新一代天气雷达复习笔记

1、新一代天气雷达复习笔记龙岩市气象局目 录第一章 引论21.1 新一代天气雷达概述21.2 天气雷达的局限性2第二章 多普勒天气雷达原理32.1 后向散射截面32.2 球形粒子的散射32.3 电磁波在大气中的衰减和折射32.4 雷达气象方程42.5 最大不模糊距离和距离折叠52.6 多普勒效应52.7 最大不模糊速度和速度模糊52.8 谱宽52.9 雷达取样技术6第三章 多普勒雷达图识别基础63.1 识别反射率基本知识73.2 识别速度图的基本知识7第四章 雷达数据质量控制114.1 地物杂波抑制11第五章 对流风暴及其雷达回波特征125.1 普通风暴单体生命史：125.2 强风暴的雷达回波特征

2、：125.3 弱垂直风切变中的强风暴脉冲风暴的回波特征125.4 中等到强垂直风切变环境中多单体风暴的雷达回波特征135.5 超级单体13第六章 灾害性对流天气的探测与预警156.1 龙卷156.2 大冰雹166.3 灾害性大风166.4 暴洪（短时强降水）176.5 强对流天气预报和预警的发布17第七章 雷达产品与算法187.1 产品概述187.2 基本产品197.3 一些算法简单的重要导出产品207.4 风暴单体识别与跟踪算法及其产品247.5 冰雹指数产品及其算法247.6 中气旋（M）和龙卷涡旋特征（TVS）算法和产品257.7 VAD风廓线算法257.8 降水算法及其产品26参考文献

3、：29第一章 引论1.1 新一代天气雷达概述CIRNAD/SA型雷达主要由RDA（Radar Data Acquisition）、RPG（Radar Product Generator）、PUP（Principal User Processor）三部分构成。RDA（Radar Data Acquisition）由四个部分组成：发射机、天线、接收机、信号处理器。发射机：产生高功率（峰值功率750KW）非常稳定的10cm的射频脉冲。天线：扫描方式：扫描方式告诉雷达在一次体积扫描中使用多少仰角和时间。CINRAD/SA使用三种扫描方式：扫描方式1#：5分钟完成14个不同仰角上的扫描；扫描方式2#：6

4、分钟完成9个不同仰角上的扫描；扫描方式3#：10分钟完成5个不同仰角上的扫描；体扫模式：体扫模式规定使用哪个扫描方式，并且规定哪些具体的仰角。目前CINRAD/SA定义的体扫模式有4个：VCP11(扫描方式1# )、VCP21(扫描方式2# )、VCP31(扫描方式3# )、VCP32(扫描方式3# )。VCP31和VCP32的区别在与VCP31使用长脉冲而VCP32使用短脉冲。最常用的VCP为VCP21接收机：放大由天线接收的回波能量，以便模数转换和后续处理。信号处理器完成三种重要功能：地物杂波消除、模数转换，以及退多普勒数据的距离折叠。RPG（Radar Product Generator

5、）主要任务是把RDA传来的基本数据，对其处理和生产各种产品分发给PUP。产品分为基本产品和导出产品。基本产品：指定仰角上的基本反射率因子、基本径向速度和基本谱宽产品。导出产品：把体扫基数据经过特定算法而得到的产品。PUP（Principal User Processor）获取、存储和显示产品。主要功能包括：产品请求（获取）、产品数据存储和管理、状态监视、产品编辑注释产品请求方式：常规产品列表（RPS）、一次性请求（OTR）、产品-预警配对（PAP）1.2 天气雷达的局限性（1）是波束中心的高度随距离的增加而增加；（2）是波束宽度随距离的增加而展宽；（3）是静静锥区的存在。（4）探测能力和雷达周

6、围净空环境有关，受地物阻挡的影响大。前两点使得雷达对于远距离的目标的探测能力降低，而第三点使得雷达对于非常近的目标物的探测能力受限。第二章 多普勒天气雷达原理2.1 后向散射截面后向散射截面的定义是：设有一个理想的散射体，其截面面积为，它能全部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积就称为实际散射体的后向散射截面。后向散射截面是一个虚拟的面积，它可以用来定量地表示粒子后向散射能力的强弱。粒子的后向散射截面不等于它的几何截面。2.2 球形粒子的散射球形粒子的散射很大程

7、度上依赖于粒子直径D和入射波长之比。对于D远小于的情况下的球形粒子的散射称为瑞利散射（雷利散射）；而对于D和相当的情况下的球形粒子的散射称为米散射。雷利散射，当<<1时（<0.13）， ，D为粒子直径，为入射波长，其中m为构成粒子介质的复折射指数。有雷利散射的后向散射截面的公式可以看出：在雷利散射条件下，后向散射截面和粒子直径的6次方成正比和波长的4次方成反比。后向散射还和有关，水球的值对为0.93左右，冰球的为0.197，所以瑞利散射情况下冰球的后向散射截面大约只有同样大小水球的1/5。米散射无论是冰球或和水球，其后向散射截面都随着球形粒子直径的增加而迅速地呈波动性地增大，

8、当D较大时，冰球后向散射截面随D的增加而增大的速度超过水球。2.3 电磁波在大气中的衰减和折射衰减电磁波在大气中的衰减是因为电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能量被散射，一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。折射标准大气折射、临界折射、超折射、无折射、负折射标准大气折射：在标准大气情况下，Rm=8500Km（等效地球半径），为实际地球半径的4/3倍，波束路径向下弯曲，这种折射称为标准大气折射。可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况，一般称为正常折射。临界折射：当波束路径的曲率和地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射。超折射：当波束路径大于地球表面

