第七章 雷达回波资料的应用(软件)

较强的对流云(强雷暴、超级单 体等)除具有以上特征外，还具有 云顶上冲、弯窿、回波墙、悬挂回 波、旁瓣回波、三体散射等特征结 构。

图为强对流的回波RHI图。箭头A所示 为旁瓣回波，箭头B为一体散射回波，箭头 C为云砧，箭头D为穹窿(弱回波区)、箭头E 为悬挂回波、箭头F为回波云墙。
根据对流云强度回波的结构特 征，可分为单一单体、多单体和超 级单体三种。 基于高分辨雷达观测和数值模 拟的研究表明，这三种回波之间存 在着本质的差异。
混合性降水

混合性降水回波常表现为层状 云降水回波和对流性降水回波的混 合，即在一张回波图上既有对流性 降水回波特征，又有层状云降水回 波待征。
在PPI上，在比较大的范围内，回 波边缘呈现支离破碎，没有明显的边界， 回波中夹杂着一个个结实的团块，好似 一团团棉花絮。 在RHI上，柱状回波高低起伏，高 峰部分常常达到雷阵雨的高度(雷雨的 回波顶通常较高，一般在6-8km以上、 盛夏时的回波顶高可达17-18km)，而较 低的平坦部分一般只有连续性降水回波 所具有的高度。

对流云回波在雷达平面位臵显示 (PPI)上，表现为几公里至几十公里的 不规则块状形态。回波通常由许多分散 的回波单体组成根据不同的天气形势， 对流云回波可呈孤立分散状或有规律的 带状分布，排列成带状、离散状、涡旋 状或其他的形状。单体的结构紧密，边 界清晰，棱角分明，回波强度较强。在 一些尺度较大的单体中，还可以看到几 个尺度小一些的强核。


图为一典型对流云回波的RHI图。回波 由两个独立发展的对流单体组成，其中靠近 测站的单体处于发展阶段，远离测站的单体 处于成熟阶段。单体呈柱状，垂直尺度大于 水平尺度。
图为一个发展强烈的对流回波RHI图。对 流发展旺盛，顶高超过了12公里，云顶有水平 范围超过100公里的云砧;强度较大，强中心超 过了50dBZ。由于强中心出现在中空，此次天 气过程伴有雷雨、大风和冰雹等强天气。
对流云阵性降水
对流云阵性降水包括阵雨的差异。 对流云降水回波一般出现在锋 面上、冷锋前暖区、气团内部、副 热带高压边缘以及台风外围等地方。

对流云降水回波的主要特征： 在PPI上，回波呈块状，内部结构 密实，边缘清晰，一般强中心的回波强 度大于40dBZ。 垂直发展旺盛，在RHI上，回波 呈柱状，底部及地，高度较高，回波顶 高一般超过10km，甚至高达18km。

由大气的对流运动所产生的云称为 对流云(大气科学词典，1994 )。对流云 一般以垂直发展为特征。 对流云包括淡积云、浓积云、秃积 雨云和鬃积雨云和伪卷云。由于对流云 降水均能够被雷达探测到，并且大多与 强烈天气相配合，因此分析对流云降水 回波也成为分析天气雷达回波的重点之 一。

对流云回波强度特征

定量分析方法是现代雷达回波 分析的发展趋势，主要是以回波强 度值、回波强度的梯度值、各种强 度的回波面积、回波体积、各种强 度值的回波顶高度、回波底高度以 及利用回波强度值计算出来的各种 物理量和其它定量参数值分析研究 回波。
六、雷达回波的简单识别
层状云降水回波 对流云阵性降水回波 混合性降水回波


图为一典型的多 单体PPI图。图上单体 A, B, C,D, E, F排列成 线状。单体A的强中心 结构比较散乱，已处 于消散阶段;单体B的 结构紧密、强度较强， 处于成熟阶段;单体C 的强度处于发展阶段; 单体D, E, F的面积较小、 强度较弱，处于新生 阶段。

下图为一个典型多单体RHI图。 可以清晰地看到它的强度结构特征。 图中回波由A, B, C, D四个单体组成， 每个单体处于不同的发展阶段，单 体紧密连接在一起排列成线状。
平面位臵显示（简称平显或PPl） 天气雷达中应用最为广泛的一种显 示方式，对于一个给定高度角的雷达波 束，其资料被投影到地面。 近距离处，资料靠近地面；远距离 处，资料来自较高处。

距离高度显示(简称高显或RHI)

雷达天线在某一特定方位角上由改 变仰角的高低来实现上下扫描，显示目 标物的垂直剖面，这种形式的图像可以 反映云系中降水及其有关的某些微物理 过程的垂直结构。

异常回波出现在强逆温和显著 的水汽直减率，这时在逆温层中雷 达波束发生折射，相对于原来的传 播路径发生向下的弯曲，因此可以 在地物杂波中观测到异常增强的现 象。
在陆地上，异常传播产生强度 变化较大的、杂乱的、斑点状的回 波；在海上，这种现象减弱，但当 海面有浪时，会产生与陆地上一样 的强回波。 异常回波最容易出现在反气旋 形势下，或有深厚的夜间逆温时。


二次雷达回波是指那些由 于雷达系统本身的异常或由于 雷达波束在雹暴中多次反射而 产生的相对来说极少出现的一 类回波。
五、雷达回波分析方法简介 雷达回波分析是用好雷达资料 的关键，也是制作短时和临近天气 预报的基础。 雷达回波分析方法大致可分为 形态学分析方法和定量分析方法两 种。


