雨下这么大，天气预报竟然说只是中雨？

竹汐2024年06月14日约 6 分钟

雨水滋润大地，时而爱意绵绵，时而波澜壮阔。但有时候忘记带伞，一下子就淋成落汤鸡了！结果一看手机，天气预报才是中雨……

事实上，在研究中我们经常使用一个较长时间段内的降水量来表征降水的大小，比如当降水量小于10mm/(24h)时称作小雨，当降水量超过200mm/(24h)时就属于特大暴雨了。而瞬时降水比较大的情况称作短时强降水。所以现在也有了一些建议，不仅仅要预报长时平均降水，还要争取能预报短时降水，才能更多地为人民生活提供便利。

那么，这些定量的数字从何得来，现代有哪些设备可以用于测量降水量呢？

雨量筒

最快捷方便的办法毋容置疑是将桶放在地面上收集雨水，此桶被称为雨量筒。为了减轻人力资源的损耗，科学家们发明了一种自动测雨的传感器——翻斗式雨量传感器，它将接收到的降雨收集到一个小斗中，累积收集达到0.1mm时就倒掉，同时形成相应的雨量记录。

雨量筒和翻斗式雨量传感器

地基测雨雷达

雨量计虽方便快捷，但只能定点观测，对于人烟稀少的地区雨量计布设稀疏，降水测量依旧困难，此时地基测雨雷达便派上了用场，它向四周发射出电磁波，当电磁波遇到空中的云滴、雨滴等物质时会发生散射，原路返回的电磁波又被雷达所接受，根据雷达回波的强度便可以推断出周围地区的降水强度。在实际工作中，随着经济发展，地基雷达数量越来越多，气象观测人员们将设置在地面上的雷达组成网络，就可以实现大范围内的降水观测，弥补单点观测的不足。

黄山光明顶气象雷达

卫星遥感反演

但在高楼林立的城市里，雷达发射的信号可能会受到高楼遮挡，在山区也会因为地形原因受到影响，而在沙漠等地区设置地基雷达同样困难，要是能从天上的视角“看”降水就好了。气象工作者们根据这个思路探索了一条新的测量降水的道路——卫星遥感反演，根据接收信号频段的不同以及是否发射信号分为：可见光、红外遥感，被动微波遥感和主动微波遥感。

1. 可见光与红外遥感

可见光方法的原理是由于云的反射率较高，在可见光光谱范围内，云相对地表更亮。亮云往往更厚，而厚云更有可能产生降水。红外方法的原理是当某个云区的云顶温度低于一定的阈值，且区域的范围持续扩大，或当云区温度有下降趋势，或当云顶核心区域与周围云区的温度梯度相差较大时，强对流都有可能进一步发展。可利用云厚度和云顶温度等信息确定降水概率及降水持续时间，进而估算出降水量。局限是这两种方法均会产生很大误差。

FY4A探测到的红外云图

2. 被动微波遥感和主动微波遥感

由于微波信号在云雨大气中具有很强的穿透性，主被动微波探测器能够在恶劣天气条件下进行全天候工作，不受地表状况影响地探测降水。

被动微波探测降水主要通过陆地和海洋具有各自不同的微波辐射特性完成，被动微波辐射计本身不主动发射信号。对于海洋而言，海面发射信号的能力较低，所以被动遥感的背景辐射信号较小，接近常数。在这种背景下，降水的发射辐射信号强，加上降水的低极化特征和海面的高极化特征的差异，可以在低频段来甄别并定量反演海面降水，如基于降水强度概率密度函数（PDF）的微波降水算法（WILHE-IT）。

对陆地而言，地面的信号发射能力较强，而且变化范围大，因此无法很好地识别和量化来自水凝物的发射辐射。同时陆面的极化特征也不明显，加大了陆地降水反演难度。冰粒子在高频段的散射效应会削弱地表上行辐射强度，可利用这一特点进行陆地降水反演，如散射因子算法（FERRARO and MARKS）。也有算法使用了全部辐射向量，比如全球降水测量（GPM，Global Precipitation Measurement）计划主要使用的戈达德剖面算法（GPROF），它基于云结构数据库及模拟出的上行辐射量，再利用概率论的知识，为真实观测情况选取一条最接近的廓线，作为降水反演结果。

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主动与被动

微波探测器的不同

主动与被动微波探测器的不同在于能够主动探测器发射信号，通过接收雷达回波计算降水量。Z-R关系式是常用的通过雷达回波强度（dBZ）反演降水量的方法。气象雷达的平均回波功率P与反射率因子Z成正比关系，反射率因子Z与降水粒子谱有关，而降水粒子谱又与降水强度R有关，所以反射率因子Z与降水强度R有一定的相关性。通过实际观测、理论分析、数学统计等方式，可以得出并验证如下公式所示的Z-R关系式：

Z-R关系式中的a,b值是经验数据，与降水粒子谱的分布以及降水粒子的下落速度有关。a≈200，b在1.5~2之间。在使用Z-R关系式测量降水强度时，要根据实际情况如地理位置、降水类型等选择不同的参数。对上式两边同时取对数，得到：

雷达回波强度dBZ与反射率因子Z的关系：

将上两式联立：

雷达回波强度dBZ与反射率因子Z的关系：

将上两式联立：

确定参数a,b后，通过气象雷达数据得到反射率因子Z或者雷达回波强度之后，再利用Z-R关系式可以反推计算得到降水强度R的分布。

卫星遥感手段均具有采样频率和覆盖范围小的缺点，可以通过多颗卫星组网的方式优化，如上文提到的全球降水测量计划旨在提升全球性的降水预测正确性，它包括1颗核心观测卫星和其他大约10颗观测卫星，其中核心观测卫星于2014年2月28日发射升空，它同时搭载了被动（GMI）和主动微波探测器（DPR），其IMERG产品可以实现全球覆盖，提供高时空分辨率的降水数据，最大分辨率达0.1°/30min。