9、的曲率时，即雷达波束在传播的过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，与波导管中的微波传播相似，故称为大气波导传播，又称超折射。等效地球半径Rm<0。 产生超折射地物回波，呈辐辏状排列的短线强回波（和当地地形地物十分一致）。产生的气象条件：气温向上递增，同时水汽压向上迅速递减，也就是常说的暖干盖的大气层结。无直射：雷达波束沿直线传播。负折射：雷达波束向上弯曲（湿度随高度增加，温度向上迅速递减）。（多产生在盛夏大陆的中午，大气底层温度的递减率有可能大于干绝热递减率，从而产生负折射）2.4 雷达气象

10、方程参数与发射机有关的参数波长，决定气象雷达性能的一个重要参数。X、C、S波段，我国新一代天气雷达使用C、S波段（即5公分、10公分雷达）。脉冲宽度：探测脉冲的持续振荡时间。所以，脉冲长度 h=c。因为雷达的收发特性，所以，有效照射深度为脉冲长度的一半c/2（雷达径向的最小分辨率）。脉冲功率Pt：雷达脉冲的峰值功率称为脉冲功率。为了增强雷达的探测能力，其脉冲功率常常很大。我国新一代天气雷达的Pt在650800Kw之间。脉冲重复频率：雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代天气雷达的PRF在3001300Hz之间。 脉冲重复周期PRT为PRF的倒数。与天线有关的参数天线的方向图及波束

11、宽度：在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。CINRAD/SA的天线直径9米左右，波束宽度在1°左右。波束宽度越小，角分辨率越高，探测精度也越高，是雷达天线的重要技术参数。天线增益G：定向天线在最大辐射方向的能流密度和各向均匀辐射的天线能流密度之比。CINRAD/SA的天线增益G44dB与接收机有关参数接收机灵敏度：接收机能分辨的最小可辨功率，Pmin表示。CINRAD/SA的Pmin短脉冲(1.57s)为-107dBm，对于长脉冲（4.71s）为-113dBm气象雷达方程气象目标强度的度量反射率和反射率因子反射率：单位体积中云雨粒子后向散射截面的总和称为反射率。（和

12、雷达参数有关）反射率因子：单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子。（和雷达参数无关，不同雷达可以相互比较）由于反射率因子Z的变化区间很大（可以跨越几个数量级），为方便起见，采用dBZ来表示反射率因子的大小dBZ = ，其中。在雷达上dB和dBZ是完全不同的两个概念。dB表示回波功率的大小 。2.5 最大不模糊距离和距离折叠最大不模糊距离是这样一个距离，当雷达发出一个脉冲遇到该距离处的目标物产生的后向散射回波返回到雷达时，下一个脉冲刚好发出，也就是他等于说光速在雷达两个脉冲之间的时间间隔所走距离的一半。 C是光速，T是雷达重复周期，PRF是雷达重复频率。距离折叠是指雷达对产生雷达回波的

13、目标位置的一种辨认错误，当目标物位于最大不模糊距离以外时，雷达却把目标物显示在最大不模糊距离以内的某个位置。一般形象地称为“距离折叠”2.6 多普勒效应多普勒天气雷达通常不是直接测量多普勒频移，而是通过测量相继返回的脉冲之间的位相差来确定目标物的径向速度的2.7 最大不模糊速度和速度模糊多普勒雷达测量多普勒速度的方法是利用相继返回的两个脉冲之间的相位变化来确定多普勒速度值的，而它们的最大相位相移的上限是180°（），与180°脉冲对相移所对应的目标物径向速度值称为最大不模糊速度， ，其中是波长，PRF是雷达重复频率。速度模糊是指当多普勒速度大于Vmax时，相继返回的两个脉冲

14、之间的相位变化超过180°（），而雷达却只能测量出小于180°（）的值，相应的给出的多普勒速度值也是小于Vmax的值，我们称这个现象就叫速度模糊。2.8 谱宽谱宽实际上是指速度谱宽数据，它是对一个距离库中速度离散度的度量，谱宽越大，速度估计的可靠性就减小。些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，他们包括：（1）气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界；（2）雷暴；（3）切变区域；（4）湍流；（5）风切变；（6）降落速度不同的尺度不同的雨和雪。一些非气象条件也可使谱宽增加，包括：（1）天线转速；（2）距离；（3）雷达的信噪比；2.9 雷达取样技术多普勒两难由“最大不模糊距

15、离”和“最大不模糊速度”的公式： 和 可知，当雷达波长一定时，rmax与PRF成反比，而Vmax与PRF成正比，即不存在一个PRF，既使rmax较大，又使Vmax较大，我们称为“多普勒两难”。由于“多普勒两难”，多普勒天气雷达常用不同的重复频率来测量反射率因子和径向速度数据。用低PRF测量反射率因子（得到大的Rmax），用高PRF测量径向速度（得到大的Vmax）。VCP21模式的取样方式：CINRAD/SA SB雷达的基数据中的反射率因子是通过对沿着雷达径向的4个取样体积平均得到的，平均径向速度的分辨率和雷达的取样体积一致。基数据的反射率因子的分辨率为1km×1°，而径向速

