的观测数据进行散射计算而导出，通过观测仰角的三次方来近似表达。陕西洛南测雨雷达采用以下的公式计算a1和a2。

式中：EL为仰角。

采用KDP推求雨强，具有以下优势：①KDP不受雷达接收机、发射机标定误差的影响；②KDP受雨区雷达回波衰减影响小；③即便雷达波束存在部分阻挡，对KDP值影响也很小；④相对于Z-R法，用KDP估测降水时，因其对雨滴谱变化更不敏感，所以能够得到更为精确的结果；⑤滤除地物杂波等质量控制算法对KDP的影响较小。

采用KDP-R法时，即使不进行地面雨量站修正，也能够实时获得一定精度的雨强测算结果。在ZDR误差小于0.2 dB 时，可增加ZDR，利用(KDP，ZDR)-R 法，提高KDP-R关系反演雨量的精度。

在实践中，可将KDP-R法和Z-R法共用，在KDP-R法不适应的情况下（如弱雨、雷达外边缘部位）采用Z-R法，以提升整体观测的精度。

问题3：测雨雷达在国际上应用情况如何？有什么经验？

答：美国、日本和欧盟在山洪灾害防治领域已实现双极化测雨雷达普遍应用。

美国于2013 年完成了Nexrad 网双极化改造（图3），使之能够实现降雨定量估算，开发了山洪预警系统（FFMP），将雷达监测到的流域面降雨量对比流域山洪预警指标（FFG），来确定山洪的危险性和严重性。美国专家甚至发展了一门学科“雷达水文学”。

图3 美国雷达布局示意图

2008—2013 年，日本国土交通省水管理·国土保全局建设了39 个X 波段双极化测雨雷达（图4），2016 年开始面向社会公众提供降雨监测数据（www.river.go.jp），见图5，并广泛应用于山洪预警和水库预报调度。

欧洲天气雷达网共有30 个成员国提供的超过200 部天气雷达进行组网（图6），大部分天气雷达是C波段（169台），少部分是S波段（29台）和X波段（8台），其中110台属于多普勒雷达，超过一半已升级为双偏振。OPERA（Operational Programme on Exchange of weather RAdar information）是欧洲雷达网络组织的一个项目，主要用于各国雷达数据的共享和交换，其主要产品为2 km 水平分辨率的3 种不同雷达组网产品（雷达反射率、雨强、累计雨量），这些产品每15 min更新一次，并在数据采集开始后大约15 min发布。

问题4：水利部对山洪灾害测雨雷达建设有什么要求？

答：水利部办公厅《关于加快构建雨水情监测预报“三道防线”实施方案》（办水文〔2023〕202 号）明确要求，到2025 年底，在重要流域暴雨洪水集中来源区、山洪灾害易发区及大型水库工程、重大引调水防洪影响区等开展测雨雷达建设与应用先行先试。水利部办公厅《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》（办信息〔2022〕337号），对测雨雷达系统组成、部署要求等做了明确规定。

水利部防御司将测雨雷达作为山洪灾害防治项目建设内容之一，要求在山洪风险高、水文气象和地形地貌条件复杂、自动雨量监测站点建设和运维困难的区域，试点建设X 波段测雨雷达站并配套开发降雨反演和临近降雨预报软件，将降雨监测和预报数据接入省级山洪灾害监测预报预警平台，提高小流域面雨量监测分析能力，消除降雨监测盲区。

问题5：水利部门已经建设了多少测雨雷达？

答：据不完全统计，至2023年9月，安徽、福建、江西等13 个省（自治区、直辖市）水利部门已建或在建测雨雷达36 台，通过山洪灾害防治项目资金、用于山洪灾害监测预警的已建（含在建）测雨雷达共有25台，所选的设备大多为X 波段双极化机械式测雨雷达。总体看，水利测雨雷达建设和应用尚处于起步阶段，但是随着业务目标明确、各地积极探索，相信短时间水利测雨雷达会有快速发展。

值得一提的是，中国水利水电科学研究院在河南栾川县建设中国唯一一部X 波段调频连续波全极化测雨雷达（发射和接收4 个方向极化波，10 W 发射功率），已运行5 年，在雷达运行管理、雨量反演、与分布式水文模型结合方面积累了丰富的经验。

