新一代天气雷达 在灾害天气预警预报中的应用

图29
雷达数据流示意图
雷达数据流示意图
每个产品都由产品名、产品标识符和产品 标识号组成。（表1） 由表1CINRAD WSR-98D 部分产品的产品号、 产品标识符、产品标识号可知： ① CINRAD WSR-98D 产品特性 在众多的产品中，由于受约定限制，每次 申请的产品不能多于20个（目前多达30个）。 特殊情况下，可以临时申请某些产品。如回波 剖面等。目前常用的产品有不同仰角的基本反 射率和基本速度、风暴相对平均径向速度、风 廓线、垂直积分液态水、回波顶、组合反射率、 反射率因子垂直剖面、风暴追踪速度、冰雹指 数等。下面主要对这些常用产品进行介绍。
4、有利定量和更精细产品的开发 前不久，国家气象局网站已经公布了新一 代天气雷达产品的基数据。根据6分钟一体扫 的高密度基数据资料与相应时间的自动雨量站 资料进行相关分析，可以大大提高对水库蓄水、 防洪和暴雨落区落点的精确预报。 勿容臵疑，新一代天气雷达的应用确实为 灾害性天气的预警预报带来了福音，同时也为 强对流天气的研究提供了依据。
2、具有高密度、高时空分布的雷达回波 产品 常规天气雷达不但探测距离近而且品 种也比较单一。新一代天气雷达具有每6 分钟一个体扫的30余种产品可供选择。 其中常用的有基本反射率、基本速度及 其由此衍生的组合反射率、风廓线、液 态含水量、回波顶高、风暴追踪信息、 冰雹指数等非常直观的产品。
3、径向速度产品的应用 径向速度产品的应用是新一代天气雷达最大 的优势之处。虽然目前雷达显示的还不是真实 风场，但通过径向风场分析还是可以确定气流 的走向、强弱等，根据与零速度线的配臵可以 分析冷、暖平流；辐合、辐散；冷锋；冷、暖 切变线和低槽等天气系统。尤其是一些对人们 生命财产造成严重损失的中、小尺度天气现象。 如中尺度气旋、下击暴流、阵风锋等。
新一代天气雷达 在灾害天气预警预报中 的应用
杨 梅
江西省环境预报中心
主要内容介绍
一、前言 二、新一代天气雷达的特点 三、新一代天气雷达基本原理 四、多普勒速度图的基本识别 五、WSR—98D产品在灾害天气中的应用 六、强风暴个例 七、小结
各位领导、各位老同仁和新同仁： 你们好！ 受领导的委托，向各位汇报一下南昌新一 代天气雷达在灾害性天气和短时预报中的应用 情况，感到义不容辞。但同时也感到勉为其难。 虽然从事雷达探测多年，但接触多普勒雷达毕 竟时间太短，分析应用能力太弱。尤其是径向 速度的分析与应用差距更大。但恰恰这又是多 普勒雷达应用的重要组成部分。 为了让新来大学生们对径向速度场有一个 初步的了解，在今天的汇报中，我想利用前辈 总结的径向速度模拟图向各位介绍一下径向速 度的基本概念。另外结合实际简要介绍新一代 雷达在灾害性天气预警预报中的应用。
图14
风向随高度先顺转后逆转
④风速风向都随高度变化的 各种图象变化（见图15）
图15 风速随高度增加（地面为0）风向随高度顺 转的 多普勒速度图象和垂直风廓线，图象东部和西部边缘的 颜色突变代表了己被混淆的更大的速度值。
⑤风场中垂直不连续的 百度文库象变化（见图16）
图16风向突变的多普勒速度图象和垂直风廓线， 上下风向相差90°，之间存在一连续区的两对牛眼颜色 突变表示有更大的速度值。
表1 CINRAD WSR-98D部分产品的 雷达产品名、产品标识符、产品标识号
a
基本反射率（R）
这是雷达进行体积扫描时，对每个扫描 仰角的回波强度（DBZ）显示产品。分辨率有 1、2、4km可选。距离范围有230或460可选。 图象等级分8和16两种，等级值随探测模式 （降水和晴空）而变。基本反射率产品用来 估算降水强度、冰雹潜在性、风暴结构等。 该产品是使用频率最高的产品，对强对流天 气的判断和预警十分有用。（图30）
3、多普勒两难 脉冲多普勒雷达象常规雷达一样， 发射一系列在空间上相隔一定距离d的脉 冲。这个距离d与脉冲重复频率（prf）有 如下关系： d=c/prf 其中C:是雷达脉冲能量在大气中的传播 速度,其值为3*108米秒-1。 一个脉冲传播并且在下一个脉冲发射 前回到雷达的最大距离是脉冲间隔d的一 半。这个最大距离定义为：