16、度和谱宽的分辨率为0.25km×1°第三章 多普勒雷达图识别基础新一代天气雷达是在一系列固定仰角上扫描360°进行采样的，我们实际看到的雷达图实际上是在圆锥的俯视平面图上分析空间的雷达回波。3.1 识别反射率基本知识降水的反射率因子回波降水的反射率因子回波大致可以分为三种类型：积云降水回波、层状云降水回波、积云层状云混合降水回波。零度层亮带：在0层上，冰晶和雪花在下降过程中开始融化时，表面上出现水膜，而尺寸变化不大，此时反射率因子因为水膜的出现而迅速增加，形成“零度层亮带”。l 利用雷达进行台风定位，精度高于气象卫星定位。l “弓形回波”是地面大风的一个很好的指示

17、。（飑线）l 超级单体风暴是对流风暴中最强烈的一种形式，可伴随强烈龙卷、大冰雹、灾害性地面大风和暴洪。其地层反射率因子最明显的特征是钩状回波。非降水回波非降水回波主要包括：地物回波、海浪回波、昆虫和鸟的回波、超折射回波（大气折射指数脉动引起的回波）、云的回波等。3.2 识别速度图的基本知识雷达探测到的速度都是实际风在雷达径向上的投影。一般以离开雷达为正（暖色），吹向雷达为负（冷色）。零速度：当实际风速为零或雷达波束与实际风向垂直时，径向速度为零，称为零速度；零速度线：是由沿雷达径向速度为零的点组成的线。它在速度图识别上有重要意义。1、风向风速不随高度变化2、风向不变，风速随高度线性增加3、风速

18、不变，风向随高度逆转（冷）4、风速不变，风向随高度顺转（暖）5、辐合6、辐散7、锋面过境前、中、后小尺度系统多普勒图像均场辐散气旋中气旋中的龙卷涡旋多普勒速度图象分析步骤l 确定零速度线和速度的来去向区域；l 识别速度模糊，确定具体来去向速度值；l 注意仰角，计算各特征区对应的高度位置；l 掌握最近时次天气形势，结合中尺度概念模式的流场特征，分析多普勒速度资料的天气意义；l 配合反射率因子（回波强度）的观测情况，得出多普勒雷达观测分析意见；l 结合其他常规和非常规气象资料，分析未来天气演变趋势，做出短时天气预报。第四章 雷达数据质量控制在雷达定标正确的情况下，新一代天气雷达基数据的质量主要受到

19、三个因素的影响：地物杂波、距离折叠和速度模糊。4.1 地物杂波抑制普通地物杂波主要影响最低仰角的产品；是指由山脉、高大建筑物等地物在雷达波束正常传播情况下造成的杂波，一般发生在离雷达较近的地方；几个特点：l 一般影响最低仰角，离雷达较近的地方，和雷达站周围地形有关；l 从一个体扫到下一个体扫，地物回波位置、强度很少有变化，在一般折射条件下都会出现；l 反射率因子较大，从一个距离库到下一个距离库有很大变化（反射率因子梯度不平滑）。l 径向速度和谱宽为零（海浪回波除外）；异常地物回波有雷达超折射造成的回波一般叫异常地物回波。几个特征：l 一般影响雷达的较低仰角，可发生在不同距离上，一般发生在逆温和

20、/或湿度随高度增加而迅速减小的大气层（暖干盖）。l 由于雷达异常传播取决与大气条件，所以显示在雷达产品上的相应的异常地物回波有较大变化；l 在反射率产品上，表现为杂斑点，斑点值变化范围很宽，并可以扩展到很大范围。反射率因子相当高，反射率因子梯度不如气象回波光滑；l 一般情况下速度和谱宽为零；第五章 对流风暴及其雷达回波特征对流风暴都是有对流单体构成的，对流风暴可以划分为普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）、超级单体风暴。5.1 普通风暴单体生命史：1） 塔状积云阶段；初始回波的水平尺度为1km左右，垂直尺度略大于水平尺度。初始回波顶通常在-40C-160C之间的高度上，回波底在00C高度附

21、近。初始回波形成后，回波向上向下同时增长，但是不及地，回波强度最强在云体的中上部。2）成熟阶段；雷达回波及地是对流单体成熟阶段的开始。云中上升气流达到最大。出现的冷性下沉气流在垂直和水平方向上扩展，与单体运动前方的低层暖湿空气交汇而形成飑锋，又称阵风锋，雷达回波表现为在风暴前方有一细条弱回波。3）消亡阶段。雷达回波强中心下降到地面附近，回波强度减弱；5.2 强风暴的雷达回波特征：产生普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；而多单体风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度的变化值也比普通单体风暴

22、的大。热力不稳定（浮力）和垂直风切变是影响风暴组织和种类的最重要因子。浮力最好由CAPE来估计，CAPE与风暴中最强上升气流速度相关。强垂直风切变的作用可以归纳为： 能够产生强的风暴相对气流（storm-relative flow）； 能够决定上升气流（加强辐合）附近阵风锋的位置； 能够延长上升气流和下沉气流共存的时间； 能够产生影响风暴的组织和发展的动力效应。另外，风暴及其环境（地形、边界等）之间的相互作用对风暴的组织和种类也有重要影响。5.3 弱垂直风切变中的强风暴脉冲风暴的回波特征脉冲风暴是发展迅速的强风暴，它产生于弱的垂直风切变环境中，同时环境具有较厚的低层湿层和高度的垂直不稳定性。这

