新一代天气雷达非降水回波的识别与应用

吴迎旭,张礼宝,石慕真
(黑龙江省人工影响天气中心,黑龙江 哈尔滨 150030)


摘要:通过对2002-2004年哈尔滨新一代天气雷达资料的整理分析,总结出各种非降水回波的特征,并着重讨论了其识别方法及其在回波分析中的意义,分析说明了非降水回波在实际天气预报中的应用。
关键词:新一代天气雷达;非降水回波

1、引言

非降水回波是指还没有产生降水的云、雾、晴空大气、地物或是虚假的旁瓣、超折射等雷达回波。

随着新一代天气雷达的广泛应用,回波分析在天气预报、人工影响天气等气象业务上的应用显得越来越重要。人们在雷达回波分析过程中往往只注重对降水回波的分析,而忽略了对非降水回波分析,这样有时就会混淆降水回波与非降水回波,甚至有时候将非降水回波识别为降水回波,影响对降水回波的判断,从而影响预报的准确性,另外某些非降水回波还对天气具有重要的指导作用,忽略了对它的分析,会使我们失去准确快捷的预报工具。本文从这个意义出发分析和讨论非降水回波,从而能够对其有个准确的认识。

2、地物回波
由地表及其上的各种建筑物等对电磁波的反射产生的回波,统称为地物回波。这些回波和地形、地物显得比较一致,强度图上(图1a)回波表现为边缘清晰,固定不变,速度图上(图1b)回波表现为白色,即速度为零。识别地物回波最常用的方法就是抬高仰角,因为地物回波的高度比较低,随着仰角的抬高回波会消失;此外,地物回波在速度场上表现为零速度,观测中容易与其它回波区分开。
       
              a                            b
                  1 地物回波  a)强度图 b)速度图

3、晴空回波
云体很稀薄或没有云雨的晴空大气里,或在由很小粒子所组成的云区内能探测到的回波,称为晴空回波,由于早期没有寻出其形成原因,也称做“神仙波”[1]。现在,人们发现产生这种回波的气象条件有二种:一是大气中存在折射指数不均匀的区域,即湍流大气造成了对雷达波的散射;二是分层大气中存在折射指数垂直梯度很大的区域,即大气对雷达波造成了镜式反射[1]。晴空回波的高度一般都很高,强度很弱(如图22.4度仰角),因此只有在测站近处才能探测到,其速度一般都比较大,这主要是由大气湍流的散射造成的。在高显图中经常表现为细长的条状(图2



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4、奇异回波
由鸟和昆虫或热对流所引起,或是由大气中强折射指数梯度对电磁波产生的反射或散射造成的雷达回波称为奇异回波。
4.1蜂窝状奇异回波
蜂窝状奇异回波是由于地面受热不均而引起的热对流泡所形成,由于回波形状像蜂窝,故称为蜂窝状奇异回波。这种回波一般强度较弱,常出现在测站附近,回波由许多直径在1.5-3.0公里左右的泡体组成,泡中心无回波,回波顶高也只有几百米[1]
4.2窄带奇异回波
窄带奇异回波是细长的带状或圆弧状弯曲的回波,宽只有1-2公里,其所在高度一般只有1公里左右。
窄带奇异回波与降水回波的关系非常密切,它一般出现在两种降水回波之间、雷雨带之间或者单体雷雨和雷暴群周围(图3)。
窄带回波多出现在雷雨回波移动方向的前方,它是雷雨云前进方向上倾斜上升气流与雷雨云中的下沉气流辐合形成的,由于此时雷雨云中开始出现较大的下沉气流,上升气流不再占主导地位,雷雨云不再发展,逐渐开始减弱,并最终走向消亡。因此窄带回波的出现也意味着强对流开始减弱。

     3
4.3太阳光回波
太阳光中包含了与天气雷达工作频率相配合的电磁波。通常在日出及日落时,天气雷达都会接收到这些来自太阳的电磁波,并将它误认为雷达本身的回波。这些接收到的信号会显示成从雷达中心向外伸展的条状波束(图4)。
        

(a)
(b)

4 太阳光回波

图(4)为太阳光回波,其中a为清晨时的太阳光PPI图,b为清晨时太阳光RHI图,都显示出由太阳光所导致的条状波束在日出和日落的方向出现。由于距离库的原因,速度场上没有很明显彩条分布,只是一些杂乱的颜色混合在了一起。

