（气象学专业论文）多普勒雷达非降水回波在临近预报中的应用研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：塑：煎坦 日期：塑：! ：z 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 m 作者签名：盈! 煎鸳 日 期：型皿上乒 中文摘要 根据实际观测，在多普勒雷达观测中，雷达站周围3 0 5 0 公里范围内经常 有回波产生，强度小于2 0 d b z ，且无降水，我们称其为非无降水回波。这种回波 的产生可能是由于在近地面处有逆温，逆温中潮湿的地面使水汽压随高度变化 很大，导致了折射指数随高度变化很大；也可能是近地层湍流或者上空有云回 波，由于多普勒雷达灵敏度很高，往往产生非降水回波，其多普勒速度特征反 映了雷达站周围环境风场的结构。 本文主要利用太原新一代单多普勒天气雷达近几年收集到的资料，分析了 不同尺度天气系统产生、发展前非降水回波的特征，大量的观测事实表明3 0 5 0 k m 范围内经常出现的非降水回波与大面积降水的多普勒径向速度特征十分 相似，冷暖平流和辐合、辐散的叠加使零速度线在测站两侧顺转或逆转的弯曲 程度存在明显的差异。冷暖平流和辐合运动的叠加使得非降水速度回波图上负 速度面积区的面积大于正速度面积区的面积；等距离圆上两条零速度线面向正 速度区的方位角差小于1 8 0 0 。冷暖平流和辐散运动的叠加使得非降水速度回波 图上负速度面积区的面积小于正速度面积区的面积；等距离圆上两条零速度线 面向正速度区的方位角差大于1 8 0 。这些特征与大面积降水在多普勒雷达速度 图上的特征完全吻合。 非降水回波的研究，是多普勒天气雷达在临近预报应用中的一种有用尝试。 其速度回波图象特征与与降水回波移向本站与否、和降水系统的产生、发展、 维持和消散密切相关。通过对两年资料的统计研究，非降水回波对降水天气过 程的发生具有5 7 小时地预报提前量。试报结果表明，非降水回波多普勒速度 特征对临近预报具有较高的预报准确率和概括率，为临近预报提供了一种新的 有效手段。 关键词：多普勒天气雷达，非降水回波，临近预报，指示意义 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fd o p p l e rw e a t h e r r a d a r n o n - p r e e i p i t a t i o ne c h o t on o w c a s t i n g n o n - p r e c i p i t a f i o ne c h o s w e r ef e wr e s e a r c h e dw i t hr e s t r i c tt od e t e c t i v e t e c h n i q u ea n dd a t a , b e c a u s ei ti st o ow e a kt ob ed e t e c t e db yt r a d i t i o n a lr a d a r w i t h d e v e l o p i n go fd e t e c t i v et e c h n i q u ea n di n c r e a s i n g o fd a t a ，m o r ea n dm o r e n o n - p r e c i p i t a t i o ne c h o e sa r ed e t e c t e da n ds t u d i e da sr e s u l to f p o w e r f u la n ds e n s i t i v e n e x r a di nr e c e n ty e a r s p r o d u c to fd o p p l e rv e l o c i t yi sb e c o m i n ga i m p o r t a n tt o o l o f n o w c a s t i n g a d v a n c e s i nr e s e a r c h e sa n d o p e r a t i o n a la p p l i c a t i o n s o f n o n - p r e c i p i t a t i o ne c h o e sa 聆b r i e f l yr e v i e w e d b y f a c t u a lo b s e r v a t i o n , e c h o e sa r eo f t e na p p e a r e di nt h e3 0 - 5 0 k mr a n g e sa r o u n d t h er a d a rs t a t i o nw h i c hr e f l e c t i v i t yi sl e s st h a n2 0 d b z ，a n dt h e r ei sn op r e c i p i t a t i o n a f f a i rh a p p e n i n gn e a rt h es t a t i o n n o n - p