23、种出现于弱垂直风切变环境中的强风暴又称为“脉动风暴（pulse storm）” 。脉冲风暴的回波结构有三个特点：1）初始回波出现的高度，一般在69km之间；2）强回波中心值一般大于50dBZ；3）强中心高度比较高，一般能在-10等温线高度左右。雷达探测脉冲风暴的较有效的方法是：要注意出现初始回波的高度，最大回波强度值及其所在高度；同时也可以应用垂直累积液态水含量VIL产品和组合反射率CR产品来帮助识别这类风暴，当VIL值较大，CR产品中的最大回波强度值很大及其所在高度较高时，可以推断可能产生强脉冲单体风暴。在弱的垂直风切变环境中风暴很难有组织地增长, 在某一程度上是由于风暴内上升气流和下沉气流

24、不能长时间共存。因此，风暴无法持续足够长而发展成为强风暴。如果风暴不能发展，它就无法产生灾害性天气。但是，即便在弱的垂直风切变环境中，某些外部特征，如边界效应等，也对风暴的组织起重要影响。另外，某些在弱的垂直风切变环境中发展的风暴所产生的运动也将产生明显的风暴相对气流。可以说，能够产生风暴相对气流的任何情形均有利于强的有组织的对流的发展。5.4 中等到强垂直风切变环境中多单体风暴的雷达回波特征非强风暴和强风暴区别在于风暴中存不存在强烈的上升气流，在雷达回波上表现为低层弱回波区（WER）。剖面产品表现为回波高层回波悬垂。它往往造成地面灾害性大风。 中等至强的垂直风切变环境通常导致有组织风暴的产生

25、和发展，这种多单体风暴通常由处于不同发展阶段的单体风暴核序列组成，且在有利于风暴生成的一侧不断新生单体（通常是沿阵风锋的辐合最强处），新生单体的发展具有较好的组织。 多单体风暴中单个单体的移动方向与其气层内平均气流方向一致，而整体风暴的运动通常偏离单个风暴的运动方向，这是由于新生单体沿着外流边界（outflow boundary）出现周期性发展而引起的。与弱垂直风切变环境中的强天气脉动相比较，多单体风暴产生的强烈天气包括下击暴流、中到大的冰雹（通常少于5.0cm）、暴洪和弱龙卷等。同时，非超级单体风暴也能演变成超级单体风暴。多单体风暴由于不断有新生单体的补充和发展，老单体的减弱消散等新陈代谢过

26、程，因此维持时间较长。一旦新单体停止产生和并入，多单体风暴就趋于消亡。当新单体发展成为主体回波时，老的单体减弱，而另一个新的单体形成，每个单体维持2030分钟。一个典型的多单体风暴在其生命史中可以有30个或以上的单体形成。强风暴低层相对于风暴的入流常在低层反射率因子梯度较大的一侧，同时弱回波区和回波顶也偏向与低层入流的一侧。5.5 超级单体超级单体风暴是一种具有特殊结构的强风暴，它比正常的成熟阶段的强单体风暴的水平尺度要大得多，在云底的中低层，雷达回波强度的水平尺度可达到几十公里。它维持的时间很长，可达几个小时，出现的天气现象也比其它类型的强风暴要严重得多，常伴有大风、局地暴雨、冰雹、下击暴流

27、，甚至龙卷。出现超级单体风暴的有利环境条件为：（1）大气层结不稳定，在500hPa处热力浮力超过40C，但是在超级单体出现前，在低层常伴有浅薄的逆温层，这样有利于不稳定能量的积累；（2）风速的垂直切变很强，平均可达5×10-3s-1左右，同时，风向随高度强烈顺转，可超过900；（3）云体低层的环境风速较强，平均可达10m/s（这也是和多单体强风暴的环境条件主要差别）。通常情况下，在适当的内、外动力过程作用下，非超级单体风暴能发展成为超级单体风暴，超级单体风暴只存在与中等到强垂直风切变环境中。超级单体风暴包括三种主要类型，即经典型、强降水型（HP）和弱降水型（LP）。HP主要特征是其中

28、中气旋部分地或完全地为降水所包裹。经典超级单体风暴具有相对固定的形态，而强降水的超级单体风暴形态多变。LP比较罕见。l 经典的超级单体一般在其右后方（相对风暴运动方向而言）的低层钩状回波l 有界弱回波区（BWER）是被中层悬垂回波所包围的弱回波区，它是一个包含云粒子但不包含降水粒子的强上升气流区。持续15分钟以上的BWER是与强烈的上升气流旋转相联系的，意味着一个中气旋的存在。l 大冰雹一般降落在与BWER相邻的反射率因子高梯度区。l 最强的龙卷一般在钩状回波和/或BWER小时以后发生。l 强降水的超级单体风暴，入流区大多位于它的前侧（经典超级单体的入流区通常位于其右后侧，但时常也有例外）。强

29、降水超级单体风暴（HP）强降水（HP）超级单体风暴通常在低层具有丰富的水汽、较低的自由对流高度（LFC）和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持。HP的中气旋常包裹在强降水区域中（LP中气旋区内几乎没有降水）。HP在低层反射率因子回波主要特征表述：1) 宽广的钩状、逗点状和螺旋状的回波表明强降水包裹着中气旋；2) 前侧V形缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；3) 后侧V形缺口回波表明强的下沉气流，并有可能引起破坏性大风。弱降水超级单体回波（LP）弱降水（HP）超级单体风暴通常出现的环境在低层具有较低的湿度、较高的自由对流高度（LFC）几乎所有的LP都出现在干线（露点锋）附近。在LP中，与