形态学分析方法是指，从回波 的分布特征(如带状回波、人字形 回波、涡旋状回波、螺旋状回波、 平行短带回波、大面积片状回波 等)，以及回波的形状结构特征(如 钩状回波、弓状回波等)来分析回 波，并总结概括出概念模式，以便 改善预报效果。
主要内容
天气雷达的发展 多普勒雷达的基本原理 雷达的显示方式 雷达回波分析中存在的问题 雷达回波分析方法 雷达回波的简单识别 对流云降水回波（重点）
一、雷达的发展历史 雷达发明于第二次世界大战的前夕， 当时主要用来测定军事目标的位臵。在 探测过程中人们发现云、雨等气象目标 也会产生回波。 因此，从1940年代开始，气象工 作者就利用军用雷达来探测和研究气象 目标，到了50年代初，已有一些国家 先后建立起了大气雷达深测站网。
四、雷达回波分析中存在的问题
虚假回波
异常传播
二次雷达回波

最常见的虚假回波是地物回波， 它是由山脉、高大建筑物或一些特殊的 地面状况所引起的。这些回波主要出现 在雷达测站附近，当雷达波束作低仰角 探测时．可以根据它们持久不变的特性 来识别。通道抬高仰角，可以消除地物 回波，或使用地物高度以上的等高平面 位臵显示图(CAPPI)。

天气雷达在天气预报工作中的应用 主要是，进行中尺度天气分析以及利用 外推法制作临近预报。 利用大气雷达覆盖区域内观测到的 卫星图像与雷达图像之间的相关关系， 通过使用卫星图像可以将雷达的探测范 围扩大，以推测雷达覆盖区域范围以外 的降水。

电磁波传播理论是天气雷达工作 的理论基础。 由雷达天线发射的电磁波，在大 气中以光速沿直线路径传播，当传播着 的电磁波遇到目标物后便产生散射波， 这种散射波分布在目标物周围的各个方 向上，其中向后的散射波被雷达天线所 接收，这就是回波。

由单块对流性降水云组成，其 水平尺度和垂直尺度一般为几公里 至几十公里的一个独立完整的气流 循环系统。 其回波表现为由一个主要的强 回波核及其周围与之相关的回波部 分构成的独V回波区域。


下图为单一单体典型回波RHI 图。图上均为一个完整的对流系统 形成的对流云，云体高大，中心强 度大。
多单体雷暴 由几个处于不同发展阶段的雷暴云 单体组成的、强大的雷暴体。它有一个 统一的垂直环流，单体排列成行，前侧 有单体不断发生，后侧有单体不断消亡。 一般每个单体经历初生、发展、 成熟和消亡四个阶段。它们都造成范围 较小和持续时间较短的强对流天气。
多单体的雷达回波特征表现为多个 处于不同发展阶段的单体对流云按一定 组织方式排列成特定的形状(通常排列 为线状或弧状)。 由于多单体由几个处于不同发展阶 段的单体所组成，其中成熟阶段单体的 回波强度结构特征与其他单体的特征之 间可有明显的差别。

层状云是水平发展广阔的云片 或云层，其水平尺度远大于垂直厚 度。 由层状云降水产生的雷达回波 称为层状云降水回波。 层状云降水回波常出现在春、 秋两季，且持续时间较长，一般达 数小时，甚至几天时间，属于稳定 性降水。

层状云连续性降水回波的主要特征： 在PPI上回波具有较大水平范围的、 连绵成片的、均匀幕状特征，回波的边 缘模糊不清晰，有时在比较均匀的片状 回波内部存在较为密实的区域，但没有 明显的块状结构，最大回波强度一般小 于40dBz；在RHI上，垂直厚度不大， 回波顶高一般在5-6km，不超过8km。 回波顶比较平坦，没有明显的对流单体 突起。

多普勒天气雷达可以探测到降 水云内和晴空大气中的水平风场和 铅直风场，降水滴谱和大气湍流， 可以探测冰雹、龙卷、下击暴流等。
二、多普勒雷达探测的基本原理
多普勒雷达以多普勒效应为基础， 根据返回信号的频率漂移，还可以获得 目标物相对于雷达运动的径向速度。 基本原理是，与静止目标物相比， 正在移动的雷达目标物，其回波信号的 频率要发生飘移(频率会发生一定的变 化)，回波信号频率上的这种变化叫做 多普勒频移。尽管其变化量很小，但雷 达还是能够测量到。

单体A处于消亡阶段，虽然云体仍十分高大， 但其中心强度明显减弱;单体B处于成熟阶段，云体 强度较大、开始产生降水;单体C处于发展阶段，云 体强度较弱、无降水产生;单体D处于初生阶段，云 体较小，强度较弱。

上图是一个刚刚发展的多单体，还没有 形成由不同阶段的回波单体综合组成的结构， 而是由成熟、发展、初生三个阶段的单体分 别组成。

在这种返回信号中，既包含有目 标物的散射特征，也包含有目标物的运 动特征。 常规天气雷达通过对回波信号幅 度的处理，得到表征目标物散射特征的 散射截面，即降水回波强度。 根据回波信号的频率漂移，可以 测得目标物相对于雷达运动的径向速度。

三、雷达资料的显示方式
平面位臵显示（PPl） 距离高度显显示(RHI)

有时可以观测到回波柱顶部 有向下风方伸展的砧状回波，这种 回波个体分明，发展迅速．生命史 一般为几十分钟至三小时。 根据其结构特征和件命史可 以分为单体、多单体和超级单体。