雷达资料在雷电预警中的应用.doc

分类号 分类号 TN959 4TN959 4 U U D D C C D10621 408 2008 0889 0D10621 408 2008 0889 0 密密 级 公级 公 开开 编编 号 号 20030221992003022199 学学 位位 论论 文文 雷达资料在雷电预警中的应用雷达资料在雷电预警中的应用 论文作者姓名 论文作者姓名 申请学位专业 申请学位专业 申请学位类别 申请学位类别 工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名 职职称称 论文提交日期 论文提交日期 年年 月月 日日 雷达资料在雷电预警中的应用雷达资料在雷电预警中的应用 摘摘 要要 雷电是一种十分常见而且颇具破坏性的一种天气现象 它对人们的日常生 活造成了很大的影响 如何能够减少雷电对人们的危害一直是人类希望解决的 问题 本文首先介绍雷电形成的基本原理 雷电的形式以及各种危害 并介绍了 对雷电的预防和预警来降低雷电造成的危害 其次 本文使用多普勒天气雷达对雷电进行预警 对多普勒天气雷达进行 了简要介绍 以多普勒天气雷达为研究对象 深入讨论了对雷电进行预警的方 法在各个环节的基本原理 并通过雷达资料提取预报因子 通过对某地区单体 中的雷达回波强度顶高在单体发展过程中的演变的研究 并结合从各单体发生 当日的探空资料中得到的温度层结的高度进行的综合对比分析得到结论 从而 对雷电进行预警 关键词关键词 雷达资料 预报因子 回波强度顶高 温度层结的高度 雷电预 警 Radar material in thunder and lightning early warning application Abstract Lightning is a very common and very destructive of a weather phenomenon and its people s daily life caused a great impact on how people can reduce the harm to the Lightning has been the hope of mankind to solve the problem This paper introduces the basic principle of formation of thunder and lightning thunder and lightning and various forms of harm and gave a briefing on the prevention of lightning and thunder and lightning warning to reduce the harm caused Secondly the paper used Doppler weather radar early warning of lightning the Doppler weather radar for a brief introduction to Doppler weather radar to study objects in depth discussions on the Lightning early warning of the approach in all aspects of the basic principles of And through radar data from forecasting factor through to a single region of the radar echo strength in the high single roof in the development of the evolution of the study combined with a single day from the sounding of the information received temperature The high degree of stratification in the General comparative analysis concluded early warning of lightning Key words Radar material Predictor Top high intensity Echo The high temperature stratification Thunder and lightning early warning 目录目录 论文总页数 21 页 1 引 言 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 雷电概述 1 1 1 2 雷电机理与成灾机制 2 1 1 3 雷电的防护技术 3 1 2 使用雷达对雷电预警 6 1 2 1 新一代多普勒天气雷达简介 6 1 2 2 天气雷达的产品应用 9 1 3 国内外研究现状 9 1 3 1 雷电观测系统 9 1 3 2 雷电预警系统 10 1 4 本课题研究的目的及意义 11 1 5 本章小结 11 2 雷达对雷电预警的实现方法 11 2 1 预报因子的选取 11 2 1 1 雷达回波强度因子 12 2 1 2 回波高度因子 12 2 1 3 强回波比例因子 13 2 2 预报方法 13 2 2 1 非雷暴单体与雷暴单体的初步区分 13 2 2 2 对雷暴单体中初次闪电发生时间段的预报 14 2 3 对预警方法的独立检验 15 2 3 1 