30、降水相比，冰雹更有利于形成和增长。l 尽管LP的反射率因子较小，但它往往包含大冰雹。l LP的弱降水主要归因于LP主要由大水滴和冰雹组成，而不是有无数小雨滴组成的。它的降水常不能到达地面。l 由于反射率因子低，往往会过低估计它的产生大冰雹的能力。l 有时在风暴后侧，可探测到一个与中气旋相联系的弱回波（WER）区。l LP相伴随的主要强天气现象包括大冰雹，有时也会产生龙卷。同时LP通常也能演变成经典或强降水超级单体风暴，最终产生各种强天气过程。超级单体风暴的径向速度特征中气旋识别判断中气旋，最好使用相对风暴速度图（SRM）。凡满足下列判据的小尺度涡旋即为中气旋：l 核区直径（最大入流速度和最大出

31、流速度间的距离）小于等于10km，转动速度（即最大入流速度和最大出流速度绝对值之和的二分之一）超过相应的数值（见下图）。l 垂直延伸厚度大于等于风暴垂直尺度的三分之一。l 上述两个指标都满足的持续时间至少两个体扫。中气旋是超级单体风暴的特征。观测到中气旋，90%以上的情况出现强烈天气（灾害性大风、冰雹、暴洪），其中只有20%出现龙卷。所以只要观测到中气旋就可以发布强天气警报，而只有观测到中等以上的中气旋，才可发布龙卷警报。飑线的雷达回波特征飑线是呈线状排列的对流单体族，其长和宽之比大于5：1。雷达上的飑线定义比天气学中传统的飑线定义（地面大风、气压涌生、温度陡降）范围要宽得多。与多单体强风暴的

32、情形类似，强烈飑线的反射率因子垂直结构表现为低层对应于前侧入流的弱回波区和中高空的悬垂回波结构，只是多单体风暴的低层入流常位于风暴移动方向的右后侧。飑线回波常成弓形回波。飑线的断裂处往往是强天气容易发生的地方之一。 在识别飑线的过程中，多普勒速度特征起重要作用，从速度分布图上可以看到在低层阵风锋前辐合、雨区内下曳气流辐散以及风暴顶的辐散。一个中层后侧入流急流常在飑线的后部下沉，这表明了大风的潜势。 灾害性风暴最有可能沿着飑线发展，因为那里相对气流最大。观测和研究表明飑线的结构越均匀（线性），则沿着飑线越不可能产生灾害性天气。如果飑线移近某些低层边界，则在飑线和边界的交汇处附近的风暴可能成为强风

33、暴，甚至成为超级单体风暴，并且一直持续到飑线离开边界之时。 飑线上最有可能形成灾害性天气的部分可以通过低层强的反射率因子梯度、中层的悬垂回波以及回波顶位置从风暴核上方移到飑线前沿上方来识别。第六章 灾害性对流天气的探测与预警6.1 龙卷分为超级单体龙卷和非超级单体龙卷。超级单体龙卷往往是伴随低层中气旋产生的，但由于低层中气旋只有在离雷达很近的距离内才能探测得到（甚至探测不到，也并不是所有龙卷超级单体都会产生低层中气旋），况且低层中气旋与龙卷出现之间的间隔非常短，所以龙卷的预警是建立在中层中气旋的基础上的，中层中气旋越强出现龙卷的概率就越大。龙卷涡旋特征TVS：在雷达径向速度图上一种与龙卷紧密关

34、联的比中尺度气旋小旋转快的涡旋，在速度图上表现为像素到像素的很大的风切变。TVS极少出现，但虚报率低，一旦出现立即发布龙卷预警。6.2 大冰雹背景条件： -10ºC到-30ºC之间的CAPE值, 0-6km垂直风切变, 湿球温度零度的高度（近似与冰雹开始融化的高度，23km之间的高度和大冰雹有很好的相关）。回波强调最大值及所在高度，有界弱回波区BWER或弱回波区WER区域的大小，VIL的大值区等都是强降雹潜势的指标。雷达回波：根据冰雹增长的特征，与上升气流强度和区域大小有关的强度回波特征和速度回波特征是大冰天气很有价值的指标。这些特征回波是：l 高悬的强反射率因子回波l 风

35、暴顶强烈辐散特别简单有效的判断有无大冰雹的方法是根据强回波区（4555dBZ）相对于0和-20等温线高度的位置。当强回波区扩展到-20等温线高度之上时，对强降雹的潜势贡献最大。判断强降雹，还可以根据VIL值的大小判断大冰雹的出现的可能性。但是判断大冰雹的VIL阈值季节差别很大。有人定义了VIL与风暴顶高度之比为VIL密度，VIL密度超过4g/m3时，则风暴几乎肯定会产生直径超过2cm的大冰雹。冰雹的三体散射现象及其特征形成过程：l 向前的雷达波束的一部分被大的降水粒子（如冰雹）散射到地面上；l 地面将散射波反射回空中的有降水粒子构成的强散射区域；l 由地面反射到空中的有降水粒子构成的强散射区域