r e c i p r a t i o nw ec a l l e d i n v e r s i o nl a y e ro rt h e t u r b u l e n c en e a rt h es u r f a c eo rt h ec l o u da b o v et h es t a t i o nm a yc a u s et h i sk i n do f e c h o n o n - p r e c i p i t a t i o ne c h oi se a s i l yd e t e c t e db yh i g hs e n s i t i v ed o p p l e rr a d a ra n d t h ec h a r a c t e r i s t i co f d o p p l e rv e l o c i t yr e f l e c t st h es t r u c t u r eo ft h ew i n df i e l d a r o u n dt h es t a t i o n o nb a s i so fn e wg e n e r a t i o ns i n g l ed o p p l e rr a d a rd a t ac o l l e c t e dr e c e n ty e a r si n t a i y u a n , t h eg e n e s i sa n dp r e - d e v e l o p m e n tc h a r a c t e r so fn or a i n f a l le c h oa r ea n a l y z e d i nd i f f e r e n tw e a t h e rs c a l es y s t e m ，t h eo b s e r v a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a td o p p l e rr a d i a l v e l o c i t y & l d sa r cq u i t es i m i l a rb c t w e e nn or a i n f a l le c h oa n dl a r g ea r e ap r e c i p r a t i o n i n s i d e3 0 - 5 0k m r a n g e i tl e a d so b v i o u sd i f f e r e n c eo f z e r ov e l o c i t yl i n ei nt w os i d eo f r a d a rs t a t i o na c c o u n tf o rc o m b i n a t i o no fc o l d ( w a r r a ) a d v e c t i n na n dc o n v e r g e n c eo r d i v e r g e n c e t h en e g a t i v ev e l o c i t ya r e ai sl a r g e rt h a np o s i t i v ew h i l ea d v e c t i o nl a p s 谢t hc o n v e r g e n c e a n dt h ed i f f e r e n c eo f a z i m u t hf o r w a r dp o s i t i v ei sl i t t l et h a n1 8 0 。 2 b e t w e e nt w oz e r os p e e dl i n ei ne q u a ld i s t a n c e ，b yc o n t r a r i e s ，a d v e c t i o nh y b r i d sw i t h d i v e r g e n c ec o n d u c e st h a tn e g a t i v ea r e ai sl e s st h a np o s i t i v ea n da z i r n u t hd i f f e r e n c e b i g g e rt h a n1 8 0 。a no ft h e s ec h a r a c t e r sv e r ya g r e ew i t hd o p p l e rr a d a rv e l o c i t y p i c t u r eo f l a r g es c a l ep r e c i p r a t i o n t h er e s e a r c hj o bi n n o n - p r e c i p i m t i o ne c h oi s a n o t h e rs i g n i f i c a t i v e t r yf o r n o w c a s t i n gw o r k t h e r ei saw e l lc o r r e l a t i o nl ，e t w e e nt h ec l m r a c t e