独立检验个例 15 2 3 2 利用预警方法得到的结果 16 2 3 3 对预警方法效果的评估 17 2 4 本章小结 17 结 论 18 参考文献 19 致 谢 20 声 明 21 第 1 页共 21 页 1 1 引引 言言 1 1 1 1 课题背景课题背景 1 1 1 1 1 1 雷电概述雷电概述 通常所谓雷电是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层 或者是 带电的云层对大地之间迅猛的放电 这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴 随巨大的声音 当然 云层之间的放电主要对飞行器有危害 对地面上的建筑 物和人 畜没有很大影响 然而 云层对大地的放电 则对建筑物 电子电气 设备和人 畜危害甚大 通常雷击有三种主要形式 其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅 猛的放电现象 叫做 直击雷 其二是带电云层由于静电感应作用 使地面某 一范围带上异种电荷 当直击雷发生以后 云层带电迅速消失 而地面某些范 围由于散流电阻大 以致出现局部高电压 或者由于直击雷放电过程中 强大 的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现 象 叫做 二次雷 或称 感应雷 其三是 球形雷 不管是直击雷还是感应雷都与带电的云层存在分不开 带电的云层称为雷 云 有关雷云形成的假说很多 但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学 说 这里我们介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说 根据大量科学测试可知 地球本身就是一个电容器 通常带了稳定地带负 电荷 50 万库仑左右 而地球上空存在一个带正电的电离层 这两者之间便形成 一个已充电的电容器 它们之间的电压为 300Kkv 左右 并且场强为上正下负 当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升 或者较温暖的潮 湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流 这些含水蒸气的上升时温 度逐渐下降形成雨滴 冰雹 称为水成物 这些水成物在地球静电场的作用下 被极化负电荷在上 正电荷在下 它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶 这二者称为云粒子 要大 因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰 撞 碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获 增大了水成物的体积 另一部分未被捕获的被反弹回去 而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分 正电荷 使水成物带上负电荷 由于水成物下降的速度快 而云粒子下降的速 度慢 因此带正 负两种电荷的微粒逐渐分离 这叫重力分离作用 如果遇到 上升气流 云粒子不断上升 分离的作用更加明显 最后形成带正电的云粒子 在云的上部 而带负电的水成物在云的下部 或者带负电的水成物以雨或雹的 形式下降到地面 当下面所讲的带电云层一经形成 就形成雷云空间电场 空 间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致的 都是上正下负 因而 加强了大气的电场强度 使大气中水成物的极化更厉害 在上升气流存在在情 第 2 页共 21 页 况下更加剧重力分离作用 使雷云发展得更快 综上所述 雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线 把不同电荷进一 步分离 由此可见 雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动 没有这些 运动 是不会有雷电的 这也说明了为什么雷电总伴随着狂风骤雨而出现 1 1 1 1 2 2 雷电机理与成灾机制雷电机理与成灾机制 雷电的基本物理过程 雷电是在雷暴天气条件下发生于大气中的一种长距离 放电现象 具有大电流 高电压 强电磁辐射等特征 雷电主要有发生于云内 不同电荷区之间的云闪 发生于雷暴和地面之间的地闪以及发生于雷暴之间不 同极性电荷区的云间闪电 云闪一般占总闪电的三分之二 而云间闪电发生的 几率较低 地闪对人类危害最大 地闪根据所中和的云中电荷极性可分为正地 闪和负地闪 一般情况负地闪约占总地闪的 90 地闪过程一般持续时间为几 百毫秒到 1 秒钟不等 主要包括梯级先导或直窜先导以及一次或几次回击过程 有时回击之后常伴随有连续电流过程 回击之间的时间间隔一般为几十毫秒 一次闪电放电可以辐射频带很宽的电磁波 从几 Hz 到上百个 GHz 负地闪过 程将云内的负电荷输送入地 一次负地闪过程通常可中和几十库仑的云中电荷 它以持续时间为几毫秒到几百毫秒的云内预击穿过程开始 之后是从云到地以 间歇性突跳式行进的梯级先导过程 梯级先导过程在几十毫秒内向下输送大于 10C 以上的负极性云电荷 先导电流平均为 300A 当梯级先导头部接近地面时 在地面的自然尖端或高大建筑物等突出物体上将诱发一个或几个上行先导 由 此产生连接过程 当下行先导头部与上行先导接触时 随即发生首次回击过程 回击上行的速度约为光速的三分之一 