国内雷达主要供货商分为老牌的军工院所企业和新兴的民营企业。无论是选择哪家企业设备，功能和技术参数均应满足《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》规定。

问题6：用于山洪灾害监测预警的测雨雷达建设应达到什么目标？

答：应达到以下6个目标。①以不大于75 m网格、5 min频次输出降雨强度；②与地面雨量站相比，偏差不大于15%；③应能进行组网观测，实现雨量组网拼图；④消除重点小流域防治单元降雨监测盲区；⑤以测雨雷达监测信息为依据，滚动开展未来0～3 h 降雨临近预报；⑥降雨监测和预报信息实时接入省级山洪灾害监测预报预警平台，用于山洪灾害预警。

问题7：测雨雷达应选择什么类型？

答：《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》指出，水利测雨雷达分为相控阵型和机械型两个类型，均采用X波段、全固态、双极化体制。

机械型雷达采用抛物面反射天线，通过机械旋转和俯仰的方式调整单波束方向进行空间扫描。雷达可以同时发射水平和垂直极化电磁波，可探测到降雨目标的双极化信息，从而实现较为精细的面雨量监测。相控阵雷达由数量众多、独立控制的小型天线收发单元排列成天线阵面，通过控制阵列各个单元的馈电相位来改变波束指向。水利双极化相控阵型测雨雷达将相控阵技术与双极化偏振技术相结合，既具备相控阵雷达快速电子扫描的特点，又拥有双极化雷达获取天气系统丰富探测信息的优势。机械式雷达和相控阵雷达时间分辨率分别在5 min 和1 min 以内，据市场调查，机械式雷达设备价格为250 万～350 万元，相控阵雷达设备为650万～800万元。

X波段，雷达波的频率一般有C、S、X波段。对比C、S波段，X 波段雷达因其波长短，可提供更高的时空分辨率，更适用重点区域的高精度降雨定量监测；另外，X 波段天气雷达天线尺寸相对较小，站点建设、雷达架设均更为便捷；同时，X 波段雷达的造价较低廉，用少量的资金即可建设更多的雷达。当然，X 波段雷达也存在探测范围短、易受雨区衰减的影响等限制。

全固态，即雷达内元器件均采用固态器件。相比于真空器件，全固态器件具有长寿命、大带宽、工作电压低、体积小、重量轻、可靠性高等诸多优势，可大大提高雷达系统的可靠性。

双极化，即雷达向外辐射电磁波及接收空间返回电磁波的通道，具有独立的水平极化波与垂直极化波收发通道。

问题8：河南省栾川县建设的国内首部X 波段调频连续波全极化测雨雷达是一种什么雷达？取得了哪些经验？

答：在河南栾川县全国山洪灾害防治试验示范基地建设的测雨雷达，是荷兰MetaSensing公司生产的X波段QX-60 雷达，该雷达是一部X 波段调频连续波全极化测雨雷达。全极化，即雷达能够同时发射接收HH、HV、VV、VH4种极化方式电磁波（比双极化又增加了两种极化方式），能够显著增强对云层混合相态层的观测精度，特别是提升了微雨和小雨分辨检测能力（雷达5 km 以内达到0.01mm/h）。

除全极化之外，QX-60 雷达还有独到的特点：①采用收发分置的双天线（图7）。雷达回波信号延时远小于发射信号时宽，因此雷达发射机和接收机可以同时工作。②发射功率较低仅为10 W，（常规双极化机械式雷达一般在200 W），低功耗使得整个系统集成度高、结构简单、体积较小、重量较轻。③配套的信号处理软件采用先进的光谱极化雷达处理方式，可以更好地滤除杂波，在复杂天气环境下也能保持观测的高分辨率。

经过多年持续不断的摸索，栾川县X 波段全极化测雨雷达取得了以下经验：①提出了基于地面雨量站估测降雨强度的率定校准方法；②提出了全极化测雨雷达降水量估算方法和流程；③基于X 波段测雨雷达数据，设计完善了山洪灾害预报预警流程。该雷达在栾川县多年业务化运行，建立了X 波段雷达测雨技术流程，实现了标准化运行，准确预报预警了栾川县多场的暴雨山洪过程，对复杂山区局地高分辨率暴雨监测、水文预报和洪水预警等工作起到了典型示范作用（图8）。