5、沙尘暴回波
沙尘暴是强风将地面大量尘沙吹起,使空气很混浊,水平能见度小于1公里的天气现象。 若水平能见度小于500米则成为强沙尘暴[2]。
   当沙尘与微量降水混合在一起时,在雷达显示屏上就会有回波出现。其结构特征为蜂窝状,结构较松散,这是由于上升气流与下沉气流共存的不稳定大气造成的,这种蜂窝状在PPI图上更为明显。如图5,回波中的空洞地区表明有强烈的上升运动,带起沙尘造成沙尘暴,而回波区则是下沉气流造成的微弱降水区,在“蜂窝状”空洞处一般出现扬沙和沙尘暴天气[2]。 

  
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6、旁瓣回波
由于天线向外辐射出去的电磁波能量除了主瓣外还有旁瓣,有时旁瓣发射出去的电磁波也能够被接收到并显示出来,这种回波就叫做旁瓣回波。由于旁瓣辐射的能量很小,所以只有遇到一些特别强的云雨目标物时,才能观测到。
旁瓣回波在RHI上的特征比较明显,表现为回波顶上出现一条细长的回波,由于它不是真正的回波,所以很容易影响人们对回波顶高的判断。如图(6),标记处为旁瓣回波,如果把旁瓣回波当作真实回波,则顶高为20公里,而真正的回波顶高只有12公里。 

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由于只有在遇到一些特别强的云雨目标时,才有旁瓣回波出现,所以“旁瓣”回波的出现通常会伴有:雷雨、工会、冰雹等强对流天气。
7、超折射回波
超折射是指超短波射线的绝对曲率大于地球表面的绝对曲率的折射。超折射回波指由雷达波在大气中发生折射现象产生的回波。这种回波使原来雷达探测不到的目标物显示出来了,由于超折射出现要满足一定的大气层结条件,因此超折射的出现对短期天气预报也有一定的参考价值。又增加了雷达探测的极限距离,但同时也由于这种现象的存在增加了探测误差。
7.1不同种类的超折射
大陆上晴朗的夜晚,由于地面辐射,近地层降温很强,尤其是夏半年地面较潮湿时,由于逆温存在使水汽不能向上输送,而形成水汽压随高度增加急剧减少,这时产生超折射,称为“辐射超折射”[1]7 a)。
在雷暴消散期,由于降水对地面的冷却作用,和降水后近地面湿层迅速上升,使得雷暴区的下部空气层中产生超折射,称为“雷暴超折射”[1]7 b)。
雷暴超折射与辐射超折射只是成因不同,其回波特征是一样的,速度场上都显示为白色。他们都预示着大气稳定:辐射超折射的出现预示着未来至少24小时的晴好天气,雷暴超折射的出现预示雷暴开始减弱。
超折射回波实质上也是地物回波的一种,但探测到的地物是我们平时看不到的地物,所以我们也可以用区分地物回波的方法区分超折射。
     

a
b

7 超折射回波速度图
7.2、多层模式
由于大气的层结状况不同,雷达波束在大气中的超折射方式也不同,雷达回波中也就出现了多层模式的超折射。二层模式的层结结构是:超折射层-非超折射层;三层模式的层结结构是:非超折射层-超折射层-非超折射层;四层模式的层结结构是:超折射层-非超折射层-超折射层-非超折射层。因此多层模式表现为超折射回波与非超折射回波相间排列的形式。如图8为四层模式,相应的大气层结依次是:超折射层-非超折射层-超折射层-非超折射层。

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8、二次回波
天气雷达会定时发出微波,有些时候,当从遥远的雨区反射回来的微波到达雷达时,雷达已经再次发出脉冲。因此便误以为该反射回来的微波是从第二次发出的脉冲所来,令雷达错误定出雨区是在较近的位置。这些雷达回波被称为“二次传输回波”。 
雷达图像上(图9)显示“二次传输回波”呈条带状,但这实际上是由150公里外的一个雨区所导致的。
    

a

b

9 二次回波  a)强度图 b)速度图

9、结论
(1)非降水回波对降水回波的判断有一定的干扰作用,应该用适当的方式加以识别区分,尤其不能将他们误识别为降水回波,甚至强对流回波。最易发生混淆为:二次回波、地物回波和超折射回波。
(2)某些非降水回波对天气有一定指示作用,通过对它们的分析对天气预报有一定的指导作用,他们可以帮助我们快捷准确地对未来天气做出判断,最具指导意义的非降水回波为:超折射回波,窄带奇异回波和旁瓣回波。 

参考文献
[1]张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学.北京.气象出版社,2001年1月
[2]大气科学词典
[3]张晰莹,孙永罡,金凤岭,张礼宝,张桂华,刘颖. 多普勒天气雷达资料在沙尘天气监测中的应用.南京气象学院学报.气象出版社。2003年第四期

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