峰值电流平均约为 30kA 上升时间约为 几微秒 首次回击结束后 放电过程如果停止 则称为单闪击闪电 如果在较 短的时间内发生以直窜先导或直窜 梯级先导引导的继后回击 则为多闪击闪 电 正地闪的放电过程与负地闪类似 都由云内的预击穿过程开始 之后是从 云到地的先导和回击过程 但正地闪回击次数一般较少 通常只有一次回击 雷暴中以中和负极性电荷的负地闪为主 但在雷暴的消散阶段 中尺度对流系 统的层流区 产生冰雹 龙卷等灾害性天气过程的超级风暴中都时常出现大量 的正地闪 更重要的是正地闪的发生发展具有其独特性 观测结果显示正地闪 的最大回击电流有时可达 300kA 中和的电荷量达几百库仑 连续电流的幅值 比负地闪大一个量级 其回击的上升时间较负地闪回击要稍长 由于正地闪具 有中和电荷量多和回击电流大 并常常带有持续时间较长的连续电流而常常引 起诸如森林火灾 油库爆炸等更为严重的雷电事故 不同地区正地闪占全部地 闪的比例有较大差别 从 0 100 不等 比例最高的是日本的冬季雷暴 最高可 达 100 通常在 40 90 之间 一般来讲 虽然在夏季雷暴中正地闪较为罕见 第 3 页共 21 页 但是其发生的比例会随着纬度的增加和地面海拔高度的增加而增加 随着海拔 高度的增加 正地闪发生的比例也增加 在海平面上比例约为 3 在海拔高度 为 2 4km 的地方 则为 30 这个比例的大小很可能与雷暴的电荷结构有关 但目前还没有明确的结论 仍是一个非常值得研究的问题 云闪是最经常发生 的一种闪电放电事件 云闪持续时间与地闪类似 平均为半秒钟 一个典型的 云闪放电过程可以传播 5 10km 的距离 中和电荷几十库仑 云闪放电一般开始 于连续传播的流光 当流光遇到极性相反的电荷源时 便引发类似于地闪回击 的放电过程称为反冲流光 与此相伴的电场叫做 K 变化 对应于小而快速的电 场变化 一般将云闪分为初始 活跃和结束三个阶段 约占云闪整个持续时间 一半时间的初始和活跃阶段与通道垂直延伸有关 最近利用先进的三维雷电观 测系统 LMA 发现在具有三极性电荷结构的雷暴云中 云内放电不仅发生于上部 正电荷区与中部主负电荷区之间 还存在着反极性放电过程 它起始于中部负 电荷区 向下传输到下部正电荷区后水平发展 除极性相反外 其特性与发生 在上部正电荷区与中部主负电荷区的闪电一致 进一步证实雷暴下部正电荷区 的存在并且参与放电过程 云闪由于发生在云内 受云体的遮挡 对其进行直 接的观测较困难 同时由于对地面的影响相对较弱 从而没有引起人们足够的 重视 但随着雷电探测技术的提高 特别是微电子技术的广泛采用 云闪产生 的电磁脉冲对电子设备的影响越来越严重 人们也越来越关注云闪放电特性 尤其是反极性云闪的发现 由于它发生的位置较低 对地面物的影响更大 但 其发生发展机制的研究才刚刚开始 这将进一步促进人们对云闪过程的研究 雷电物理过程的研究仍将是今后相当长一段时间内的主要任务 特别是雷电不 同放电过程的超高频电磁辐射特征 放电的发展和演化过程 放电所伴随的电 光 声效应 以及不同地区雷电放电过程的异同等 这些问题的揭示 将对有 针对性地开展科学的雷电防护 减少雷电灾害起到重要的指导作用 1 1 1 1 3 3 雷电的防护技术雷电的防护技术 中国的雷击灾害十分频繁 受灾率高 造成的灾害十分严重 据中国气象 局政策法规司副司长刘宪华介绍 中国有 21 个省 区 市雷暴日在 50 天以上 最多的可达 134 天 近年来 社会经济 信息技术特别是计算机网络技术发展 迅速 城市高层建筑日益增多 雷电危害造成的损失也越来越大 根据雷电造 成灾害方式的不同 可将雷电灾害分成直接雷电灾害和间接雷电灾害 顾名思 义 直接雷电灾害即是物体直接被雷电击中而发生的事故 间接雷电灾害就是 雷电没有直接击中物体 而是雷电通过其他的途径 如雷电流产生的频带很宽 的电磁辐射 间接对物体造成了损害 针对这两种灾害的防护技术也有一定的 区别 同时又相辅相成 第 4 页共 21 页 直接灾害防护技术 当前比较通用的直接灾害防护技术是分流和屏蔽 分流 技术中所使用的防雷系统一般可分为接闪器 引下线 接地体等三部分 避雷 针 避雷带和避雷线都是目前较为普遍的分流技术中的接闪器 而法拉第笼则 是较为普遍采用的屏蔽技术 避雷网可以看成是这两种技术的综合应用 既有 分流作用 又能起到一定的屏蔽作用 分流技术中最为广泛使用的是避雷针 它将附近的雷电吸引到自身 并通 过引下线和接地导体将雷电流引向大地 从而使被保护物达到避雷的结果 避 雷针的使用可以追溯到 200 多年以前弗兰克林发明该项技术的时候 目前传统 的避雷针技术已经比较成熟 避雷针的大小 引下线的粗细 接地体接地电阻 的大小等都有一定的标准 其保护区域也有一套较为科学的估算方法 目前我国对高大建筑物包括高压输电线路基本上都采取了雷电分流的防护 措施 在一些重要部门如变电所 油库等地方一栋建筑物还采取了不止一种的 保护措施 航天发射场和机场还都安装有完善的雷电监测系统 所有这些措施 都可一定程度上避免雷电灾害的发生 但是由于很多地方管理措施跟不上 每 年针对防雷设施的维护和检修工作还不十分到位 一定程度上造成了雷害的隐 患 这往往是造成雷电灾害的主要原因 接闪器是雷电防护中直接和雷电相接触的设备 目前对于避雷针顶端的曲 率半径的讨论也还没有一个确定的结论 即接闪器使用尖端和钝端的避雷针的 防雷效果哪一个更好 对于闪电击中避雷针时的连接点的位置是在避雷针的顶 端还是中间位置等也没有一个定论 在一定区域中如何利用最少量的避雷针组 网以实现对该区域的保护 同时降低其失误率等 也是目前这个领域需要解决的 几个关键问题 当雷电击中避雷针时 强大的雷电流会通过引下线泄放到大地 因此引下 