天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用

天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用

张天明

（北京市探测中心观象台，北京102300）

摘要：多普勒雷达产品可以对短时强降水、冰雹、雷电、大风等中小尺度天气系统发生、发展规律进行科学有效的监测，在气象领域中占据重要地位。基于此，本文重点分析天气雷达产品在强对流天气预报中的应用，以增强天气雷达产品在气象业务中的利用率，推动气象预报预警工作的顺利开展。

关键词：天气雷达产品强对流天气临近预报应用

引言

强对流天气主要包括冰雹、龙卷、雷雨大风和暴雨洪涝，是造成气象灾害的主要天气类型之一。由于出现时间短、空间尺度小、突发性强等特征，是短时天气预报、气象防灾减灾工作的重点和难点。自天气雷达在气象领域应用以来，一直是监测和预警强对流天气的主要工具。天气雷达可以发射对应的脉冲电磁波，一旦遇到云雨等天气电磁波会散射到四面八方，尤其是后向散射波会被雷达接收。传统的天气雷达只能提取回波中的反射率因子，而多普勒天气雷达在提取反射率因子信息的同时，还能提取云雨中雷达径向运动速度和谱宽方面的信息。我国建设的新一代天气雷达网都是由多普勒天气雷达构成，逐渐成为监测和预报强对流天气的有利工具。相较于传统的雷达，新一代天气雷达自身的空间分辨率和探测灵敏度水平都比较高，可以探测到传统雷达探测不到的晴空回波。目前，国内外越来越多的专家和气象学者加大了对多普勒雷达产品的理论研究和应用进行了很多研究，并得出了很多有意义的结论。新一代天气雷达产品的应用领域主要包括有探测和预警强对流天气、降水估计、估测雷达上方大气垂直风廓线的估测、同化雷达反射率因子和径向速度数据为数值预报模式提供初始场。自各级气象部门投入使用多普勒天气雷达以来，获取了大量的监测资料，结合天气雷达产品在强对流天气临近预报中积累了丰富的经验。基于此，本文重点对天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用进行分析，以提升气象部门对短时临近天气预报水平，为社会经济建设、人工影响天气开展和气象防灾减灾等工作提供优质、高效的气象服务。

1、天气雷达的工作原理

雷达属于无线电设备，主要在电磁波的作用下探测目标物距离和特征，可以测定目标物自身性质。电磁波照射到指数不均物质后导致波传播方向发生变化的现象就是散射，出现这种情况的原因是电磁波激发的次波不能完全抵消。大气中的气溶胶、水滴、冰晶等颗粒均会发生散射，折射指数不均的湍流块也会发生散射。在大气中传播的雷达电磁波，向后散射的一部分光会返回到雷达方向上，便于雷达天线接收。并结合后向散射电磁波的延迟时间、频率、相位等信息，判断未来天气情况，尤其是在判断风场和降水天气内部特征中发挥着重要作用。

2、天气雷达产品在强对流临近天气预报中的应用

2.1反射率因子产品

反射率因子产品可以直观反映出降水强度、降水回波变化特征以及动态变化趋势，同时还能结合天气学特征清晰识别积云、层云、积层混合云系、锋面、飑线等。观测人员可以凭借对反射率因子产品的掌握情况来判断回波强度信息，进而确定大风、雷雨、冰雹等天气，还能根据反射率因子随时间变化情况判断降水回波移动路径和未来一段时间的发展趋势。由此不难看出，反射率因子产品在强对流天气临近预报中得到了广泛应用，为临近天气预报提供了科学有价值的指导依据。

2.1.1基本反射率

在雷达体积扫面的过程中，以图像产品的形式显示出每个扫描仰角的回波强度（dBz）称之为基本反射率因子。主要包括有1km、2km、4km三种不同的分辨率；而距离范围则有230km和460km。基本反射率产品的图像等级主要有两类，8和16，随着探测模式的变化等级值也会发生变化。借助于基本反射率产品可以估算降雨、冰雹、风暴结构、边界层位置等；在雷暴、冰雹等强对流临近天气预报中发挥着十分重要的作用。

