第五章雷达资料在雷电监测和预警中的作用

图 各单体30、35、40dBz回波顶高突破了-10℃层结高度的百分数对照图。统计时 间为初次闪电发生之前。纵坐标为发生了闪电或未发生闪电的单体个数中雷达回 波顶高突破0℃层高度所占的百分比。
差异最明显的也是在40dBz处：57%的雷暴单体突破了这个高度，而 非雷暴单体均未能到达这个高度。在30dBz、35dBz的回波强度上，满足突 破-10℃层结高度条件的雷 暴单体和非雷暴单体的个数百分比之间分别相差 了33%和60%。虽然在35dBz回波强度上雷暴和非雷暴单体的差距也比较 明显，但在该强度的回波上满足条件的非雷暴单体个数百分比达到了近三 分之一，可能会对预警结果产生较大的影响。
全国天气雷达网
3.2 利用雷达资料对雷电的监测和预警
• Gremillion and Orville[1999]分析了39个途 经美国肯尼迪航天中心的雷暴后发现：对 于夏季雷暴，最好的预警指标是在-10°C 温度高度上两个连续的体扫都能达到40dBz 的反射率阈值。使用这种方法的预报准确 率达到84%，虚警率为7%，中值预警时间 为7.5min。
20个单体的统计结果
•
在单体发展初期，大部分雷暴单体中40dBz的回波顶高能够高于-10℃ 高度，小部分处于0℃～-10℃之间；而非雷暴单体40dBz回波顶高能 够突破0℃高度的只有2个，其余在该高度之下。
• 如果将统计时间缩短到在初次闪电发生时间之前，则有5 个雷暴单体在初次闪电发生前40dBz的最大顶高没有达到10℃层结高度，占了总雷暴单体个数的1/3还要多。 • 因此，40dBz回波顶高突破-10℃层结高度是判断雷电发 生的一个充分条件，而非必要条件，仅利用-10℃层高度 作为判断雷电发生的特征高度来进行雷电预警具有一定的 局限性。但从统计中可见，雷暴单体的40dBz回波顶高在 初次闪电发生前都超过了0℃层结高度，而6个非雷暴单体 却有4个的40dBz回波顶高从未达到过0℃层结高度。即使 是剩下的那两个突破了0℃层结高度的非雷暴单体，根据 随后其40dBz顶高的变化，它们只是在这个高度之上维持 了1～2次体扫的时间，随后就又下降到该高度之下了。
35～45 12.1 50 50 60 200
＞45 25.1
回波形态
• 片状回波—层状云连续性降水 • 块状回波(带状回波)—对流云阵性降水 • 絮状回波—混合性降水 • 亮带回波—层状云连续性降水的特征
1.4 显示方式
1. ＰＰＩ扫描显示
•仰角固定，改变方位角 (0~360°)的扫描方式
• 40dBz回波顶高能否突破0℃层结高度并维持一定时间是 可以作为判断单体是否会发展成为雷暴的第1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 单体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，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。
• 探测循环时间短：通常的多普勒雷达两次体扫之 间的时间间隔只有5～6分钟。 • 目前，天气雷达在世界上许多国家都已建成观测 网络并投入了业务应用。因此利用多普勒雷达进 行雷电的预警预报是目前相关领域研究的重点。
LR, MR, HR :Light, medium or heavy rain; LD : large drops; R/H : hail-rain mixture; GSH : graupel, small hail; HA : grêle ; DS, WS : dry or wet snow; IH, IV : horizontal or vertical ice crystals
PPI图上距离与高度
2. ＲＨＩ扫描显示
•方位角固定，改变仰角 (0~90°)的扫描方式
3. 立体扫描显示
• • • • • • • • CAＰＰＩ CR VIL 0.5° OHP（THP、STP） VAD（VWP） •以最低仰角开始进行PPI VCS（RHI） 扫描，并依序增加仰角至 ET 完成所有仰角的PPI扫 Hail 、SRM、TVS、 描，称为一个体扫。 M、CS等