4、WSR—98D简介 目前南昌使用的是北京敏视达公司生产 的WSR—98D。它由五个主要部分构成：雷达 数据采集子系统（RDA）、宽/窄带通讯子系 统（WNC）、雷达产品生成子系统（RPG）、 主用户处理器（PUP）和附属安装设备。主 要构成如图2。RDA是用户所使用的雷达数据 的采集单元。它的主要功能是产生和发射射 频脉冲、接收目标物对这些脉冲的反射能量， 并通过数字化形成基数据。
三、新一代天气雷达基本原理 1、探测原理 和常规雷达类似，新一代天气雷达也是 利用目标物对电磁波的散射原理来对云雨、冰 晶等进行探测的（图1）。
图1 雷达探测原理
目标物的性质、强弱直接影响返回 到雷达的回波强弱。而回波的强弱与雷 达性能、参数密切相关。它们之间的关 系可以用一个方程式表达：
式中：Pr是雷达接收到的回波功率,单 位：KW；Pt是雷达的发射峰值功率,单位： KW；G为天线增益,单位：倍；θ为水平 波束宽度，单位：℃；h为发射脉冲长度, 单位：m；Φ为垂直波束宽度,单位：℃； r为目标物到雷达天线的距离,单位：km； λ为波长,单位：mm；Ζ为反射因子,单 位：mm6.m-3；k2为折射指数，当反射体 为液体时,其数值为0.93，反射体为固体 时，其数值为0.197。
（2） 导出产品 即由数字化的基数据经过使用特定 的算法而得到的。 如原则上说，除了基反射率因子、 基径向速度和基谱宽产品外的产品都是 导出产品。其它类型的导出产品包括三 种基本数据的垂直剖面，垂直累积液态 含水量VIL、冰雹指数、强天气发生概率、 回波顶高、中气旋、龙卷特征和降水量 等共33个。（数据流如图29）
二、新一代天气雷达的特点 和常规天气雷达比较，新一代天气雷达 有以下优点： 1、新一代雷达分辨率高，探测距离远。 常规天气雷达受发射功率和波长限制， 有效探测距离在200公里以内，对湖南境内 东移影响我省的回波很难发现。而新一代 天气雷达分辨率高，探测距离一般可以达 到400公里以上。当强对流处于萌芽状态时 就能发现。大大提高了强对流天气的预警 预报准确率和有效预警时间。
从上述雷达气象方程可以看到：雷达参 数是一个常数。而回波强度与回波离雷达的 距离则是变数。距离越远接收到的回波功率 越弱；反射因子越大接受到的功率也越大。 而反射因子Z与雨滴的6次方成正比。雨滴越 大，回波反射率越大，即雷达回波强度越强。 这也是为什么冰雹等外包水成物的雷达回波 特别强的缘故。
2、多普勒效应 和常规脉冲雷达所不同的是：多普勒雷达 不但可以探测雷达回波的位臵和强度，还可 以探测各散射体之间相对于雷达的运动速度、 方向等，即相继发送的脉冲波之间的初相位 是相同的。这就是相干雷达。而多普勒雷达 就是典型的相干雷达。 多普勒雷达的理论基础是电磁波的多普 勒效应。所谓多谱勒效应，是指波源相对于 观察者运动时，观察者接到的信号频率和波 源发出的频率是不同的。而且发射频率和接 收频率之间的差值，和波源运动的速度有关。
RPG是整个雷达系统的指令中心。也是雷达 产品生成子系统RPG是它由宽带通讯线路从RDA 接受数字化的基数据，对其进行处理并生成各 种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户。 RPG还可以通过雷达控制台（UCP）对RDA进行 监控（遥控方式）。 PUP的主要功能是产品请求、产品数据的存 储和管理等。
②非均匀水平风场的图象变化 （见图9-11）
图9 风速在所有高度上相同 风向水平辐散的流场（左图）
图10
同前水平流场在各高度辐合
图11
向上由西向东倾斜的多普勒速度图象
③风速不变风向随高度变化的 各种图象变化（见12-14）
图12
风向逆转风速不变的 多普勒速度图象和垂直风廓线
图13
风向随高度顺转风速不变的 多普勒速度图象和垂直风廓线
⑥风场中水平面不连续的图象变 化（见图17-19）
图17锋面对应的多普勒速度图象锋前低层有一西 南风极大值，锋后有一西北风极大值。
图18
锋面对应的多普勒速度图象 锋面已移过测站
图19
锋面已到测站东南 锋前风随高度顺转，风速随高度增加， 而锋后风向随高度逆转，风速随高度增加.
