探析天气雷达产品在强对流天气观测预报中的运用

探析天气雷达产品在强对流天气观测预报中的运用

吴婵

海南省屯昌县气象局 571600

摘要：天气雷达是目前国内各地区气象站监测强对流类型气象的最有效设备技术，且新一代天气雷达更是能提供对流天气微观结构信息和系统外场的详细信息，同时雷达其他导出类技术产品还能定向提供针对性的数据信息，帮助各地区的气象站做好强对流天气的定量预报。气象站的预报精度和服务及时性也因此得到提高。气象站工作人员在进行强对流天气预警工作时，要充分利用新一代天气雷达相关技术设备，关注设备的报警状态，中气旋通常预示着要发生恶劣天气，在暴雨降水预报中，应特别注意相对地区的位置及扩展趋势，包括留意自己气象站周围的辐射状况，在分析多普勒雷达产品时，需要总结主要产品原理和导出设备的原理，排除由于天气和算法造成的虚假信息。

关键词：天气雷达；强对流天气观测预报；运用

引言

强对流天气出现时候，经常性伴随着不同类型的恶劣气象，比如强力的雷暴现象、高速度的大风、颗粒较大的冰雹降落、短时大降雨等等，有时候这些恶劣气象还会交叉混合出现，所以说强对流类型的气象是目前各地区最危险的灾难之一。通常强对流类型的天气主要发生在场地不大的范围里，在于区域上空的云层内产生，强对流类天气往往没有普通气象变化所波及的地域面积大，只会在一定的范围内急速产生，这个范围有的时候能达到好几百的公里，发生的范围最小的话，仅仅就几十米距离。强对流发生的危害距离或大或小之间差异过大，就会带给各地区工作人员一个压力问题，可能过小的距离检测不出来，也可能过远的距离检测不及时，导致灾害。天气雷达技术应用于气象领域以来，在强对流天气监测预警中发挥着重要作用。气象定位器可以传输相关的脉冲电磁波，在有云层天气的情况下，电磁波会向四面八方散射，向后散射，被雷达接收。对比以往的资料来看，传统的雷达技术只有在回波中才能提取反射系数，才能获得反射系数信息，而新时代的新技术多普勒雷达投入使用以来，被各个地区气象站用作探测自己地区的强对流天气变化工具。新一代天气残测雷达产品的主要特点是灵敏度高，空间分辨率高，能够探测传统雷达无法探测到的太阳和大气回波。近年来，越来越多的专家和气象学家为强对流天气的检测加大研究力度，因此国内外对多普勒雷达站的理论知识和应用的研究越来越积极并得出了许多重要结论。新一代气象雷达评估降雨量是否到达强对流强度、大气上空垂直风带评估是否达到强对流程度、雷达径向速度同化数据和反照率等，并为数字预测提供初始字段。国内的多普勒气象雷达普遍投入使用至今，纷纷积累了各种类型的天气变化数据，各气象站工作人员积累了应用雷达产品预测强对流的丰富经验。在此基础上，本文分析了雷达天气产品在强对流逼近预报中的应用，为进一步提高接近天气预报的水平，并为本地人工影响天气提供优质服务，防灾减灾，充分发挥气象服务的经济效益。

1.天气雷达产品概述

1.1天气雷达产品的工作原理

天气雷达产品的工作原理主要是针对在一定时间内重复短脉冲波的脉冲雷达，然后得到降水颗粒散射的回波脉冲。诸如雨滴、雨滴光谱、降水颗粒相态、结晶颗粒形态和取向等特征。冰晶形态直接影响雷达辐射波中大气降水的散射和吸收。所以工作人员在对天气雷达产品测算的数值做出分析的时候，可以参考不同的理论以及实际的经验资料，并根据回波信号功率测量雷达探测范围内大气降水的强度和影响。