36、的雷达回波又被散射回雷达。对于S波段（10cm）雷达，出现三体散射现象表明风暴中存在大冰雹。三体散射是大冰雹的充分条件，但不是必要条件，所以三体散射在业务上被用作大冰雹预警的一个指标。（三体散射有称火焰回波或雹钉）而C波段三体散射出现的机会大一些，所以C波段的三体散射不一定表明大冰雹存在。6.3 灾害性大风是指对流风暴产生的除龙卷外的地面直线型风害。对流风暴中的下沉气流到达地面是产生辐散，造成地面大风。在环境垂直风切变较弱的情况下主要的直线型风害是脉冲风暴产生的下击暴流，分为干和湿两种，其中湿下击暴流的预警指标是反射率因子核心下降伴随着云底以上的气流辐合。在比较大的垂直风切变条件下，产生地面直

37、线型大风的系统有多单体风暴、飑线和超级单体风暴，它们的一个共同的预警指标是出现中层气流辐合（MARC）。另外弓形回波是因子容易产生地面大风的回波形态。弓形回波弓形回波可以有很多形态和类型，经典弓形回波、弓形回波复合体、单体弓形回波和飑线型弓形回波。显著弓形回波特征：（比普通弓形回波增加的灾害的潜势）1) 在弓形回波前沿（入流一侧）存在高反射率因子梯度区；2) 在弓形回波入流一侧存在WER（早期阶段）；3) 回波顶位于WER或高反射率因子梯度区之上；4) 弓形回波的后侧存在弱回波通道或RIN（后侧入流缺口），表明存在强的下沉后侧入流急流。（此现象一般意味着下击暴流风和可能的下击暴流导致的龙卷）6

38、.4 暴洪（短时强降水）暴洪是指强降水在短时间内（不超过48小时，一般造成暴洪的时间要短得多）造成的局地洪水。取决于两个条件：1）短时间内较大的降水量；2）相应流域的水文条件。我们一般讨论气象上的短时暴雨。天气雷达在暴洪预报中的作用雨强估计一般来说，反射率因子越大，雨强就越强，但这个关系受到零度层亮带和冰雹的很大影响。低空急流的识别暴雨产生的条件之一是要有充分的水汽供应，而低空急流是为暴雨输送水汽的通道。降水持续时间的估计总的降水量取决于降水率的大小和降水持续时间。降水持续时间长的两个条件：1）系统移动缓慢；2）系统沿着雷达回波移动方向的强降水区域尺度较大。飑线的移向矢量和走向平行时会产生列车

39、效应，飑线中的强降水单体依次通过同一地点，使这一地点累积大的总降水量。次流域面积上累积降水的估计暴洪的发生还和地形、流域面雨量是密切相关的。6.5 强对流天气预报和预警的发布强对流天气预警步骤天气背景分析：1) 大尺度系统是否使得大气变得更加不稳定；2) 垂直风切变考察；3) 抬升机制考察；4) 水汽条件的分析；雷达产品的分析1) 首先检验1km分辨率的组合反射率因子产品（CR37），上面叠加冰雹指数和中气旋产品，确定强对流风暴。2) 确定每个潜在的强对流风暴的位置，将其置于画面中心，同时显示4幅分别代表中层和低层的反射率因子和径向速度图。判断是否有弓形回波、反射率因子垂直结构倾斜、WER或B

40、WER、三体散射、辐合、中气旋等等特征。进一步做垂直剖面进行判断。3) 做适当的垂直剖面。反射率因子剖面主要判断是否有强回波悬垂、回波穹窿，强回波伸展高度是否达到0到-20等温线高度，径向速度剖面主要看中层辐合区存在与否，从而判断地面大风的可能性。4) 再进一步考察不同高度反射率因子产品、不同高度径向速度产品、相对风暴径向速度产品（环境风向风速要设置比较符合实际情况）、垂直累积液态水含量VIL。第七章 雷达产品与算法7.1 产品概述新一代天气雷达基本产品是反射率因子、平均径向速度、谱宽。l 雷达产品分为基本产品和导出产品。l 基本产品是指有基数据直接形成的不同分辨率和数据显示级别的反射率因子、

41、平均径向速度和谱宽。l 导出产品是指经过RPG中的气象算法处理后得到的产品。（其中重要的算法有风暴单体识别与跟踪算法（SCTI）、冰雹探测算法（HDA）、中气旋探测算法（MDA）、VAD风廓线算法以及降水算法（PPS）等。）l 导出产品算法中能改变的参数叫可调参数（适配参数，一般在RPG里可修改）。l 降水算法估计的降水量、基于速度的算法产生的速度导出产品都到距雷达230km，风暴识别和质心跟踪算法处理直到345公里的数据。在345km到460km之间没有导出产品算法可用，但仍可以得到基本反射率因子的产品。l 在雷达扫描的静锥区内，不会有雷达产品。雷达产品分类示意图7.2 基本产品反射率因子（

42、R）产品号（1621），主要应用产品为R19（最小分辨率1km×1°，范围230km）、R20（2km×1°，范围460km）。最常用、最有用的雷达产品，也是任何型号雷达一直的标准输出产品。产品应用l 可以确定回波强度，识别风暴的结构、强弱以及强降水带l 随时间的变化加以分析或外推可以确定未来降水回波移动、降水趋势和回波生消变化产品不足：l 要识别非降水回波，排除地物回波和超折射回波等干扰，抬高仰角一般可区分此类回波。l 资料等级（R19、R20产品16等级，5dBZ一级）不可修改，晴空模式下最高可显示资料强度为28dBZ大小。l 旁瓣假回波，发生在高仰