图8 栾川县雷达覆盖范围地面雨量站雨量分布及等值面示意图

问题9：据了解，气象部门制定了X波段天气雷达建设规划，正在大量建设X 波段天气雷达，在此背景下，水利部门还有必要建设X 波段测雨雷达吗？水利测雨雷达与气象部门建设的X波段天气雷达有什么区别？

答：水利部门建设X 波段测雨雷达符合国家总体规划。国家发展和改革委员会印发的《2016—2025 年气象雷达发展规划》明确指出，水利部门在重点防汛区域设立专项，建设高时空分辨率面雨量雷达监测系统。

水利测雨雷达与气象部门建设的X 波段天气雷达区别如下。

（1）目的不同。水利部门建设X 波段测雨雷达目的是降雨定量监测，即输出降雨强度，所有技术参数和指标都围绕这个目标展开。气象部门则同时关注不同气象要素和天气形势，雷达观测模式不利于获得“定时、定点、定量”的雨量观测数据，降雨监测精度差。

（2）任务不同。水利部门建设X 波段测雨雷达是为了进行山洪灾害预报预警、江河洪水预报、水库入库洪水预报等，而气象部门主要监测地面至高空大气的各种天气的发生、发展变化及风场、大气湍流状况，捕捉大范围的天气系统，一般在大城市周边布设较为密集。

（3）探测区域和频次不同。测雨雷达专注于近地面降雨，也就是落在空中的雨（图9），其关注区域为云底到地表的大气边界层（约2 km 以下）。在雨区要加密高频扫描，按照《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》，在地表垂直高度2 km以下俯仰扫描步进≤0.5°，仰角层数≥12层。气象雷达扫描区域为整个对流层，垂直厚度范围约0～20 km，一般在仰角0～19.5°，扫描9层（图10、图11）。

图9 测雨雷达观测降雨层雨滴

图10 水利测雨雷达观测模式

图11 气象雷达观测模式

问题10：测雨雷达选址建设有什么注意事项？

答：雷达选址需要考虑地理环境、净空环境、电磁环境、通信环境等，简单说就是场地须宽敞坚实、视野要开阔、没有同频电磁干扰、网络和供电环境要良好。

（1）空间要求。布设场地应有足够地面面积、空间体积容纳雷达样机和配套设备（电子方舱），布设场地地质条件良好，应避开山洪、泥石流、滑坡易发区。

（2）防遮挡要求。布设场地应处于地势较高、周边空旷的区域，雷达的方位和俯仰可视范围内无高层建筑、山体、植被等遮挡；在雷达周围半径150 m范围内无架空动力线，雷达周围半径500 m范围内无3 500 V以上高压架空线。

（3）防电磁干扰要求。雷达避免与其他无线电设施产生相互电磁干扰。视角内没有金属，反射棱镜等其他强反射物体；距离机场和军用设施20 km以上。

（4）方便施工要求。雷达站宜选址在交通道路通达的地方，便于施工、运输以及安装，同时便于日后设备的运维保障工作。

（5）无线电频段要求。建设雷达需要当地无线电管理委员会批准频段使用，无线电管理委员会收到建设单位提供的相应材料，审核后给予频段批复。

（6）防雷要求。雷达建设要进行防雷设计，在雷达旁边设计安装避雷针，避雷针的高度应高于雷达设备，防止雷电直接导入雷达设备损坏雷达。雷达站防雷应满足《建筑物防雷设计规范》等规范要求。