2.1.2强回波比例

在雷暴天气出现的过程中，对于第一次预报产生的闪电时间可以参考0℃高度40dBz以上发展中的雷暴单体同回波在25dBz以上回波体积之间的百分比，该数值就是强回波比例。相关研究表明，在电荷分离时会有明显作用的冰相粒子产生，因所处环境不同其电极性和效率均会有很大的差异，例如会受到液态含水量、温湿度等相关因素的影响。

2.1.3回波顶高与组合反射率因子

在探测到回波强度高于18dBz反射率因子时，对应上空雷达可以探测到最高仰角回波所在的高度称之为回波顶高度，回波顶越高，系统强度也会随着增强。在开展天气预报中，一旦发现回波顶高超出了指定门限的范围时，则说明有强对流天气出现。由于存在雷达静锥区，有时估计到的雷达周边回波顶比实际情况偏低，若对向上垂直外推方法掌握的不甚熟练，在判断风暴最高回波顶时会有很大的难度存在。组合反射率产品是垂直气柱内最大反射率因子投射到笛卡尔坐标格点上的产品，可以将一个体积扫描中最大反射率因子的分布情况展现出来。借助于组合反射率产品可以在极短的时间内对强中心回波位置进行准确判定，结合高度显示的组合反射率产品还能准确定位强对流回波的位置。

2.2垂直累积液态含水量（VIL）

在降水云体中，某一确定底面积格点区域垂直柱体内液态水的分布图像产品称之为垂直累积液态含水量，是确定强对流天气尤其是冰雹天气的重要手段之一。垂直累积液态含水量（VIL）可以对强对流天气引发的暴雨、冰雹等灾害性天气进行判断。早期在判别冰雹回波时主要结合雷达回波参数信息，同时还结合单因子、双因子点聚图识别和多因子组合参数识别的方法进行，还根据回波形态特征判断冰雹天气。随着垂直累积液态含水量（VIL）在气象工作中得到广泛应用以来，其逐渐发展成为判断对流风暴强强度的重要指标，为冰雹等强对流天气预报预警工作提供了参考依据。

2.3谱宽数据

事实上，谱宽数据反映的是速度谱宽数据，表示速度离散度的度量。谱宽数据中包含有湍流、风切变、速度样本质量变化时的平均径向速度信息，还能对密度不连续面的边界位置进行确定、判断径向量的有效性水平和估算湍流大小，为强对流天气临近预报的开展给予参考指导。

2.4平均径向速度产品

在360°方位体积扫描到的径向速度数据称之为平均径向速度产品，而径向速度代表了云雨粒子运动速度在雷达径向上的分量。结合径向速度可以将风暴结构和大气结构推算出来，在形成高空分析图的同时，还能对其进行调整和更新，对气候条件分析和天气预报的准确性水平均会产生不同程度的影响。相较于传统天气雷达，新一代多普勒天气雷达可以从径向分量上获取风矢量，为强对流天气临近预报提供了很大的方便，提升了强对流天气预报准确率水平。

3结论

由于强对流天气环流形势、危害程度和影响范围不尽相同，但回波特征却有一定的规律。为了进一步增强气象部门对强对流天气的监测和预警能力，应加大研究对流回波特征，提升强对流天气预报准确性水平。

参考文献

[1]任得萍,赵文杰,严玉霞,等.新一代天气雷达产品在临近天气预报中的应用[J].天文与地理,2018(3).

[2]曹玲,窦永祥,杨晓玲,等.新一代天气雷达在河西走廊强对流天气预报中的应用[J].干旱气象,2007,25(4).

[3]周晓军,梁丛虎,李宁刚.雷达资料在强对流天气方面的应用[J].农业与技术,2014,34(3).