• Wiebke Deierling等人[2005]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。 • Brandon Vincent和Larry Carey等人[2003]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。
• 超级单体回波：具有弱回波区结构，在移向雷达的剖面 上，由远至近为回波墙，弱回波穹隆，悬挂回波，砧状 回波； • 尖顶状假回波：是由于回波强核在旁瓣上的反映。 • 主回波顶在锋前的“V”形缺口：表征云中上升气流十分强 大，以致形成对平流层产生强烈冲击，是强冰雹云形成 的标志之一。 • 辉斑回波：冰雹云中的强回波中心和地面形成多次反射 好似延长了回返时间，产生异常回波，在强回波中心更 远处出现假回波。
弓形或人字状回波：表征对流活动的组织化形成了雹线，这种组 织会增强其中的一些单体迅速增长，形成强雹云。此回波对应地 面和低层气流切变线的形成，这种线状切变不稳定，可以起波或 形成涡旋，线状变成波状就可以观测到人字形回波，而在人字的 两笔接头处会形成强冰雹云。
弓形回波
2.2.2 RHI特征回波形态
CAＰＰＩ(等高平面位置显示)
• 体扫描数据内插 • 优点:易与规定 高度常规资料配 合分析 • WER类似
VCS（任意垂直剖面）与（RHI）
第二节 雷暴云的回波特征
2.1 不同天气系统的回波特征
回波性质 稳定性降水/ 层状云 片状（近距 回波形态
wenku.baidu.com离）
对流性降水
块状（带、 V、指、零 散） 30-65 dBz 6、7-20千米 移速快，45， 100KM/h 生消变化快 锋面、暖区、 副高边缘、台 风外围
• 雷暴单体中P值最大值的平均值为约16.4%，而非 雷暴单体的为约4.8%。非雷暴单体的P值最大也没 有超过10%，而雷暴单体中最大P值大于10%的有 9个，占雷暴单体总数的约64%。雷暴单体在初次 闪电发生前单体达到的最大P值虽然超过10%的下 降为了7个，但仍占总雷暴单体数的50%。 • 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，有助于提高雷电的预警水平。
第五章 雷达资料在雷电监测 预警中的应用
雷电科学与技术系 郭凤霞
主要内容
第一节 天气雷达基本原理与概念 第二节 雷暴云的回波特征 第三节 雷达回波资料在雷电监测预警中的应用
第一节 天气雷达基本原理与概念
1.1 基本工作原理
• 雷达工作过程： 电磁波发射和接收的过程
Radar 定向发射接收电磁波(EMW)， 在大气中近似光速(C)传播，遇到目标物反 射部分电磁波能量，这信号称回波。从发 射波束的方向确定目标的方位，从发射到 接收回波的时间确定目标距离，由回波的 强度和变化确定目标物的的特性。
回波穹隆、悬挂回波和砧状回波
第三节 雷达回波资料在雷电监测预警中 的应用
3.1 雷达在雷电监测预警中的优势
• 能较好的观测云中粒子的一些宏观特征，尤其是双 向偏振天气雷达能够提供云内粒子的相态、排列取 向、空间分布和尺度谱等细致信息，观测精度高： 具备了分辨雷暴云的能力。由于雷暴云内的起电与 其中的微物理过程息息相关，使雷达成为了目前最 适合于开展雷电预警工作的观测设备。
• Brandon Vincent和Lawrence Carey[2003]利 用WSR-88D雷达和其它气象资料对北卡罗莱 那州中部地区的50个雷暴个例进行了研究： 回波强度为40dBz、环境温度参数为-10℃， 和回波强度为40dBz、环境温度参数为-15℃ 是预测云地闪最好的参数组合。检验中，前 一种预报组合的预报概率为100%，而后一 种为86%，但后一种组合的虚警率较前一种 要低7个百分点。预警时间分别为14.7分钟和 11分钟。根据检验评分的结果，认为40dBz 回波达到-10℃温度层结高度是预测云地闪最 好的预报因子。