（7）覆盖要求。雷达选址应统筹考虑已建地面雨量站、雷达站，优先填补降雨监测盲区，尽可能实现数据共享。

因雷达站选址有上述要求，导致雷达站施工建设费用因征地、修路、电力线和网络线搭建等有较大弹性，建设费用为100万～400万元。

问题11：测雨雷达为什么要组网建设？

答：有以下原因：①地球是圆的，由于地球曲率的影响，单部雷达远距离探测时存在大量的低空盲区；②天气雷达受到山地等地物遮挡会产生盲区，通过多部雷达组网，可以有效地互相弥补探测盲区；③X 波段雷达在降雨区域的衰减较为严重，通过多部雷达组网相互订正，可以有效地对强降雨区的衰减作用进行订正，获得准确的反射率信息；④单部雷达难以有效覆盖保障区域（如山洪灾害易发重点流域、水库上游产流区等），通过多雷达组网可以扩展实现全流域的大面积监测；⑤测雨雷达采用极坐标观测，在雷达探测范围的边缘，一个网格的大小约为150 m×1.68 km（80 km半径），需要其他雷达对此部位加密观测。

《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》提出，为充分发挥水利测雨雷达监测预警能力，要求根据监测流域面积确定雷达组网方式（三角式、四方式、菱形式等），组网观测雷达数应≥3 台；各雷达站间距应在30～60 km距离的范围内进行选址布设。

问题12：周边已经有气象部门建设的X波段双极化天气雷达，水利部门应怎样建设和应用测雨雷达，实现对局地强降雨的协同观测？

答：目前，由于气象部门建设的X 波段双极化天气雷达和水利部门建设的X 波段双极化测雨雷达两者在应用目的和监测对象上不同，在观测模式上也存在着一定的差异。如果不能协调气象部门的天气雷达按照水利测雨雷达的观测模式运行，可与气象部门协商建立数据共享机制、数据处理与组网方式，利用两者之间的探测数据进行组网拼图，以实现对局地强降雨的组网观测。

问题13：水利部门自建了测雨雷达，但观测效果不佳，需要从哪几个方面着手检查以提升观测效果？

答：需要从以下5个方面检查：①检查雷达硬件设备是否存在故障，重点查看雷达基数据是否处于正常取值范围；②检查雷达天线方位是否准确，可与气象部门已建雷达回波或星载雷达回波对比；③判断是否扫描模式有误，按照要求，测雨雷达在地面以上2 km垂直高度大气中应采用无覆盖盲区的连续仰角步进扫描模式，测雨雷达仰角设置步进幅度小于等于0.5°，在雨区要加密高频扫描；④判断是否采用了非雨区雷达波信号（如地面2 km 以上）用于降雨反演；⑤判断是否主要利用Z-R关系进行雨量估算，而没有充分发挥双极化雷达多参数的效能，利用KDP-R法或联合ZDR、Z等参数建立测雨方程。

如上述误差来源均已排除，效果仍不佳，则需要检视雷达自身误差。一方面需要对雷达硬件进行严格测试和定标，以提高雷达的探测精度；另一方面还需要尽可能滤除地物杂波，充分考虑探测目标差异性（如雷达探测高度和地面降水的差异）等因素的影响。

问题14：用测雨雷达进行降雨定量观测，其误差来源主要有哪些？

答：①雷达硬件故障或标定不当会产生很大误差。②地面以上一定高度存在融化层（零度层），融化层根据季节和大气条件而波动，并随区域而变化。在冬天，其可能距离地面不到1 km。在融化层（及以上部分）使用的Z-R或KDP-R关系方程式，将把实际发生的降雪误以为降雨，降低降雨的估算量值。③测雨雷达可能会接收其他雷达等外部辐射源产生的同频率电磁波，会导致条形或螺旋形的电磁干扰回波。④接收到达并返回雷达观察区之外的电磁波，可能会产生二次回波。⑤由于大气层化，电磁波会异常传播（折射），在晴朗的天气中，可能会发生弱的反射回波。⑥随着雷达探测距离增加，测雨雷达会遇到衰减问题，且大雨会比晴空或小雨引起更大的衰减。⑦测雨雷达观测的是空中的降雨，在坠落过程中降雨可能会受到风引起的对流的影响。因此，雷达观测降雨不一定与其正下方的地面降雨1∶1 相对应。⑧杂波可能是由从地面或海面返回的散射波产生的。从地面返回的散射波称为地杂波，其强度会根据地面状态、季节和其他因素而波动；从海面返回的散射波被称为海杂波，会因台风和低压引起的膨胀而变得明显。⑨当强降雨区域直接经过雷达站上方时，在覆盖雷达的天线罩表面会生成水膜，并且无线电波会被水膜衰减，从而导致整个观测区域的观测量值偏小。因此，需要对天线罩进行防水涂装处理，且防水涂装受大气状态和日照等环境影响，2～3年就会变质，需要定期维护。

