浅析天气预报中的天气雷达

天气预报方法与技术 课程论文 题 目 浅析天气预报中的天气雷达 学生姓名 王春梅 学 号 20111210569 学 院 经济管理 专 业 气候变化与公共气象 指导教师 江燕如 二0一一 年 十二 月 二十七 日 浅析天气预报中的天气雷达 王春梅 南京信息工程大学经济管理学院气候变化与公共气象专业，南京210044 摘要：天气雷达是气象雷达的一种，是天气预报中重要的探测手段之一，本文对气象雷达与天气雷达进行了简单的区别，简要阐述了天气雷达的基本工作原理，并对几种主要的雷达回波特征进行了粗浅的分析。 关键字：天气雷达、工作原理、雷达回波 一、天气雷达与气象雷达 提起天气雷达，人们往往会讲它与气象雷达混为一谈，其实气象雷达并不完全等同于天气雷达，因为天气雷达只是气象雷达的一种，又称测雨雷达。 气象雷达是专门用于大气探测的雷达，属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度（见大气静力稳定度）等大气动力学参数的铅直分布。同时，气象雷达也是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一，这部分雷达其实也就是我们本文所说的天气雷达。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。而天气雷达的常用波长大多集中在1-10cm的范围。国内目前普遍使用的是国产713雷达（5.6cm）、714雷达（10cm）、711雷达（3.2cm）和多普勒雷达（714CD-3830敏视达雷达），可探测雷达站周围几百公里范围内的天气系统。其中，多普勒雷达在近年来于世界范围内越来越普及。 二、天气雷达的基本工作原理 雷达不停发出微波脉冲，经大气中的雨点反射，通过量度这些反射回来的讯号，就能探测到大气中的降雨。一般来说，反射回来的讯号越强，雨势就越大。至于雨区与雷达之间的距离，则可利用微波往返雨区所需的时间而计算出来。 天气雷达多为脉冲式雷达，其工作的基本原理就是：间歇性地向空中发射的脉冲式电磁波，电磁波在大气中以接近光波的速度、近似直线的路径传播，如果在传播路径上遇到了气象目标物，脉冲电磁波会被气象目标物向四面八方散射，其中一部分电磁波能被散射回雷达天线（称为后向散射），在雷达显示器上显示出气象目标物的空间位置分布和强度等特征。下面主要对冷锋回波、暖风回波、低气压系统回波、强雷暴回波等雷达回波特征进行了简单的分析。 三、天气雷达回波 雷达发射的电磁波，在传播过程中遇到目标物以后目标物对电磁波产生反射、散射，通过雷达屏幕显示的雷达接收机能接收到的那部分反射、散射能量。接收到的那部分反射、散射能量就是后向散射回来的电磁波，也就是所谓的雷达回波。 正如前面所说，天气雷达主要是研究和探测大气、云和中小尺度天气系统的结构、演变规律以及降水的分布和变化过程。其主要探测目标是云和降水，即云回波和降水回波，以用于灾害性天气的识别与临近预报。而不同的降水系统，雷达回波有不同的特征。 （一）冷锋回波 冷锋回波通常由紧密排列成带的许多回波单体组成，当冷锋由远处移至距雷达站约300公里时，在平面位置显示器 (PPI)上，一般先能看到排成一行的离散回波块。当冷锋移近时，由于回波带中的单体变大，可形成一条比较连贯的回波带。在冷锋经过雷达站而向远处移去时，回波的变化则与上述过程相反。通常，一个完整的冷锋降水系统的长度，可以达到600公里以上，因此一个站仅能探测到整个冷锋系统的一部分。有时雷达观测到的冷锋系统会包含多条雨带。一般说来，冷锋的回波带是自西北向东南方向移动，但锋前或冷锋上空的暖区常吹西南风，因而回波带中的单体常向东北或偏东方向移动，与回波带的整体移动方向之间有一夹角。 冷锋回波单体的垂直结构，和移动性孤立雷暴相似。在我国，这种回波单体顶部通常在七、八公里以上。在快速移动的冷锋中，单体的前上部存在较大的云砧。单体总是处在不断的新生、发展和消散之中，生命周期约为数十分钟，而整个冷锋回波带的生命期则长得多。 在气团内部出现的雷暴带，其回波结构和冷锋回波带很相似，但移动速度较快。有时在雷达屏幕上可以同时出现两条以上的飑线回波带。 （二）暖锋回波 暖锋回波是由范围较大的连续性降水构成。与冷锋回波一样，暖锋降水区域也几乎都是超过一个雷达站的有效视野范围，因此在平面位置显示器上只能看到降水区域的一部分。在稳定性暖锋降水区中，屏幕上的回波连接成片，边缘呈丝缕状或棉絮状,强度分布相当均匀；在不稳定性暖锋降水区，则在大片均匀的降水回波中，夹杂有较强的对流单体。这些较强单体的位置通常也是排列成带的，其移动方向可能与整个降水系统的移动方向略有差别。 