图 各单体30、35、40dBz回波顶高突破了0℃层结高度的百分比对照图。纵 坐标为发生了闪电或未发生闪电的单体个数中雷达回波顶高突破0℃层高度 所占的百分比。
所有雷暴单体中30dBz、35dBz和40dBz回波顶高都突破了0℃层结 高度；100%的非雷暴单体中30dBz回波顶突破了0℃层结高度，83%的 非雷暴单体中35dBz回波顶突破了0℃层结高度。33%的非雷暴单体中 40dBz回波强度顶突破了0℃层结高度。
综合以上的分析结果可以将利用40dBz回波强度对夏 季孤立单体的雷电预警的流程：
读取雷达资料
40dBz回 波 顶 高 突 破 0度 层 高 度 是 40dBz回 波 顶 高 突 破 -10度 层 高 度 是 雷暴云
否
非雷暴云
否
非雷暴云
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（后文用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。 • 大粒子，特别是冰相粒子，在电荷分离过程中的 作用是显著的。大粒子所处环境的液态含水量、 温度等，决定了大粒子起电的极性以及量级。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。
1.3 雷达反射率因子---dBz
• 雷达反射率因子Z（单位dBz）为单位体积内所有散射粒子 直径六次方之和,反映了降水的强度，一般Z值与雨强I有以 下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 • 对于热带风暴Z-I大致有以下对应关系： 回波强度Z（dBz）＜15 15～24 25～34 降水强度I（mm/h）0.5 4.4 8.6 • 南非: 回波强度Z（dBz）＜10 20 30 40 降水强度I（mm/h）0.2 1.0 3.0 10
钩状回波：强冰雹云伴随着强的低层上升入流的进一步发 展，入流缺口会演变成钩状，常出现在回波移动方向的右 侧或后右侧。
指状回波：常对应中等强度的降雹，多出现在低层回波中，一般 位于回波移向的后侧，尺度比主回波小，是主回波的突出物，形 如指头。从回波强度分布来看，指头或与主回波连根处具有很大 的反射率梯度值，是雹云局部突然强化的标志。
气象雷达有不同工作波长，探测不同对 象来获得不同信息。
频率(MT/s) 30000 10000 6000 3000 1500 波长(cm) 1.0 3.0 5.0 10.0 20.0 波段 K测云 X测雨 C测雨 S台风 L测天气
雷达仰角
雷达方位角
1.2 天气雷达类型
• • • • • • 常规雷达 圆偏振雷达 线--圆偏振雷达 双线偏振(极化)雷达 Doppler雷达 偏振 Doppler雷达
“V”形缺口：表明云中已有众多大冰雹形成，由于它们对 电磁波的衰减作用，以如同障碍物一样，阻止电磁波穿 过，形成缺口“V”。 入流缺口：由于冰雹云具有强的上升入流气流，在云下中 部的倾斜上升区内缺少大粒子，因而形成弱回波区，反映 在低层PPI回波上出现一个向云内凹入的缺口，缺口处具有 最大的回波强度梯度，是云体具有强上升气流达到雹云阶 段的一个标志。
• Maribel Martinez[2002]分析了STEPS试验过程中12个雷 暴个例和2个非雷暴个例的雷达和闪电资料，发现：若要 闪电能够发生，则至少40dBz的回波要达到海拔7公里的 高度；只发生云闪的雷暴和将要发生云地闪的雷暴在闪 电初始激发位置的高度和回波强度方面的差异很明显； 将要发生正地闪的雷暴和将要发生负地闪的雷暴通过各 自初始云闪发生处的回波强度的差异，和最早出现 25dBz回波的时间和初次云闪发生时间间隔的差异也能 够被识别出来。
混合性降 水
絮状
台风降水
螺带
回波强度 小于30dBz，20 回波顶高 移动变化 变化趋势 天气背景
2-6千米 少变动 稳定 锋后、静止锋
20-45dBz 3-15千米 较慢，15 KM/h 局部变化快 静止锋、 槽、切变
30-45dBz，40 8-12千米，10
台风
2.2 雷暴云的回波特征
2.2.1 PPI特征回波形态