线的截面积是其标准中的一个重要参量 以高大建筑物为例 由于引下线一般 是从高处顺建筑物表面或内部到达地面 当有雷电流流过时 强大的电流所产 生的磁效应也是不容忽视的 所产生的磁场脉冲可能直接导致室内各种电子设 备受损 甚至引发火灾等一系列连锁反应 因此 尽管各种防雷标准中对引下 线的设计都作了严格的规定 但随着雷电研究的深入 进一步改进引下线使其 能在电流流过时尽量减小由电流产生的磁场应该成为这个领域的一个重点 屏蔽技术也已经广泛使用 如各种车辆所采用的金属外壳就可以看作是一 个法拉第笼 一定程度上屏蔽了雷电的辐射 从而也有效地避免了雷击事故 各种大型船舶除了其金属外壳的屏蔽作用 还都装有避雷设施 如避雷针 但 这个领域的防雷工作在我国还不是一个重点 目前很多大型建筑物都采用金属 框架结构 这些建筑物体内的金属网除了可用作引下线以外 也有屏蔽作用 第 5 页共 21 页 但金属框架的网格究竟要多大才能更好的起到屏蔽作用 同时又节省材料和减 轻建筑物的重量 还需要多方论证 这可以利用数值模拟的方法 并可以利用 各种大小的金属法拉第笼进行室内实验来得出结论 间接雷电灾害的防护主要是针对建筑物内的各种电子设备 如通讯设备 电 力设备和家用电器等 因此间接雷害的防护看起来要比直接雷害的防护要复杂 其实 直接灾害和间接灾害并非是完全独立的两种不同的雷电灾害 一次雷击事 故往往同时包含着这两种灾害 在过去很长一段时间里 由于间接灾害有时候 没有直接灾害那么明显 而且发生的频率也要低一些 因此相对于直接雷电灾 害而言 间接灾害的防护并没有得到足够的重视 但随着微电子设备如计算机 的广泛使用 由间接雷电灾害所造成的各种事故也逐年上升 因此间接灾害的 防护也越来越得到各个部门的重视 尤其是一些通讯 电信和电力部门以及一 些较大单位的大型机房等 基本上都安装有雷电防护设备 但在各地居民家中 对家用电器安装防雷设施的还非常少 在雷电防护技术中 雷电防护的分区非常重要 一般分为直击雷非防护区 LPZ OA 和直击雷防护区 LPZ 0B 在 LPZ OA 内的各类物体完全暴露在外 部防雷装置的保护范围之外 都可能遭到直接雷击 电磁场未得到任何屏蔽衰 减 属完全暴露的不设防区 在 LPZ 0B 内的各类物体处在外部防雷装置保护范 围之内 应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击 但电磁场未得到任 何屏蔽衰减 属充分暴露的直击雷防护区 同时根据防护级别的要求还分为三 个屏蔽防护区 第一屏蔽防护区 LPZ1 内的各物体不可能遭到直接雷击 流 经各类导体的电流比 LPZ 0B 区进一步减小 且由于建筑物的屏蔽措施 本区内 的电磁场强度也已得到了初步的衰减 第二屏蔽防护区 LPZ 2 为进一步减小 所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区 第三屏蔽防护区 LPZ 3 为需要 进一步减小雷击电磁脉冲 以保护敏感设备的后续防护区 对于间接灾害的防护 一方面要对建筑物防止直接雷击 另外可以将需要 保护的设备进行屏蔽以防止雷击损坏 再就是利用形形色色的避雷器 主要是一 些半导体器件 目前比较流行的避雷器所使用的防护技术主要是限流和限压 又可以细分为电压钳位 电流带通滤波 光电隔离等等技术 当前在各个低压 系统中使用比较广泛的是雷电流浪涌保护装置 其被直接连接在各种电系统中以 保护系统中的元器件 对雷电流浪涌保护装置的设计有一定的要求 如响应迅速 通流能力好 插入损耗小 有较好的电磁兼容特性等 首先要解决的是考察须安装保护装置 的场合是否必需 有的场合不需要安装 安装后反而对其他设备不利 其次 和防护装置的加工工艺有关的问题也要进一步加强研究 以使其安装简单 并 第 6 页共 21 页 提高其可靠性 同时 要针对每一种避雷器产品的防护效果 可靠性 和电磁 兼容等特性进行科学的检验和论证 实践证明 为使防雷能达到最佳的防护效果 一般都不是单纯使用一种防 雷技术 而是多种技术同时使用 除了各种避雷设施以外 还要考虑当地的环 境及当地的气象条件和雷暴活动规律等诸多因素 即所谓的综合性防雷 1 1 2 2 使用雷达对雷电预警使用雷达对雷电预警 面对日益严重的雷电灾害 对雷电进行预警预报的工作也吸引了越来越多 的关注 但由于目前许多对雷电和相关领域的观测技术和手段还处于研究或试 验当中 因而目前对雷电预警预报方法的研究只能立足于现有装备技术条件之 上 雷达是目前很多国家和地区都广泛架设了的一种探测设备 它不仅观测结 果达到一定的精细程度 能够反映云内粒子的宏观特征 而且探测周期短 两 次扫描之间的间隔通常只有 5 6 分钟 这就为雷电的预警预报提供了空间结构 上相对完整 时间上足够密集的数据 因此 雷达资料也成为了目前条件下进 行雷电预警预报的首选资料 据专家介绍 多普勒雷达是目前世界上最先进的雷达系统 有 超级千里 眼 之称 相较于传统天气雷达 多普勒雷达能够监测到位于垂直地面 8 12 公 里的高空中的对流云层的生成和变化 判断云的移动速度 其产品信息达 72 种 天气预报的精确度比以前将会有较大提高 1991 至 1997 年 美国在全国及海 外布网的 165 台 nexradar 被称为天气雷达系统的典范 是目前世界上最先进的 和最精确的天气雷达系统 它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性 天气警报的能力无与伦比 nexradar 可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品 极大地提高了对超级单体 