1.2天气雷达产品的作用特点

天气雷达产品具备的结构特点可以划分为五种特点类型，第一种就是对数中频放大器的选择，数中频放大器能够保障输出与输运信号强度对数之间的正比例，使云和降水的反射强度在变化范围更广的情况下能够稳定提示。第二种特点类型是距离变化的修正，通过软件测算出结合气象雷达方程，采取R距离上的PR接收功率的平方逆比，就能够与距离变化后不同距离的回波信号强度进行比较显示。第三种结构特点为视频积分器处理，关于沉降信号，其随机涨落具有较明显的性质，必须区分探测范围，因此，它由几个微区组成，每个区域的平均回波强度显示黑色、白色和数字数据。第四种结构特点是雷达参数实时监测设备可定量测定沉降物。最后一种结构特点为电子计算机可监测天气定位器，处理所得的雨量、流速等气象资料。

1.3天气雷达产品的结构

天气雷达产品的构成可以归类成四种组合部件，即由发射机部件、定向天线硬件、接收机部件和显示器软件所组成的。其中最先提到的发射机原理是负责发射脉冲，且脉冲的频率较高，天线设计作用于传输探测脉冲和接收回波脉冲，接收器部件可增加回波脉冲信号，在显示屏软件的处理上人员可以以图像形式发现雷达位置、回波信号结构以及降水区、风暴等气象变化的强度。构成天气雷达产品部件里，有三种主要的功能组件，第一种要说的就是可以显示距离的显示器设备，这个设备能够将气象种类回波强度进行测算，并显示出数值。第二个种类部件能够显示出该气象所处位置，这种部件并非是移动的，而是将自己所处的作为中心点，把范围内的可检测的气象检测到，能够显示主要风暴的气象物体之间距离和方位所在地图及具体坐标，包括对降水区域的降水量、暴风区域的暴风面积分布信息，最后一种就是显示高度的显示器，主要用来显示垂直平面上气象装置的距离和高度，以给定的方位角为矩形坐标，主要反映风暴的垂直结构，包括降水区的垂直结构等。从上世纪初开始，数字数据处理系统就被添加到了天气雷达产品中。

2.天气雷达产品在强对流天气预报种的应用

2.1反射率因子产品

对产品而言，反射率因子可以直观地反映降水强度、降水反射变化特征和降水变化动态趋势，将它们与天气特征相结合，可以准确识别层状云、正面、滑轮线、积云、混合云层的信息。此外，随着时间反射系数的变化，气象站工作人员可以判断具体的交通路线和未来降雨反射趋势，这也是气象雷达在强对流逼近预报中广泛应用的主要原因，有效提高了精度和时效性来预测发生时间短的强对流天气。^[1]

2.2回波顶高与组合反射率因子

实际上，回波顶高超过规定标准数值就会成为组合反射因子，对应雷达技术测算到的角度信息。往往有一个定律，就是回波信号高度变化和系统强度的变化是相对应的，就是说回波信号高度越高，系统强度也就越强，那么反过来也成立。因此在气象站进行强对流气象检测的时候，就可以观察回波顶高浮动的变化，变化越明显，说明天气发生变化的可能性就越大。由于雷达站对静视锥的影响，有时低于雷达周边回波信号的实际估计值，如果不掌握向上垂直外推的方法，则会使回波信号的风暴顶级估计更加困难。^[2]