43、角近距离处，一般仰角超过19.5度，该产品不再适用。l 产品分辨率随着离雷达站距离的增加而下降。平均径向速度（V）产品号2227，常用产品为V26（范围115km，分辨率0.5km×1°）、V27（范围230km，分辨率1km×1°）。最常用、最有用的多普勒雷达产品。产品应用：1) 探测地面相对风场，直接服务于警报、研究和预报。2) 探测大气结构：可根据风向风速随高度的变化监测各层冷暖平流及中低空急流。3) 探测风暴结构：根据平均径向速度图，可识别风场气旋、反气旋，风暴顶或近地面层的散度等。4) 高空风分析图：制作、调整、更新由探空资料所得的速度矢端曲线

44、（高空风分析图）。5) 降水边界识别：在降水边界区平均径向速度资料表现为辐合区，而在基本反射率因子场上表现为一个小于5dBZ的弱回波区，无法识别。产品不足：1) 垂直与雷达径向的风的平均径向速度被表示为0；2) 距离折叠和不正确的速度模糊。3) 资料等级不够。谱宽（SW）产品号2830，常用产品为SW30（范围230km，分辨率1km×1°）。产品应用：1) 评价平均径向速度产品。一般说来，高谱宽区蕴含着平均径向速度有较大的不确定性，应进一步与基本反射率因子资料对比分析。2) 帮助风切变、湍流。3) 降水边界识别。产品不足：1) 距离折叠。2) 系统噪声：系统噪声可导致奇异

45、的谱宽值。3) 地面非气象目标物影响。如地面移动的汽车、摇晃的树叶、水塔等都可以导致虚假的谱宽值。7.3 一些算法简单的重要导出产品相对风暴的平均径向速度图（SRM）SRM56号产品（范围230km，分辨率1km×1°），与基本速度产品类似，只不过减去了有风暴追踪信息（STI）识别的所有风暴的平均运动速度，或减去了有操作员选定的风暴运动速度。建议自己判断风暴运动速度进行输入，以得到更可靠的SRM产品。产品应用：常用于识别被风暴运动掩盖了的切变区域（如中气旋、辐散及龙卷涡旋特征等），对快速移动的风暴最为有效。产品不足：假如减去的风暴移动矢量不代表被监测的风暴移动信息，该产品描

46、述的风暴相对气流将有较大误差。相对与风暴的平均径向速度区（SRR）SRR55号产品，和SRM类似但有几点区别：1) 首先它是覆盖50km×50km距离的窗口产品，其产品中心可由操作员在雷达半径230km范围内任意指定2) 分辨率（0.5km×1°）比SRM要好。3) SRR产品减去的风暴运动缺省为最接近产品中心的风暴运动，或由操作员输入的风暴运动值。产品应用：识别局部的被风暴运动掩盖了的切变区域。不足同SRM。强天气分析（SWA）有四个不同产品，反射率因子（SWR43）、平均径向速度（SWV44）、谱宽（SWW45）及径向切变（SWS46）。当特定的警报（如中气旋

47、）被触发时，4个产品的SWA可以自动生成。并以被警报的气象现象的方位、距离和最接近“临界高度”的仰角为中心。该产品也可以由用户指定的仰角和方位距离上生成。为50km×50km距离的窗口产品。特别适合四幅同屏来分析被警报天气。组合反射率因子（CR）产品号35-38，常用的为CR37（1km×1km，230km）、CR38（4km×4km，460km）。组合反射率因子表示的是在一个体积扫描中，将常定仰角方位扫描中发现的最大反射率因子投影到笛卡尔格点上的产品。生成原理组合反射率因子产品显示了网格上方各个仰角上反射率因子的最大值，示意图如下：此外，该产品可叠加风暴综合信息

48、表。产品应用1) 显示出整个可探测大气空间的最大反射率因子分布。2) 比较于基本反射率因子，有助于探测风暴结构特征和强度等。3) 通过组合反射率因子知道风暴的最强回波区域，再做剖面产品，有利于反映风暴的垂直结构。4) 可以叠加风暴综合属性表。产品不足1) 比较弱的反射率因子被忽略。2) 反射率因子值发生的高度不可知。也许是一个值发生在0.5度仰角，而相邻值发生于19.5度仰角。3) 回波发展高度不可知。4) 非降水回波也许影响该产品的质量。回波顶（ET）产品号为41（4km×4km，230km）。生成原理把反射率因子强度大于等于18.3dBZ的回波所在高度定义为回波顶高（云区上部）。

49、算法考虑了雷达天线所在高度，是以海平面为参考的高度。产品应用1) 很快的测量强对流回波发展的高度、位置。2) 有助于将非降水回波从实际风暴中区分出来。3) 有助于识别风暴结构特征，诸如倾斜，低层反射率因子梯度区上的回波顶。4) 在低层回波还未探测到时，先探测到中上层回波。产品不足1) 由于雷达资料和算法的不足，产品网格点间常出现环形阶梯状不连续现象。2) 雷达旁瓣回波，可能导致过高估计回波顶高。3) 距雷达近距离处，由于受最高仰角的限制而可能低估回波顶高。4) 对于雷达最高一层仰角上，即使仍有降水回波，并没有进行向上垂直外推，因此对于发展较高的强风暴较难探测到其回波顶高。垂直累积液态水含量（V