湖泊效应雪 成层雪 雷暴 降水 风切变 下击 暴流 龙卷 锋面 湍流 冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力 对强雷 暴的侦察率是 96 对龙卷的发现率是 83 对龙卷警告的平均预警时间是 18 分钟 而在未建 nexradar 网络之前 美国国家上述参数的平均值分别是 60 40 和 2 分钟 从中可以预料 nexradar 将从根本上增强探测强雷暴的能 力 能较早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能 并 为水资源的管理决策提供极有价值的信息 新一代天气雷达系统建设是我国 20 世纪末 21 世纪初的一项气象现代化工程 计划在全国建成 S 频段和 C 频段雷 达 156 部 相信该系统建成后 我国的气象现代化水平会上一个新的台阶 1 1 2 2 1 1 新一代多普勒天气雷达简介新一代多普勒天气雷达简介 多普勒效应是澳大利亚物理学家 J Doppler1842 年首先从运动着的发声源 中发现的现象 多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效益为基础 具体表现 第 7 页共 21 页 为 当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时 可以测定接收信号与发射信号 的高频频率之间存在的差异 从而得出所需的信息 运用这种原理 可以测定 散射体相对于雷达的速度 在一定条件下反演出大气风场 气流垂直速度的分 布以及湍流情况等 这对研究降水的形成 分析中小尺度天气系统 警戒强对 流天气等具有重要意义 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波 称为脉冲式电磁波 它以近于直线 的路径和接近光波的速度在大气中传播 在传播的路径上 若遇到了气象目标 物 脉冲电磁波被气象目标物散射 其中散射返回雷达的电磁波 称为回波信 号 也称为后向散射 在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征 在雷达探测中 气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离 亦称斜距 雷达天线的仰角和方位角来表示 斜距 可根据电磁波在大气 中的传播速度 和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定 电磁波在大气 中传播速度是略小于它在真空中的传播速度 但对斜距精度影响不大 故近似 用 C 来表示 通过多普勒雷达可以获得的三种基本信息是 反射率数据 多普勒径向速 度以及速度谱的宽度 简称谱宽 除回波强度外 后两种信息 常规数字化天 气雷达不能获取 1 反射率数据 反射率和反射率因子用来表示气象目标散射能力强弱或气象目标强弱的物 理量 单位体积中降水粒子后向散射截面的总和 称为 气象目标的反射率 用 表示 即 3 1 1 N i i 由于降水粒子的后向散射截面通常是随着粒子尺度的增长而增大 因此反 射率 大 说明单位体积中降水粒子的尺度大或数量多 亦即可以反映气象目 标强度大 但是 降水粒子的后向散射截面不仅取决于降水粒子本身 还取决 于雷达的波长 不过与其它的雷达参数无关 所以相同波长的雷达所测得的反 射率 值可以相互比较 以确定气象目标的强弱 在满足雷利散射的条件下 单位体积中降水粒子后向散射截面的总和如下 式 3 2 5 2 6 4 ii KD 单位体积单位体积 单位体积中降水粒子直径 6 次方的总和称为反射率因子 用 Z 表示 其常用单 位为 即 63 mmm 第 8 页共 21 页 6 i ZD 单位体积 3 3 反射率因子 Z 值的大小 反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度 常用 来表示气象目标的强度 由于反射率因子 Z 只取决于气象目标本身而与雷达参 数和距离无关 所以不同参数的雷达所测得的 Z 值可以相互比较 如果雷利散射的条件不能满足 例如用 3 2cm 波长的雷达测较强的降水时 或用厘米波雷达探测冰雹时 就不能用小球散射公式来计算降水粒子的后向散 射截面 这时 3 4 5 2 4 i KZ 单位体积 在这种情况下 可以把上式写成 3 5 5 2 4 ie KZ 单位体积 其中Z称为等效反射率因子 2 径向速度数据 新一代多普勒天气雷达除了象常规天气雷达一样具备探测云和降水回波的 位置及强度功能外 它还以多普勒效应为基础 通过测定接收回波信号与发射 探测脉冲信号之间的频率差异 测量出散射体相对于雷达的径向速度 从而确 定大气风场 气流垂直速度的分布及湍流等 对降水成因 中小尺度天气系统 及强对流造成的灾害性天气的监测与研究具有重要意义 对提高灾害性天气和 短时预报的准确串有极大帮助 通过多普勒效应测量降水粒子在雷达探测方向上的运动速度 称为多普勒 径向速度 即降水粒子远离或朝向雷达方向的运动速度 因此径向速度总是小 于或等于实际目标速度 当目标运动垂直于雷达径向或静止时 径向速度为零 3 速度谱宽数据 在抽样体积内 所有粒子的径向速度的平均值 我们日常使用的多普勒速度值 就是这个平均值 在抽样体积中 由于存在风切变 湍流和其它 如地物杂波等 原 因 粒子的运动和位置是无规则的 随机的 对之进行统计平均 其理论表达 式为 3 6 r vv dv V v dv 第 9 页共 21 页 式中 为功率密度 即在单位速度间隔内的功率 显然 式中的分母 v 即为这个抽样体积内总的回波功率 