r i s t i co fv e l o c i t y e c h of i g u r ea n dt h ef o r m a t i o n , d e v e l o p m e n ta n dd i s s i p a t i o no fr a i n s y s t e m t h e s t a t i s t i cs t u d yb yt w oy e a r sd a t as h o w st h a tt h e r ei sa5 - 7h o u r sf o r c a s t i n gt i m ea h e a d o fr a i n f 砒lc o u r s e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o n - p r e c i p i t a t i o ne c h o sc h a r a c t e r i s t i c o fv e l o c i t yf i g u r eh a sah i g h e rp r e c i s i o ni nf o r e c a s t i n gr a t i oa n di san e we f f e c t i v e w a y f o rn o w c a s t i n g k e yw o r d s ：d o p p l e rw e a t h e rr a d a r ，n o n - p r e c i p i t a t i o ne c h o ，n o w c a s t i n g ， i n d i c a 廿o n 3 第一章前言 1 1 引言 新一代天气雷达已经开始在我国进行布网。作为一种新的探测工具，必须尽快探索其 新的探测技术和应用方法。近年来，国内外越来越重视对多普勒雷达资料及其产品的理论 和应用研究，多普勒雷达风场反演技术研列“2 ，利用多普勒雷达资料对造成暴雨、冰雹 等中小尺度对流系统结构的研究h 。一l ，关于多普勒雷达资料的质量控制问题的初步探讨f ，】， 多普勒雷达与常规雷达异同的对比分析嗍等。在实际的天气预警应用中，最常使用的是大 量新一代天气雷达图像产品。国内在雷达图像产品的识别方面也进行了大量的分析研究， 但大多数限于强天气系统出现后的识别，比较全面、系统的分析研究和归纳统计不同类型 中小尺度天气系统出现前的非降水回波的多普勒雷达图像特征则十分少见。 非降水回波由于强度弱，不易被一般的传统雷达所探测到，所以受探测技术和资料的 限制，其研究也不是很多；近年来，随着探测工具改进，非降水回波也更多被人们所捕捉， 相关的研究也越来越多，但目前的研究大都停留在理论上，将其应用在实际预报工作中的 相关文献很少。在我国，随着我国新一代多普勒雷达陆续投入业务使用，由于它的功率大、 灵敏度高，多普勒天气雷达相比常规数字天气雷达可以直接测量径向速度和速度谱宽，径 向速度场的分析和应用，为天气的临近预报开辟了一个崭新的领域f 9 】1 1 0 人们在日常业务 中观测到越来越多的晴空大气回波。其多普勒雷达速度为日常短时预报提供了重要的预报 依据。如何利用好新一代多普勒雷达的产品，应用非降水回波征兆来对降水、特别是突发 性暴雨作出预报就显得非常重要。 1 2 非降水回波的定义 非降水回波就是在天空并没有云或只是一些薄云，这些薄云一般不能足以被原来常规 雷达捕捉到。但在一定气象条件下，可以被一些灵敏度较高的雷达所探测的回波。早期由 于寻找不出这些回波的形成原因，便取名为“神仙波”、“安琪尔回波”或“奇异回波” 等。近年来随着高功率、高灵敏度雷达的应用，并配合其它探测手段进行研究，对这些用 视觉无法发现的目标物所产生的回波，已逐渐形成了一致看法，并定名为非降水大气回波 【i l 】【1 2 】【1 4 1 。 由于无云或一些未形成降水的云中云滴小，含水量少，雷达反射率小，一般不易被常 规雷达探测到，只有含水量增加到较大时，在较近距离内，才能被一些功率大，灵敏度较 4 高的雷达或专用雷达所探测到。对于厘米波长天气雷达而言，回波强度通常小于2 0 d b z ， 对于毫米波长，回波强度一般要比s 波段回波小5 5 d b 砻”1 ；在暖湿的夏季，多普勒天气雷 达探测非降水回波的距离可以达到5 0 1 0 0 k i nl 川【非降水回波有明显的季节变化和地域 分布特征，一般它主要出现在暖季和陆地上空m i “ 非降水回波是在一定大气条件下产生的，反过来，非降水回波的出现又可以表征一定 大气条件，结合探空资料，非降水回波对i f 自近预报具有一定的征兆意义1 1 6 】埘】。在美国，非 降水回波已被作为研究边界层晴空大气结构的“示踪器”1 2 4 1 例，w s r - 8 8 雷达使用一个 晴空天气模式在业务中监视非降水回波，可获取一些重要的预报信息 2 9 1 1 7 , 4 1 0 ”。 在多普勒雷达实际观测中，非降水回波经常出现在雷达站周围3 0 5 0 公里范围内，强 度小于2 0 d b z ，且无降永。它的产生可能是由于在近地面处有逆温，逆温中潮湿的地面使 水汽压随高度变化很大，导致了折射指数随高度变化很大；也可能是近地层湍流或者上空 有云回波，由于多普勒雷达灵敏度很高，往往产生非降水回波，其多普勒速度特征反映了 雷达站周围环境风场的结构。