50、IL）产品号VIL57（4km×4km，230km），表示将反射率因子数据转换成等价的液态水值，它用的是假设所有反射率因子返回都是由液态水滴因子的经验导出关系。生成原理垂直液态水含量产品是假定反射率因子强度来自于液态水滴，应用以下公式生成每一个4×4km网格点上任意仰角的液态水含量，然后再对每个网格点进行垂直积后得到VIL产品。公式中Z为基本反射率因子值，M为液态水含量，单位千克/平方米。由于冰雹会导致液态水混合比不可靠的高值，因子所有大于55dBZ的反射率因子都取为55dBZ。产品应用1) 有助于确定大多数显著的风暴单体位置。2) 由于冰雹单体并非由液态水构成，导致很强的

51、VIL，所以有助于识别较大的冰雹单体。3) 有助于识别超级单体风暴，超级单体风暴有持续高的VIL值。4) 有助于识别强风灾害天气，强风开始时，垂直液态水含量VIL迅速减小。产品不足1) 生成公式决定了垂直液态水含量产品与雨滴大小密切相关，水滴滴谱的不确定性会导致VIL有偏差。2) 当VIL作为预报发布警报的参考，阈值应随大气条件而变。3) 距离雷达40km以内的值是过低估计的，这是由于雷达的静锥区造成的。4) 倾斜和快速移动的风暴单体VIL值往往小于比较垂直且移动较慢单体的VIL值。5) 该产品有时被非降水回波干扰。6) VCP11脉动小于VCP21的脉动。因为VCP11有较小的仰角间隔。7)

52、 远距离外（220公里）VIL值可信度较低。剖面产品剖面产品有反射率因子剖面（RCS）、速度剖面（VCS）、和谱宽剖面（WCS）。常用的为RCS，VCS一般和RCS结合使用。剖面不一定要沿着雷达径向，可以在雷达半径230km范围内任意指定小于230km距离的两点来做剖面。剖面产品是体扫资料根据算法插值生成的。不同于雷达的RHI扫描。RCS产品应用1) 探测强回波中心的高度，以便于判断对流性强弱。2) 探测回波顶层，在降水模式下，该产品可最小探测到强度小于5dBZ反射率因子。3) 测风暴结构特征，诸如弱回波区（WER），边界弱回波区（BWER）风暴倾斜角等。4) 监测降水事件的形成和消散。VCS

53、产品应用1) 沿径向剖面产品有利于识别风暴辐合/辐散特征和上升气流,下沉气流。2) 沿与径向垂直的方向做剖面有利于识别中尺度气旋，龙卷涡旋等标志。3) 有助研究各种灾害性天气的动力特征。产品不足1) 内插过程会导致一些资料的失真。2) 低于最低仰角和高于最高仰角的反射率因子资料没有进行外推3) 随着距雷达站距离越远。内插误差越大，产品垂直分辨率越低。7.4 风暴单体识别与跟踪算法及其产品SCIT算法SCIT算法由四个部分组成：风暴段识别，风暴中心定位，风暴单体跟踪和风暴位置预报。l 风暴段识别算法识别出每个PPI上径向反射率因子超过一定阈值的连续段，将识别结果输入风暴定位算法；l 风暴定位算法

54、将风暴段组合成每个PPI上二维风暴分量，再根据风暴垂直相关性组合成三维风暴单体，计算每个单体属性后输入风暴跟踪和位置预报算法；l 风暴跟踪和位置预报算法通过对最后两个体扫描间风暴体匹配实现风暴跟踪，再作线性外推预报其位置。SCIT算法产品提供了风暴单体路径和风暴单体结构的属性信息，在预报员的预报和警报过程中给予协助。风暴结构属性包括：风暴单体序列号、风暴单体位置、基于单体的VIL、风暴单体顶、风暴单体底、风暴单体最大反射率因子、风暴单体最大反射率因子高度。风暴路径属性包括：风暴单体序列号、风暴单体过去位置、风暴单体当前位置、风暴单体位置移动、预报的风暴单体位置和预报误差。7.5 冰雹指数产品及

55、其算法冰雹指数产品（新），59号产品可以在识别的风暴单体属性表中给出相应单体的降雹概率POH、降大雹概率POSH和预期的最大冰雹尺寸MEHS，并以相应的图形图像显示出来。产品应用冰雹指数产品对于强冰雹，特别是尺寸大于1英寸的冰雹具有很强的探测能力，当POSH 大于50%时极有可能产生冰雹，是一个探测冰雹的有效指数。产品不足1) 冰雹探测算法需要及时，精确的输入0和20等温线距海平面的高度。 2) 冰雹发生可能性参数（POH），强冰雹可能性参数（POSH）和冰雹尺寸（MEHS）等在距雷达站近距离处和远距离处起伏较大，影响探测效果。3) 最大探测距离仅为230km，无法探测远距离强冰雹。4) 在弱

56、风和热带环境中，冰雹指数趋向于过高估计冰雹发生的可能性。7.6 中气旋（M）和龙卷涡旋特征（TVS）算法和产品中气旋产品（M），60号产品产品应用1) 识别中尺度气旋，操作员还需同时分析反射率因子和径向速度产品，最好将这些产品作为中尺度气旋的警报配对产品使用。2) 识别龙卷，一个中层的中尺度气旋，如果向着地面发展，可进一步发展成龙卷风。产品不足1) 时间连续性差，算法并没有同时使用两个体扫描的资料。2) 算法仅仅考虑气旋性弯曲或切变造成的灾害性天气。3) 在距雷达站较远的距离处，各仰角资料间距增大，会影响中尺度气旋探测。4) 很难知道是哪个仰角上发生切变或涡旋。龙卷涡旋特征TVS，61号产品产品应用1) 在合适的情况下，该产品显示的龙卷涡旋信息处有发生龙卷