由此可以看出 实际上是以 v dv r V 功率密度为权重 对抽样体积内所有粒子的径向速度v 的加权平均值 考虑到抽样体积内粒子的多普勒速度的不同 它们偏离平均值 的均方差 r V 的理论表达式为 3 7 2 2 r v vVv dv v dv 该式反映了以功率密度为权重 对抽样体积内的的加权平均值 实 2 r vV 际上反映的是各个粒子偏离平均值的平均程度 取正值 即为谱宽 r V 2 v v 偏离 越大 谱宽值就越大 反之 谱宽值就越小 r V 1 1 2 2 2 2 天气雷达的产品应用天气雷达的产品应用 新一代多普勒天气雷达的产品包括基本产品和导出产品 基本产品有三个 反射率因子 平均径向速度 谱宽 反射率因子描绘了一个完整的 360 方位扫 描的回波强度数据 数据等级用 dBz 表示 雷达操作者可依靠反射率因子产品 确定回波的强度 确定风暴的强弱和结构以及强降雨 雪 带 还可根据反射 率因子随时间的变化确定降水回波的移动以及未来的趋势等 平均径向速度表 示整个 360 方位扫描径向速度数据 径向速度即物体运动速度平行与雷达径向 的分量 径向速度有许多直接的应用 可以导出大气结构 风暴结构 可以帮 助产生 调整和更新高空分析图等 平均径向速度产品有两点局限性 一是垂 直于雷达波束的风的径向速度被表示为 0 二是距离折叠和不正确的速度退模 糊 谱宽数据实际上指的是速度谱宽数据 它是一个对速度离散量的度量 它 可提供由于风切变 湍流和速度样本质量引起的平均径向速度变化的观测 也 可用来确定边界 密度不连续面 位置 估计湍流大小及检查径向速度是否可 靠 导出产品是雷达产品生成系统根据基本数据资料通过气象算法处理后得到 的产品 比较重要的有相对于风暴的平均径向速度图 相对于风暴的平均径向 速度区 强天气分析 组合反射率因子 回波顶 剖面产品等 到目前为止 最常用的还是基本产品 导出产品只能起到提示和参考作用 1 1 3 3 国内外研究现状国内外研究现状 1 1 3 3 1 1 雷电观测系统雷电观测系统 天基 低轨道定位卫星 GPS 卫星 电磁辐射 我国应发射具有自主知识 产权的全球卫星定位系统 建议在卫星上安装 VHF 闪电探测仪实时探测发生在 我国境内的闪电 采用 VHF 闪电探测仪可以实时探测闪电时间 位置 强度 云闪 地闪类型 较地基网不受场地环境的影响 探测范围更大 特别是在一些 无法在地面安装探测设备的区域 比如 海上 荒漠等无人区 第 10 页共 21 页 地基 VLF LF 国家闪电监测定位网 雷电监测定位系统产生于 19 世纪末 20 世纪初 在雷电的研究 监测及防护领域中处于极其核心的位置 一方面 通 过遥测方式能较准确地提供大范围雷电的放电参数 用于进一步研究雷电的放 电特性和其它更细致的物理过程 为进一步认识 防护雷电提供科学依据 另 一方面 通过实时监测雷暴的发生 发展 成灾情况和移动方向及其它活动特 性 对一些重点目标进行类似于台风的监测预报 使雷电造成的损失降到最低 点 第三方面 雷电往往和暴雨 飓风 冰雹等强对流天气现象有很强的相关 性 监测雷电活动的范围和频度是监测 预报上述灾害性天气的手段之一 第 四方面 雷电的监测及准确定位在电力系统雷击故障点的查寻 森林雷击火灾 的定点监测 火箭卫星发射场附近的雷电预警等方面都有很高的经济效益 目 前 几乎所有的发达国家和地区都布有全国和地区雷电监测定位网 随着我国 经济实力的逐步增强 建立标准的 先进的 中国国家雷电监测定位网 应该 尽快列入计划并开始实施 为雷电的基础研究 防雷技术的开发 防雷减灾服 务提供扎实完备的雷电监测数据资料 增强雷电灾害的预测评估能力和雷电事 故判断的准确性 中国国家雷电监测定位网 初步规划有 200 多个探测站 在经济发达地区基线距离大约为 150 公里 探测精度优于 500 米 探测效率优 于 80 在西部及人烟稀少地区基线距离大约为 300 公里 探测精度优于 2 公 里 探测效率优于 60 1 1 3 3 2 2 雷电预警系统雷电预警系统 雷电预警作为国家公众气象预报和灾害性天气警报的内容之一 提高雷电 监测准确性和预警预报服务的水平 将关系到全社会经济的发展和各行业和人 民生活的安全 全国闪电监测网的建设 不仅能够改变人工目测雷电的落后状 况 更有价值而实用的目的是 闪电定位系统在气象台站和其它行业的推广 可以提供雷电预报和警报的多种服务 并为防雷减灾标准设计 规范制定 以 及防雷工程的有效性检验提供可靠的依据 加速了闪电定位站网系统的建设 开展闪电探测试验研究 发展闪电预报产品已成为必然 全国闪电监测网将是一个覆盖全国大部分地域范围内的闪电监测业务网 全国闪电监测网建设的总体框架要综合考虑气象监测业务的发展战略和规划 目前 我国已经在局部地区建立了闪电监测系统 但在站址 设备 通信 应 用和管理上缺乏统一指导 建设全国闪电监测系统可以对现有系统进行整合 充分利用已投入的资源 实现优化组合 发挥更大效益 全国闪电监测业务 以云地闪监测为主 适当在部分地区 并结合中尺度 天气监测网建设的需要 在中尺度灾害性天气监测预报服务基地 机场等地增 加与地闪监测相集成的云闪监测 并考虑地面大气电场仪作为雷电测量的辅助 设施适当地设置 加强闪电定位技术的开发和应用研究 完善闪电定位系统设备 开发全国闪 第 11 页共 21 页 电监测站网的综合定位技术 作为今后探测业务发展的主要任务之一 因此从 我国的实际情况出发 发展具有独立知识产权的卫星空间综合探测设备和地面 闪电探测设备 开发和完善全国闪电监测网的综合定位技术 在常规闪电定位 站网产品中增加云闪信息 闪电的三维观测 利用星载闪电探测器与地面闪电 站网结合构成新一代一体化的先进探测系统 