双偏振雷达可以观测天气系统内部降水粒子的大小、形状、浓度等信息,可用于定量降雨估测和微物理参数反演,是短时强降水监测和邻近预报的重要工具。我国天气系统降雨滴谱特性与其他国家地区存在显著差异,采用不适合的双偏振降雨估测算子会导致估测降雨的系统性偏差。本文利用长时间二维视频滴谱仪高精度观测,提高了华东和华南区域的雨滴谱特性认知;构建了适用于这两个区域的双偏振雷达衰减订正和降雨参数反演模型。利用该模型改进了双偏振数据质量控制、最优化比差分传播相移(KDP)估计及降雨参数反演方法,主要的研究如下:在双偏振观测数据质量控制方面,本文基于差分反射率(ZDR)系统偏差标定、雷达系统差分相位估计、衰减订正、非气象回波识别和剔除等,有效提高了C和s波段雷达数据精度。研究定量降雨估测时,从基于经验算子的反演和基于变分理论的优化反演两方面着手。在利用降雨率(R)和比差分传播相移(KDP)之间的经验关系估测降雨时,关键是KDP的估计精度。研究中利用水平反射率因子(ZH)和ZDR包含的雨滴谱特性及双偏振量的自洽性,构建了更合理的KDP物理约束,并提出了混合(Hybrid)KDP估计方法,并应用于C和S波段双偏振观测上,发现Hybrid方法的KDP估计和降雨估测精度相比常规线性规划方法和最小二乘拟合法有较大提升。与线性规划的结果相比相比,C波段雷达小时降雨量与雨量计的平均相关系数从0.9提升到0.96,相对误差从0.80下降到0.57。本文利用雨滴谱观测确定了雨滴谱不确定性和观测误差导致的R(ZH)的误差特性,并在此基础上,发展了以R-KDP关系和R(ZH)分别为观测算子和先验估计的变分降雨反演方法。与Hogan(2007)方法的结果相比,华南S波段雷达小时降雨率与观测的相关系数从0.90提升到0.92,均方根误差由2.41 mm下降到2.10 mm。最后,利用雨滴谱观测建立了华东和华南的C-G雨滴谱分布模型;在此基础上,利用ZH、ZDR和ΦDP观测,同时进行变分雨滴谱反演和衰减订正,并用优化反演的雨滴谱估计其他降雨参数。观测算子中比衰减(AH)和比差分衰减(ADP)是从雨滴谱中直接估计的,克服了线性订正和ZPHI等方法受限于雨滴谱不确定性的缺点。将变分反演应用于南京大学C波段双偏振雷达的江淮梅雨过程观测数据以及珠海S波段双偏振雷达的华南强降水过程观测数据时,降雨微物理参量估测值有效地反映了这两类天气过程的对流区雨滴谱特性的差异。同时,将反演的雨滴谱用作定量降雨估测,获得了精度较高的过程积降雨量以及小时累积降雨量。综上,本文从长时间的雨滴谱观测入手,建立了华东和华南地区双偏振量与降雨的联系,同时利用最优化算法定量考虑雨滴谱的不确定性和观测误差,综合利用双偏振观测包含的降雨信息,最终提高了双偏振雷达数据精度和降雨参数反演精度。