问题15：测雨雷达仰角如何设置？遮蔽区域仰角如何设定？

答：《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》提出了水利测雨雷达的扫描模式。对于机械型双极化雷达，体扫时间≤5 min，在地面以上2 km 垂直高度大气中应采用无覆盖盲区的连续仰角步进扫描模式（图10），方位角度0～360°，方位扫描步进≤1°，地表垂直高度2 km 以下俯仰扫描步进≤0.5°，地表垂直高度2 km 以上俯仰扫描步进≤2.0°，仰角层数≥12 层。其要点是在雨区要加密高频扫描，为了精确计算降雨量，需要确保脉冲命中的数量为100 或更多。脉冲命中数的计算方法如下。

式中：N为脉冲命中数，V为天线旋转速度，n为方位角方向划分数，PRF为重复频率。

日本国土交通省国土技术综合研究所河川研究部针对39 台双极化测雨雷达，提出了另外一种仰角模式，可供我们借鉴。日本设定了雨量测算的两个仰角：距离雷达30 km 处的观测高度为1 km 时的仰角被称为“低仰角的最大仰角”（一般多为1.7°），距离雷达30 km 处的观测高度为1.5 km（有时因屏蔽情况等而异）时的仰角被称为“高仰角的最大仰角”（一般多为2.7°）。在一些雷达中，对高仰角进行例外设置和微调，以改善遮挡问题（最大可为4°）。为了减少地杂波的干扰，一些雷达的低仰角也进行微调。日本设定了以5 min为周期各进行5个频次的扫描模式，天线转速为3.5～4.5 rpm，在5 min 内达到15 个层数，而雨量估算时采用每分钟两个仰角观测数据的合成值（图12）。

图12 两个仰角合成观测模式

问题16：低仰角带来的大量地杂波怎么消除？

答：地杂波是由山地及其上的各种建筑物等对电磁波的散射所产生的回波。产生地物杂波的目标体主要是地表（包括山脉、丘陵、树林等）和地表上的人工建筑物。由于地物目标是静止的，其地杂波径向速度接近零，可根据地杂波的这些特点采用移动目标指示法（Moving Target Indicator，MTI），包括快速傅里叶变换方式（Fast Fourier Transform，FFT）和无限脉冲响应方式（Infinite Impulse Response，IIR）滤除。

问题17：测雨雷达需要安装部署什么软件，传输什么数据？

答：在单个雷达侧，需要部署运行显示和控制软件，生成的数据包括：反射率因子Z、径向速度V、谱宽W、差分反射率因子ZDR、差分传播相位ΦDP、差分传播相位率KDP、相关系数CC，以上数据通过光纤传输至省水利厅。

在省水利厅层级，需要建设雷达数据处理服务器，配置测雨雷达数据处理软件，软件模块构成有质控处理模块、组网拼图模块、反演产品处理模块、预报产品处理模块、数据服务接口。通过反演产品处理模块、预报产品处理模块生成的雨量产品和预报产品要接入省级山洪灾害监测预报预警平台。

根据《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》，省水利厅接收到雷达基数据时，应实时（延迟时间＜5 min）共享至水利部信息中心（图13）。

图13 组网雷达数据传输流程

问题18：多个测雨雷达如何组网观测，如何获取组网合成雨量？

答：根据《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》，测雨雷达应至少以3 台起组网观测（图14）。组网雷达观测重叠区域应覆盖重要流域暴雨洪水集中来源区、山洪灾害易发区以及大型水库工程、重大引调水防洪影响区。

