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我国南方地区洪水灾害发生频繁，特别是暴雨、台风雨等强对流灾害性天气常常引起暴雨洪水，造成严重的人员伤亡和经济损失。利用天气雷达估测流域降雨，并结合水文模型进行流域径流模拟和预测，是防洪减灾工程应用比较有前景的方法，也是目前水文及气象等多学科交叉研究的前沿和热点。天气雷达可以监测大面积降水并可对降雨预报进行短期预报，作为定量测量降水的手段具有测量范围广、时空分辨率高等优点。但天气雷达在水文应用中存在一些误差，雷达估测降雨的误差可能来自于雷达数据估计的错误、系统误差或缺少对复杂气象过程的理解。早期的应用侧重于利用雨量站与估测降雨的偏差因子来校正雷达降雨。目前随着对雷达估测降雨理论的深入理解，研究更多地关注地物阻挡、垂直廓线等，特别是垂直廓线的变化被认为是造成雷达估测降雨误差的主要因素。分布式水文模型能耦合应用高分辨率降雨数据，并模拟实际暴雨洪水产汇流的空间分布特征，是少资料地区水文模拟、预报有潜力的工具。但分布式模型建模及应用中也面临很多挑战：过参数化、参数空间高维、计算效率低及不确定性等。构建高效适用的分布式水文模型，并建立相应的参数化和模型率定的方法是分布式水文模型应用的基础。
本文依托国家自然科学基金“耦合水文气象遥感技术的新一代流域洪水预报方法(50479033)”和英国环境局基金“FRMRC2(Flood Risk ManagementConsortium Phase2)"，从模型与方法的角度，对上述问题开展研究。本文的研究区域选择了中国广州的流溪河流域和英国西英格兰的Tone流域。论文拟以暴雨洪水模拟为目标，旨在研究应用天气雷达估测降雨的分布式水文模拟的相关的方法及技术手段。取得的主要研究成果与结论如下：
(1)构建了一个流域暴雨洪水预报的网格分布式物理水文模型。模型特别考虑了单元内参数不均，及壤中流出流的尺度变化，并用多叉树遍历算法确定模型单元汇流计算顺序。模型具有计算高效、可耦合高分辨率定量降雨数据的特点。模型可以较容易根据DEM、土壤覆盖、土地利用空间数据建模，文中给出了两个研究流域模型建模的参数化过程。
(2)采用高效的Extend FAST全局敏感性分析方法对模型参数进行敏感性分析，并以敏感性分析结果作为模型率定的依据。文中给出了敏感性分析方法框架，包括参数采样和敏感度评价的过程。对两个流域分析，结果表明：不同的流域、不同的时间尺度、及流域上下游，模型中的部分参数敏感性不一致。根据模型参数敏感性分析的结果，用手工试错法对研究区的参数进行率定，两个流域模型的验证表明，使用该模型进行流域洪水模拟的结果是可信的。
(3)分析了CINRAD定量估测降雨的主要误差：地物阻挡、地面杂波、垂直廓线，并对各误差进行了校正。文中对天气雷达估测降雨的原理及主要可能误差进行了综述，对2005，2006年主要降雨期间广州雷达和韶关雷达进行数据质量、累积统计、累积-距离统计分析，确定了研究区域的定量估测降雨的主要误差源。针对地物阻挡，建立了可采用高分辨率的DEM数据计算不同仰角下雷达波束地物阻挡损失的能量方法，并对广州、韶关雷达地物阻挡进行了校正。建立了模拟地面杂波产生的方法，并模拟了广州雷达的地面杂波图。对两场典型降雨实例的雷达回波反射率因子垂直廓线分布进行了分析，发现了该区域亮带和对流体的分布特征。总结出该区域气候条件下降雨的垂直廓线特征，提出了分类平均法垂直廓线生成算法，用于校正垂直廓线误差。
(4)以网格分布式水文模型作为降雨-径流的模拟平台，对比雷达估测降雨和雨量站输入的模拟效果。对比雷达估测降雨和雨量站降雨，发现不同雨型下雷达估测降雨的表现差异较大。对于层流雨，雨量站可以较好地代表面雨量的分布，而雷达估测降雨精度受亮带存在的影响；对于对流雨，地面雨量计不能较好地代表降雨的空间分布，而雷达高空间分辨率可以捕捉到局部降雨。模拟结果表明，应用雷达估测降雨和雨量站降雨输入的模型模拟结果相差不大，取决于雨量站网密度。在流溪河水库流域，6个雨量站降雨输入比雷达估测降雨输入模拟结果要好；在Tone流域，NIMROD1km的数据模拟结果要优于雨量站，而NIMROD5k的数据模拟结果比雨量站差。应用半变异函数对CINRAD数据进行空间变异分析，发现半变异函数曲线可分为两类：第一类变程在6km和17km之间，反映了该区域对流雨的对流体尺度，第二类在最大统计间距内没有明显拐点，反映了该区域的层流雨。将1km分辨率的雷达测雨数据聚合为2km、4 km、8 km、16 km和32 km的分辨率，分别对三场降雨模拟对比。降雨分辨率是否影响模拟的效果与降雨的尺度有关，尺度越大的降雨，模拟结果对分辨率的变化不敏感。而半变异函数的变程反映了这个尺度，当降雨分辨率大于该尺度时，不能精确表达降雨的空间分布，模型模拟效果显著下降。