2.3基本反射率

基本的反射率在原理上是指雷达在进行体积扫描时，通过图像显示的不同扫描角度的回波强度显示信息，称为主反射系数，其分辨率涵盖三种不同类型，分别是一千米分辨率和两千米分辨率及四千米的分辨率。基本反射率的射程范围为两种类型，一是两百三十千米的反射射程，二是四百六十千米的反射射程。此外，主要的发射产品有不同层次的图像级别，不同层次的图像级别是根据检测模型的变化而形成不一样的变化，反射率产品基本上都可以确定降水反射强度、结构特征、运动和发展动态，并确定方向和趋势信息，而且可以在连续更新信息的降雨运动强度和动态信息基础上继续对降雨的趋势变化、移动方向、降雨量的大小力度等做出分析辨别。因为冰雹气象对空间结构和电磁波散射形式比较特殊，因此冰雹云中反射的云层具有独特的结构特征。如果反射系数高于55分贝，这意味着更强的云层可以更容易产生冰雹。除了新一代气象雷达接收到的常规雷达回波外，还有其他特点，结合雹离子的高散射能力形成三体散射，意思是三体散射的出现更可能发生冰雹气象变化。应用反射率产品时能够很好的确定该区域云层降水量、冰雹发生几率趋势、风暴结构、边界层位置等。反射率产品还可对暴雨、风暴结构、冰雹、边界层位置等进行评价。这有助于预测即将到来的强对流灾害。^[3]

2.4强回波比例

强回波比例是指雷电暴雨相组合的气象在产生过程中，带有强力电压的闪电宽度和高度数值超过观察标准，那么就会进行一个回波信号体积的比例计算，就是指强回波比例。通过研究历史资料和大量实践成果可以得知离子在电荷分离中有着重要的决定性作用，在环境液态湿度和环境湿度的影响下，导致冰相离子效应和电极性能的显著差异。^[4]

2.5垂直累积液态含水量

通常，液态水的垂直积聚主要反映在降雨云中，这意味着垂直列中液态水分布的图像，以确定深度区域。利用垂直积聚的液态水，可以判断冰雹、雷暴等灾害天气。垂直累积液态含水量是气象部门防灾减灾所使用的有效手段。自从该手段研究且应用以来，绝大部分的地区气象部门都是将之使用在强对流天气（如冰雹、暴雨等）的判断上。以往的气象部门呢习惯利用雷达回波参数对梯度回波进行分析，并通过单因子法识别梯度，基于回波信号的形态学特征对双因子点和组合参数进行了研究。但目前在新的气象条件下，垂直积聚的液态水得到了广泛的应用，是因为实践证明这是辨别风暴强度的重要指标其一，为冰雹、暴雨等强对流天气过程预警提供更为可靠的依据。^[5]

2.6谱宽数据

事实上，可以通过频谱宽度数据来表示速度谱宽数据，主要是为了测量速度聚集的程度。光谱纬度数据包含平均径向风切变速度、湍流速度、速度采样质量变化的信息，以及密度破裂边界的位置、直径矢量的效率水平以及湍流的精确估计，有利于强对流条件下天气预报工作的成功进行。^[6]

2.7平均经向速度产品

进行全范围角度的扫描，并且将径向扫描到的速度数据称为平均径向速度产品。这个产品的作用是负责将雨滴下落的轨迹和下落的速度进行测算，通过雨滴降落在雷达感受器上的分量得出的。基于径向速度就能够计算出该区域目前的大气变化和风速。仪器测算后在显示屏显示出测算数据图之时，可以调节径向速度，径向速度产品作为强对流天气预报的重要参数，对各地区气象站进行天气状况分析和预报精度有重要影响力。与常规气象雷达相比，新一代天气雷达可直接通过径向分量接收风矢量，这有助于预测短时间的强对流天气变化，并提高预测精度。

3.雷达资料在强对流天气预报中的应用

3.1结合方位角中零速度线变化确定气旋中心

在实际气象观测中，一旦发现台风或气旋，一段时间的天气气候变化在很大程度上取决于气旋的中心位置，如风速、降雨的开始和结束。雷达数据的主要特点是稳定、准确，同时实时效率更高。在确定旋流器中心位置的过程中，应考虑多普勒雷达产品零速时的动态方位变化，可以快速方便地识别。对于向后移动的气旋，气旋中心位于观测站的左侧，如果位于气旋中心，则气旋中心位于观测站的右侧，零速度在方位角上顺时针变化，气旋中心在相反的方向上。为了提高旋流器中心的确定精度，可以增加零速和旋流器中心的运动方向，两条延长线的交汇处为气旋中心。在实际观测中，经常会有气旋在当地或观测站的中心形成，但在天气图上没有直线，当这种情况发生时，结合速度场雷达信息，应准确判断是否有气旋或降水天气。