图14 组网雷达观测重叠区域

雷达组网获得雨量产品有两种方法：①对多部雷达基数据进行组网，形成组网Z、KDP和KDP，之后反演降雨量；②也可对单个雷达反演单雷达降雨量，之后进行插值合成。

第一种方式的优势是在雷达基数据层面可参考的观测信息较多，可先行相互检验、补充和调整，有助于提升雷达降雨反演的准确性和一致性，缺点是花费的时间和算力较多，且完全依赖算法进行调整，可能导致与实际不符；第二种方式的优势是计算速度更快，缺点是如果组网的几部雷达反演雨量相差较大时，无法判断观测数据的误差来源。

单个雷达生成雨量数据后，可采用Cressman 内插法合成区域内多个雷达站和不同仰角观测得到的降雨强度数据（极坐标系），生成75 m网格（直角坐标系）的合成雨量数据（图15）。

图15 Cressman内插法示意图

Cressman 插值基本原理是在空间上确定观测点的影响圆，然后根据影响圆圆心与待插值点的距离确定权重，进而进行加权计算。对于遮挡、回波异常（孤立点）、受地杂波影响严重滤除效果不佳、电磁波消散、ΦDP不连续的区域应进行无效化处理，不参与本雷达的雨量反演，插值合成时仅采用其他雷达观测成果。

问题19：X波段雷达波降雨衰减严重，应如何修正？

答：由于雷达回波相位差是固有属性，不受降雨衰减和波束传播阻挡的影响，故可以用KDP对反射率因子Z和ZDR进行衰减订正，使用KDP计算衰减率，并根据距离积分计算衰减损失，与探测的数据相加即可得到订正后的Z和ZDR。

问题20：为什么会存在雷达电磁波消散区域，该区域怎么判定？

答：由于衰减作用，雷达探测降雨区时电磁波能量沿发射路径会逐渐减弱，直至消失。衰减大小主要取决于路径上降雨强度和雨区范围。当测雨雷达探测强降雨区时，如果降雨足够强且范围足够大，电磁波穿越雨区后会出现能量消失（低于雷达最小可测功率）的现象，导致雷达观测不到强降雨后方的雨区。这种由于衰减而引起的观测盲区，称为电磁波消散区域。

电磁波消散区域（衰减盲区）采用下式进行判定：

式中：PIA为双程路径累积衰减量，dB；r为观测点与雷达站之间的距离；ZXmm(r)为沿路径用最小可测降雨强度阈值（一般设为3 mm/h）反算得到的反射率因子，dBZ；Znosie(r)为距离r处的最小可测回波强度，利用雷达方程计算。

如果满足上述公式，则距离r之后的径向区域，判定为电磁波消散区，循环对所有方位进行判定后，建立电磁波消散区域标记图。通过多雷达组网，利用其他雷达的有效观测填补电磁波消散区域。

问题21：如何通过雷达波反演降雨？

答：有两个概念。第一个概念，要根据强弱雨选择不同的公式。根据强弱雨区分。一般情况下，弱雨时选择Z-R关系式，强雨时选择KDP-R关系式。第二个概念，假设雷达扫描范围内地面雨量站量测数据精准，以此为标准校核调整关系式系数，通过多场降雨逐步摸索测雨雷达雨量反演规律。下面以日本国土交通省39 部X 波段测雨雷达为例，简要说明。

（1）Z-R和KDP-R法适用范围。2010年标准：在KDP=0.5°/km 以上（对应雨强约为11 mm/h）、SNR=10 dB 以上（SNR为信噪比）、Zh=30 dBZ 以上的情况，采用KDP-R法；上述之外的情况，采用Z-R法。其中B和β的初始值可如下设置。

2013年以来，日本通过大量测试，进一步扩大了KDP-R法范围，为KDP=0.1°/km 以上（对应雨强约为4 mm/h），SNR=-50 dB 以上，Zh=30 dBZ 以上，KDP-R式的使用频率平均增加了约2.5倍，降雨反演精度提高了10%左右。

（2）KDP-R法增设放大系数。日本国土交通省发现KDP-R法推求的降雨比实际降雨偏小20%～25%，故在R=a1KDPa2的基础上加了一个放大系数α，大致为1.15～1.3：