在距离高度显示器 (RHI)上的回波图象中，对应于大气温度为0℃的高度附近会有强回波带，被称为零度层亮带。当缓慢降落的冰晶和雪花到达零度层附近时，会发生面融化从而使反射率增大，这样就产生了零度层亮带。在亮带下面，粒子融化成雨滴，下落速度较大，使粒子浓度减小，反射率降低。根据雷达屏幕上观测到的零度层亮带，我们可估计0℃层的高度，也能在一定程度上验证大气的稳定性。在不稳定性暖锋降水中，水平的零度层亮带和垂直柱状的对流单体可能同时存在。此外，在雷暴减弱之后的残余降水中，也可看到零度层亮带。暖锋系统降水强度的变化较为缓慢，雷达回波的时空变化也较小，这有利于验证降水强度和回波功率之间的定量关系。 （三）低气压系统回波 低气压系统回波是与大尺度低气压降水系统相联系的回波，其范围很广。在雷达的探测能力所及的范围内，回波大致连成片，但强度结构很不均匀，如棉絮状。这类回波的延续时间较长。 1、 气团内部热对流雷暴回波 顾名思义，气团内部热对流雷暴产生在内部，其对流单体的回波通常呈现为零散无规则的分布。平原中的山丘或湖面上的岛屿上空经常会出现这种对流回波块，这种对流单体的尺度，通常在几公里至十几公里之间，生命周期约为数十分钟。 2、 台风回波 台风是一种强对流天气系统，它具有比较清晰的台风回波的特征结构。在台风中心前面约400-600公里处，经常有一些强对流回波带，被称为台风前飑线回波带。其走向大致和台风中心的移动方向相垂直，但其移动方向则与台风中心的移动方向一致。在飑线回波带后面的台风眼周围两三百公里以内，有大片的连续性降水回波和螺旋状分布的对流性降水回波。这一区域是台风的主要降水区。螺旋雨带以台风眼为中心，呈多条对数螺线状排列。螺旋雨带中各单体的运动轨迹与瞬时的螺旋线走向不一致，而是近似地围绕台风眼作圆周运动，并缓慢地趋近中心。在螺旋雨带的中心，有一个圆形的围绕无回波空洞的强回波圈，称为台风眼壁回波。在此眼壁位置上，对流发展最为旺盛，回波顶部高达十余公里。在眼壁回波以内的无回波区，与台风眼中的晴空相对应。在很多情况下，眼壁回波不是完整的，呈带缺口的圆环状。台风登陆后，逐渐减弱，台风眼逐渐被降水回波所填塞，台风雨带的螺旋状特征也逐渐消失，转变为大片的低压降水回波。 观测雷达回波有利于较早地发现台风和确定台风中心的位置，探测台风雨带中各部分的降水强度和风速，并可研究这种强对流风暴的详细结构。 （四）强雷暴回波 不论是孤立的或夹杂在对流降水系统中的强雷暴单体，常有下列显著的特征：回波强核（回波最高的区域）的反射率很大；单体的水平尺度也较大，一般为10-30公里，在距离高度显示器上，回波主体呈直立粗柱状，顶部达对流层顶，有时可达平流层下部；云体上部有向前方伸展的云砧，还有自砧部下垂的前悬回波；自前方低层流入的空气构成上升气柱，在云中造成弱回波穹窿；单体中持续的强降水主要出现在入流上升区域的后面，构成回波强度很大而形态陡直的“回波墙”；有时在主体强回波核的正上方会出现尖顶状回波，这是因过强的回波信号进入天线旁瓣而造成的。这一类强雷暴，不仅产生、雷雨、阵性大风，还可能产生冰雹和龙卷。通过对雷达回波的分析，可以判断由一般对流云过渡到强雷暴的阶段，但单纯根据回波形态结构，难以可靠地判断一个强雷暴云是否会产生龙卷或地面降雹。普遍认为，回波顶的高度和强回波核的反射率能较好地用作识别冰雹云的判据。 （五）其他回波 除了降水性雷达回波（包括云回波和降水回波），某些并非由水汽凝结体产生的回波。这些回波由于以前未能解释其产生的起因，因此曾被称为“仙波”。这种回波有的是飞鸟或昆虫引起的，有的是由折射率分布强烈不均匀的晴空大气所产生的。它们与地物回波、海浪回波等一并属于虚假回波，在这里我们就不在赘述了。 总之，天气雷达是气象雷达的一种，其工作原理简单说来就是主动发射电磁波并接受电磁波。天气雷达用于警戒和预报中、小尺度天气系统，它主要探测的是云回波和降水回波。这些云回波和降水回波主要包括冷锋回波、暖风回波、低气压系统回波、强雷暴回波等雷达回波，它们都具有各自的特征，观测研究这些回波可以预报灾害性天气。 参考文献： [1]李园.《多普勒雷达资料在天气预报中的应用》.电子科技大学.2008:9-10 [2]http://baike.baidu.com/view/39364.htm,2011-12-26 [3]http://baike.baidu.com/view/1749052.htm,2011-12-26 [4]http://bbs.ccit.edu.cn/kepu/100k/read.php?tid=8000,2011-12-26 [5]http://baike.baidu.com/view/39364.htm,2011-12-26 PAGE - 3 -