3.2零速度线弓形回波对短时间降水预报的指示性作用

预测强对流天气逼近的关键是强降水的开始和结束，以及强对流天气期间大气降水增强或减弱的时间，这可以通过零速线的弓形样式信号来证明。一些专家和气象学家为了提高强对流天气预报的准确性，图中显示了弓形样式零速线与散射和收敛场的关系，根据图像的内容，它们之间可能有很好的关系体现，如果入流出现在弓形样式内，输出流出现在弓形样式的外部。如果输入与输出之间的方向改变，则随着位于零速南线的高度增加，会发生顺时针旋转，说明温暖的水平流侵入地形上空，如果在空中出现热平流层流速场，这将表明当地大气降水量增加。一般来说，零速线在散射场和收敛场中的回波值差别很大。在散度场中，零速线代表参考点半小时后，该段降水强度将下降，直至降雨结束。在长时间的收敛过程中，零速线代表了今后一段时期该地区降水强度的增加。因此，在实际接近强对流天气预报时，工作人员必须仔细分析弓形样式零速线的出现时间，以尽量减少强对流的危险。

3.3把逆风区作为预测强对流天气的依据

逆风区域是指在同一方向使用雷达速度数据时，在速度区域出现相反的速度，这是低仰角平面径向布置速度计划中较为常见的现象。对于较成熟的逆风，风速变化表现为利用颜色深度，正好消除大气通量的不均匀特性，如果云在上下层风之间的运动速度，如果云的运动速度高于下一层风，但小于上一层，那么就会形成上升流，相反，它形成了一个下沉流。随着时间的推移，对流系统将得到发展和加强，最终导致持续而剧烈的降雨。因此，当出现强对流天气时，如强降雨、雷暴、强风等。要认真寻找逆风带。前两个小时的强降雨将逆风，如果强风或雷暴等强对流天气，逆风情况将提前半小时。风带的出现可能不是天气预报的主要依据，但据一些地方的统计，如降雨、雷暴和强风，近一半强对流天气出现在迎风区，使迎风区成为评估强降雨、雷暴、风暴和其他强对流天气预报的参考依据。

结束语

经过本文对天气雷达产品各方面的分析，天气雷达产品是当前预防国内灾害的有力武器，因为国内灾害的频繁发生，所以技术的支持给人民生活带来更大的保障，新的天气雷达科技，更是可以在内部强对流条件下，解析微观变化数据，配合相关数据导出设备，大大减小了气象站工作人员的工作压力，帮助各地区气象部门更好地应对强对流天气的袭击。有效率的帮助各个地区气象站检测能力持续提升。

参考文献

[1]姬海斌, & 赵婕. (2021). 气象雷达产品在强对流天气观测预报中的应用. 科学与信息化(27), 3.

[2]彭洁. (2020). 多普勒天气雷达回波数据可视化技术研究. (Doctoral dissertation, 浙江工业大学).

[3]王冰瑞, & 于亚楠. (2020). 多普勒天气雷达天线扫描速度提高前后的数据分析与对比. 国外电子测量技术, 39(6), 7.

[4]吴宏伟. (2020). 气象雷达产品在强对流天气观测预报中的应用. 山西农经(18), 2.

[5]贺晓冬, 曹蕾, 宗勇, 刘雨薇, & 周同乐. (2020). 一种强对流天气短临预报方法及系统,存储介质和终端. CN111352113A.

[6]王坚红, 张俞, 王群, 邢彩盈, 苗春生, & 王兴. (2020). 中小尺度强对流天气雷达径向风精细化定量特征与预警信息研究. 气象科学, 40(4), 12.

作者姓名：吴婵（1977.09），女，汉族，海南省海口市人，本科，高级工程师，从事天气预报服务工作。