获取全面的雷电监测资料 同时开 展全国闪电监测站网的性能评估研究 并不断改进闪电探测系统的定位精度和 探测效率 为开发雷电资料应用平台 建立共享资源数据库提供必要的基础 使雷电资料得到广泛应用 最大限度地发挥雷电探测系统的效益 1 1 4 4 本课题研究的目的及意义本课题研究的目的及意义 当人类社会进入电子信息时代后 雷灾出现的特点与以往有极大的不同 可以概括为 1 受灾面大大扩大 从电力 建筑这两个传统领域扩展到几乎 所有行业 特点是与高新技术关系最密切的领域 如航天航空 国防 邮电通 信 计算机 电子工业 石油化工 金融证券等 2 从二维空间入侵变为三 维空间入侵 从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三 维空间入侵到任何角落 无空不入地造成灾害 因而防雷工程已从防直击雷 感应雷进入防雷电电磁脉冲 前面是指雷电的受灾行业面扩大了 这儿指雷电 灾害的空间范围扩大了 3 雷灾的经济损失和危害程度大大增加了 它袭击 的对象本身的直接经济损失有时并不太大 而由此产生的间接经济损失和影响 就难以估计 4 产生上述特点的根本原因 也就是关键性的特点是雷灾的主 要对象已集中在微电子器件设备上 雷电的本身并没有变 而是科学技术的发 展 使得人类社会的生产生活状况变了 微电子技术的应用渗透到各种生产和 生活领域 微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的雷电电磁脉冲 的作用 造成微电子设备的失控或者损坏 为此 当今时代的防雷工作的重要 性 迫切性 复杂性大大增加了 雷电的防御已从直击雷防护到系统防护 我 们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术 提高人类对雷灾防 御的综合能力 为了减少雷电对现代设备造成的损害 对于雷电的预警显得非常重要 通 过对雷电进行预报可以最大限度的减少雷电对现代高科技电子产品的危害 由 于雷达回波数据包含了大气回波的所有数据 通过提取相关的数据从中得出雷 达预报因子 雷达回波强度 回波高度 强回波比例因子 通过对各预报因子 的分析从而发展成为雷电预警的方法是本文的研究目的 1 1 5 5 本章小结本章小结 本章的主要内容是介绍了雷电的形成和危害 并对危害形式也做了分类介 绍 提出了雷电对人类的日常生活造成影响 所以人类从很早以前就在对雷电 进行预防以减低因雷电造成的损失 但是随着科技的进步人类不能仅仅于对雷 第 12 页共 21 页 电发生时通过防雷设备对其进行预防 因此对还未发生雷电时就能对其进行预 报就显得特别重要 在此多普勒天气雷达被运用到对天气进行观测从而达到对 某地区天气进行预测 本章也对新一代的多普勒天气雷达进行了较为详细的介 绍 为下一章如何对雷电进行预警作好了铺垫 2 2 雷达对雷电预警的实现方法雷达对雷电预警的实现方法 2 2 1 1 预报因子的选取预报因子的选取 在预报方法的研究中必然要从资料中选取某些具有代表性 或是具有明显 特征的参数作为研究对象 这就是预报方法中的预报因子 本研究所用到的多 普勒雷达的基本参数有三种 回波强度 径向速度和谱宽 就目前雷电预警预 报的研究来看 在预警方法中主要用到的参数是雷达回波强度 2 1 12 1 1 雷达回波强度因子雷达回波强度因子 通过Brandon Vincent和Larry Carey的研究结果表明 由于40dBz回波强度 是绝大多数发展较旺盛的单体都能够达到的强度 并且该强度的回波无论从出 现时间 持续时间还是达到的高度都和非雷暴单体有着较明显的差异 因而是 区分雷暴和非雷暴单体的一个较好雷达特征参量 他们通过多种参数的组合和 实际个例的验证后得到的最适合地闪预警的组合有两套 即40dBz 10 和 40dBz 15 这两套组合都选择了以40dBz回波强度为预报因子之一 其主要 原理是因为所有雷暴单体中30dBz 35dBz和40dBz回波顶高都能突破0 层结高 度 非雷暴单体在30dBz和35dBz回波强度上也几乎都能突破这样一个高度 只 有在40dBz回波强度处雷暴单体和非雷暴单体之间的差异最为明显 从突破 10 层结高度的情况对比来看 差异最明显的也是在40dBz回波强度 在 10 层结高度时非雷暴单体一般都不能能到达这个高度 而虽然30dBz和35dBz回波 强度上雷暴和非雷暴单体的差距也比较明显 但是由于在这两个强度上非雷暴 单体也有比较大的一部分能够达到这个高度 这样会对预警的结果产生很大的 影响 因此 通过分析结合国外研究的相关结论来看 40dBz回波强度是比较适 合于雷电预警的一种雷达回波强度 2 1 22 1 2 回波高度因子回波高度因子 Wiebke Deierling等人认为雷暴较强的起电主要发生在起电区域的顶部附 近 一般位于 15 至 30 温度层之间 根据实验室试验发现 10 温度层是 非感应起电机制中冰晶和霰碰撞后携带不同极性电荷的翻转温度 因此这个温 度层高度一直都在雷暴起电研究中被作为一个特征高度 Maribel Martinez的 研究结果就将特征判别高度放在了 10 层结高度 BrandonVincent和Larry Carey等人也提出在 10 层结高度处40dBz回波的出现是预测单体即将发生地闪 的最佳预报因子之一 根据统计表明 在单体发展初期 决大部分的雷暴单体 第 13 页共 21 页 中40dBz的回波顶高能够高于 10 层结高度 只有小部分处于0 10 层结 高度之间 而非雷暴单体40dBz回波顶高能够突破0 层结高度的非常之少 其 余的都在该高度之下 综合以上的分析结果可以将利用40dBz回波强度对孤立单 