4、中γ尺度（2-20km）流场特 征识别（见图20-28）
在雷达上，径向速度的大小和正负是通 过颜色变化表示的。一般暖色表示正径 向速度，冷色表示负径向速度。作为一 种约定俗成，离开雷达的径向速度为正， 流向雷达的径向速度为负。离开雷达和 流向雷达的速度分别被称为出流和入流 速度。
图3a
图3b
2、关于零速度 当实际风速为零时或雷达波束与实际风向垂 直时，径向速度为零，称为零速度。因此，可 根据径向风的分布反推实际风。主要依据是零 速度线的分布： (1)零等速度线的实际风与雷达波束垂直。 (2)假定在雷达探测范围内，同一高度层上 的实际风是均匀的。从PUP显示屏中心出发， 沿径向划一直线到达零等速度线上某一点：过 该点划一矢量垂直此直线。方向从入流径向速 度一侧指向出流径向速度一侧，此矢量即表示 垂足点所在高度层的实际风向。（图4） 另外，还可以根据零速度带的走向判断冷 暖平流、辐合、辐散以及识别各类中小尺度天 气系统。
图4 环境风场的平面图
3、大尺度风场连续流型的识别 ①风向不变风速随高度变化的 各种图象变化（见图5-8）
图5
风速风向均不随高度变化的
多普勒速度图象和垂直风廓线
图6
风速从地面20海里/h 增至图象边缘高度的40海里/h
图7
风速在图象中间达到最大值（40海里/h）
图8
图象中间风速最大 地面及图象边缘风速为零
一、前言 新一代天气雷达在我省的应用即将进入第 4个年头了。实践表明：新一代天气雷达确实 优于常规天气雷达。它分辨率高、探测距离远、 产品丰富且时空分布密度大；它不但可以探测 云雨区内降水量强度的大小而且可以探测降水 区内气流的分布，并从中分析出与冰雹、龙卷 等密切相关的中尺度气旋、下击暴流、阵风锋 等强风暴特征。从而为强对流天气的预警预报 提供了确切依据。同时也为强对流和暴雨天气 发生发展的动力机制分析提供了依据。 除此之外，在人工增雨工作中的应用前景 也十分广阔。
rmax=C/（2prf） ① 从公式可以看到，要得到最大距离范围内的所 有散射区可以用降低prf的方法。但因为： Vmax=+-（prf）λ/4 ② Vmax是最大多普勒速度测量范围。如果PRF 减小，那么就会产生速度混淆。解①与②式得 出： VmaxRmax=+-λ/8 ③ 因此，对一个具有一定波长的多普勒雷达来说 Vmax与Rmax的积是一个常数，Rmax增加则 Vmax减小，反之亦然。这就是多普勒的两难。 在目前新一代雷达还没有解决这个难题。
图20
小区域方位示意图
小区域方位示意图
图21
纯气旋
图22
纯反气旋
图23 辐合
图24 辐散
图25 辐合气旋
图26 辐散气旋
图27 反气旋辐合
图28
辐散反气旋
5、基本产品介绍 CINRAD WSR-98D产品可以分为两大类： （1）基本产品 根据从RDA接收到的数字化基数据， RPG可以生成操作员指定仰角上的基反 射率因子、基径向速度和基谱宽产品。
图2
WSR—98D主要系统构成
四、多普勒速度图的基本识别 1、实际风与径向风的关系 多普勒雷达测量的是风场在雷达径向 上的分量。 假定某高度平面上的实际风向风速均 匀，则雷达以某个仰角作360度扫描时，在 这个高度相应的距离圈上，雷达径向速度 随方位角的分布是典型正（余）旋曲线。 雷达波束与实际风向的夹角越大，则径向 速度值越小，实际风速越小，径向速度也 越小（图3）。
这种现象叫多谱勒效应。由多谱勒效应而 引起的频率变化，叫多谱勒频移。这种频率 的变化量和相对运动速度的大小之间的关系， 有如一列行驶中鸣笛的火车，月台上候车的 人们可以感觉到鸣笛频率的变化，当火车朝 向月台行使时，频率变高，当火车远离月台 而去，则频率变低，而且其频率变化量与火 车行使的速度成正比。用一公式表示它们之 间的关系为： f =2v/λ 上式中f:多谱勒频率；v:运动目标的径向速 度；λ:雷达工作波长。