通过放大系数α，反演降雨和实际降雨的回归系数达到了0.9以上。

（3）Z-R法参数拟合（图16）。将Z=BRβ对数化，logZ=βlogR+ logB，将反射率因子和地面雨量站降雨监测数值绘制散点图如下，该直线的斜率为β，截距为B（具体操作时可按反射率35 dBZ为节点分两段分别拟合）。

图16 通过线性拟合获取Z - R法参数

此外，也有研究给出了KDP、ZDR和Z使用方式，具体参考下图，即通过判断KDP和ZDR的强弱，确定使用何种降雨反演方法。KDP较强（弱）时，使用与KDP有关（无关）的降雨反演关系式；在ZDR较强（弱）时，使用与ZDR有关（无关）的定量降水估计关系。但具体到某一个雷达，需要经过不同降雨进行验证，不断尝试确定降雨反演公式及其参数，以提高降雨反演精度（图17）。

图17 降雨反演方法选取流程示例

最后，对于邻近雷达的区域（以雷达为中心，半径1 km范围内），由于可不进行雨量反演，采用邻近雨量数据进行插值。

问题22：用什么指标评估雷达反演雨量的精度？

答：将10 min 和60 min 时段长的地面雨量、雷达反演雨量的绘制散点图，计算出回归系数、相关系数、雨量比、均方根误差，将以上指标作为精度指标。一般可按距离雷达30 km 以内、30～60 km 两个范围进行精度评估。《水利测雨雷达系统建设与应用技术要求（试行）》提出，60 min雨强≥20 mm 时，均方根误差≤18 mm/h；60 min 雨强≥10 mm时，均方根误差≤12 mm/h。

问题23：在正式的雷达测雨产品的发布前，需要开展哪些检验测试工作？

答：雷达降雨监测产品的发布前，需要经历雷达硬件调整、数据质量评估、雨量反演参数调整、降雨监测精度评估和降雨监测产品发布5个过程，如图18所示。

图18 雷达降雨监测产品发布流程

问题24：如何利用测雨雷达数据开展临近预报，方法是什么？

答：（1）传统方法：采用交叉相关法或光流法估计降水运动场，采用拉格朗日外推降水到2 h。这种方法不考虑降雨发生发展的物理机理。

（2）谱分解方法：采用变分光流法估计降水运动场，施加扰动模拟估计误差。基于不同尺度降水的运动和演变规律不同的事实，采用谱分解技术将降水场分解为多个不同尺度场，分别外推后，再合成生成预报。优势在于方法更符合降水规律，外推结果更自然合理，评分也高于传统方法。

（3）机器学习方法：当雷达数据积累到一定程度，可以采用机器学习方法进行预报。

问题25：针对山洪灾害防御，雷达测雨产品有哪些要求？

答：面向水旱灾害防御部门，雷达测雨产品应包括3类：①精细网格降雨产品；②小流域面雨量产品；③政区面雨量产品。

精细网格降雨产品网格分辨率为75 m×75 m，每5 min生成一个降雨产品（包括降雨监测产品和0～3 h降雨预报产品）的nc 文件，雷达配套软件系统应能查看每一个网格点、不同时段的雨量值。

小流域面雨量产品包括山洪灾害调查评价划分的小流域面雨量和小流域防治单元面雨量，每5 min 生成一次小流域面雨量产品（图19），包括降雨监测产品和0～3 h降雨预报产品，雷达配套软件系统应能查看每一个小流域、不同时段的雨量值。

图19 小流域面雨量变化

政区面雨量产品包括县、乡、村面雨量，每5 min 生成一次政区面雨量产品（包括降雨监测产品和0～3 h降雨预报产品），雷达配套软件系统应能查看每一个县、乡、村，不同时段的雨量值。

面向社会公众，雷达测雨产品应包括县、乡、村等的政区面雨量，每15 min 生成一次政区面雨量产品（包括降雨监测产品和0～3 h 降雨预报产品），雷达配套软件系统应能查看社会公众关注政区不同时段的雨量值。

最重要的一点，要利用测雨雷达网格雨量和0～3 h 小时临近预报成果，结合分布式水文模型，开展小流域山洪预报（图20）。

图20 以测雨雷达网格雨量为输入开展山洪预报