体的雷电预警分为以下两步 1 40dBz回波顶高突破0 层结高度是第1判据 若不满足该条件 则判断单体不可能发展成为雷暴 而满足了该判据的单体则 可以认为其具备了发展成为雷暴的初步条件 2 在单体满足第1判据后 若其 40dBz回波顶高能够进一步突破 10 层结高度 则认为该单体将会发展成为雷 暴 同时 这一步还需要结合其它的一些雷达统计参量做出进一步的判断 以 提高单体雷电预警的效率和准确率 2 1 32 1 3 强回波比例因子强回波比例因子 40dBz 回波突破 0 层结高度后 单体在这个高度上 40dBz 以上回波占 25dBz 以上回波的体积百分比 用 P 值代指 在雷暴单体发展过程中的演变特 征可以为初次闪电发生时间的预报提供更为丰富的参考依据 Takahashi 研究 发现 当液态水含量较大时 软雹粒子不易起电 研究认为液态水含量的增加 将导致首次放电时间延迟 同时将引起放电位置的下降和闪电频数的减少 因 此 有理由认为在 0 层结高度以上的强回波所占百分比可以作为雷电预警的 一个有效辅助因子 作为一个辅助因子 P 值在雷暴和非雷暴中的差异是明显 的 在实际应用中可以选择合适的阈值 在按照之前雷达回波特征判别高度的 基础之上进行辅助判断 这对于提高雷电的预警水平是会有帮助的 在本研究 中 根据统计结果中非雷暴单体最大 P 值的平均值为约 4 8 将 P 值的判断阈 值定为了 5 2 2 2 2 预报方法预报方法 通过对以上各个预报因子在雷暴单体中的特征和变化的统计 可以得出对 一个孤立单体是否会发展成为雷暴 以及对雷暴单体中初次闪电发生时间段作 出预报的初步的预警方法 该预警方法可以归纳为以下两个大的步骤 1 初步 判断单体发展为雷暴的可能性 2 对单体是否最终能发展成为雷暴作出判断 并对单体中初次闪电的发生时间段作出预报 2 2 12 2 1 非雷暴单体与雷暴单体的初步区分非雷暴单体与雷暴单体的初步区分 人们通常把发生闪电的云称为雷雨云 通过资料我们知道云的形成过程是 空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程 使空气 中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件 其主要方式有 1 水汽含量不变 空气降温冷却 2 温度不变 增加水汽含量 3 既增加水汽含量 又降 低温度 但对云的形成来说 降温过程是最主要的过程 而降温冷却过程中又 以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍 通过物理知识我们知道天空中越 第 14 页共 21 页 往高处温度越低 而水这种物质一般情况下在 0 的时候会开始从液态转化为 固态 所以当云层到达 0 层这一高度的时候从物理学的角度来讲就会开始发 生形态的变化 而这个变化是需要一个比较缓慢的过程的 当它处在 0 层结 以上到达了一定的时间那么雷雨云就很可能会发生大的变化 而如果它没有到 达 0 这个温度的话是不会发生大的变化的 积雨云是雷雨云中比较常见的一种 它是在强烈垂直对流过程中形成的云 由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层 所以白天地面温度升高较多 夏 日这种升温更为明显 所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升 高 气体温度升高必然膨胀 密度减小 压强也随着降低 根据力学原理它就 要上升 上方的空气层密度相对说来就较大 就要下沉 热气流在上升过程中 膨胀降压 同时与高空低温空气进行热交换 于是上升气团中的水汽凝结而出 现雾滴 就形成了云 在强对流过程中 云中的雾滴进一步降温 变成过冷水 滴 冰晶或雪花 并随高度逐渐增多 在冻结高度 10 由于过冷水大量 冻结而释放潜热 使云顶突然向上发展 达到对流层顶附近后向水平方向铺展 形成云砧 积雨云形成过程中 在大气电场以及温差起电效应 破碎起电效应 的同时作用下 正负电荷分别在云的不同部位积聚 当电荷积聚到一定程度 就会在云与云之间或云与地之间发生放电 也就是人们平常所说的闪电 所以根据上面的理论对雷暴单体在雷达回波资料中的分析 我们可以大致 得出这样的结论 40dBz 回波顶高是否在闪电发生前就突破了 0 层结高度并维 持了一定的时间可以用来判断单体会不会发展成为雷暴单体的依据 由此可见 40dBz 回波顶高能否突破 0 层结高度并维持一定时间可以作为 判断单体是否会发展成为雷暴的第一条依据的 根据单体中 40dBz 回波表现出 来的变化特征 可以将对单体是否为雷暴和非雷暴的初步区分总结为如下判据 如果 40dBz 回波顶高突破了 0 层结高度 并能够维持在这个高度之上一定的 时间 则单体具有较大可能发展成为雷暴 反之 若雷暴 40dBz 回波的顶高始 终无法突破 0 层结高度 或者只是在很短的时间里突破了这个高度 且在这 段时间里未能满足后面所述对单体做进一步判断的任何一条判据 则可以判断 单体为非雷暴单体 2 2 22 2 2 对雷暴单体中初次闪电发生时间段的预报对雷暴单体中初次闪电发生时间段的预报 在满足了上述第一条判据后 单体仅仅将会有很大的概率发展成为雷暴 但对其是否最终能够发展成为雷暴 以及何时将发生初次闪电则还需要参考其 他特征参量来做进一步判断 在上面的一节中提到过一个概念叫做 冻结高度 10 上面我们已 经分析了 0 的时候水气开始从液态转化为固态 那么从 0 到了 10 的时候 第 15 页共 21 页 水气基本上就从液态转化成为固态了 所以如果说 40dBz 回波的顶高突