本文将主要利用太原新一代单多普勒天气雷达近几年收集到 的资料，分析不同尺度天气系统产生、发展前非降水回波的特征；通过对它们的识别及与 降水特征的比较研究，进一步揭示非降水回波在临近预报中的指示意义。 1 3 非降水回波的分类 在雷达p p i 和r h i 图上，非降水回波形状具有多样性，常呈现为圆点状、窄带状、细 胞状、层状、白炽状、环状、波状等。这些晴空大气回波按其形式大致可分为两大类：第 一类称为圆点状回波，多半是由于鸟和昆虫所造成。但目前有研究证实，热对流泡上的折 射梯度也可以形成这种点状。第二类是具有很大水平尺度呈层状或窄带状的回波，主要是 由于大气中强折射指数梯度区对电磁波产生的反射或后向散射造成的唧j 。它的产生与一定 气象条件有关，是逆温和空气湿度随高度增加而增加或湍流起伏区边界上的湍流引起的 ( 1 】f 2 】，通过对其监测和雷达图象的分析，对临近预报具有重要意义。本文就第二类的几种 非降水回波作重点讨论。 1 3 1 窄带状非降水回波 人们在厘米波到分米波雷达的p p i 扫描图上看到的窄带回波( 阵风锋) ，常常伴有明 显的降温和强的阵风。窄带回波一般都对应边界层的弱辐合线，w i h o n 等0 1 j p 2 1 的研究表 明，边界层辐合线的监测和特征识别是风暴发生、发展和消亡临近预报的关键所在。是大 风预警的重要判断参考”“，对短时预报具有重要意义。 5 窄带的宽度通常很窄，只有l 2 k m 宽，其所在高度一般只有i k m 左右。窄带主要是 出现在低层大气中的现象，且回波强度比较弱。窄带均出现在雷雨回波移动方向的前方， 一般距雷雨带为3 0 4 0 k m 或“紧贴”在雷雨回波的周围，窄带也常在飑线之前l o 一4 0 k i n 的地方出现，并和飑线起移动。窄带出现后，雷雨回波很快降低高度、减弱、直至消失。 当它们经过测站时，通常伴随有气压增高，风向突变和气温降低。窄带确实反映了大气中 温、压、湿的不连续。总之，出现在雷雨移动前方的窄带在很大程度上是由于雷雨消散时 强烈的下沉气流把空中的冷空气带到地面，并向四周辐敬，于是在冷空气和环境的暖湿空 气之间形成温，压湿不连续面，就造成了折射指数的突变，导致了对电磁波的散射或反射 i 2 1 。 1 3 2 白炽形回波探测 它常常出现在积云云项和边缘部分，它的出现有时是降水回波云出现的前兆。这种回 波也具有降水回波相似的脉动特征。从这两种回波出现的气象要素分析，白炽形和细胞状 回波是由于近地面受热不均匀面形成的热对流所引起的。在积云边缘处，拆射指教有突变， 回波就产生在该处。这类回被具有一定的天气预报价值。人们发现这种回波出现后不久常 形成热雷雨。利用探空资料进行分析表明：当出现这种回波时低空常存在着逆温或等温层， 若热对流发展得足够强烈，冲破逆温层，热雷雨天气过程就随之发生。相反，如热对流不 太强，逆温层阻挡了对流进一步发展，回波将随着热力条件的消失而消失。国外学者指出， 若雷达观测能辨认晴空强对流区的位置，就可以预报雷阵雨发生的位置，且具有一定的准 确性。利用一种超灵敏的雷达，可以明显地探测到晴空时的对流运动，并发现此类回波具 有波动结构。 国外用几种波长的雷达都发现了这种回波。发现这种回波的当时，常常是晴空或不下 雨的。但是在它们出现后不久，有时会有降水，在春末夏初尤其如此。这种回波在p p i 上 的特征是：在靠近测站周围1 0 2 0 k m 范围内出现象雾一样的弱回波，若改用r h i 观测， 可看到离地面一定高度上有一层呈水平层状形式的回波。在合适的条件下，偶尔还可看到 有两层、甚至三层这样形态的回波，当只有一层时，它们一船离地数百米到2 5 k m 左右， 回波厚度约2 0 0 4 0 0 m ，水平伸展1 0 2 0 k m 新近从大量雷达探测资料已证明层状非降水回波的形成不但和折射指数平均的梯度或折射 指数的涨落有关，而且也与湍流强度有关。当初始的折射指数平均梯度愈强烈和湍流混合 愈厉害时，造成的非均一性就愈强雷达散射能也随之增加。 6 1 3 3 大气湍流探澜 因为高灵敏v h f ，故能够探测大气的波动。若雷达的半波长处在湍流运动的惯性子区 域内，则雷达反射率就正比于湍流结构常数o 。c 1 2 是折射率脉动强度的量度。在实际大 气中，常常只在某些较薄的水平层内存在显著的、间歇性的、不均匀的端流。但在此湍流 层内，只有小尺度的湍流结构才接近于局地均匀各向同性，近似地符合惯性子区域。 k h 波是在两种不同密度的大气交界面上，存在着水平风速切变时由于动力不稳定 而产生的种波动。大气中出现波状云和晴空湍流就是这种波动引起的。 既然折射指数不均匀和晴空湍流能形成层状非降水回波，因此当用雷达探测到层状非 降水回波，则反过来就可了解到该区域是晴空湍流区。 当雷达回波强时，必定有强的折射指数突变存在，而强的折射指数突变又往往和强晴 空湍流联系在一起。因此从雷达上看到的层状非降水回波的强弱，可以大致判断晴空湍流 强度。并由此发出预报，就可能避免一些因飞机颠簸引起的飞行事故，因此很有实用意义。 另外，人们发现在地平线之上常常存在足以能被c 波段和s 波段天气雷达探测到的浅 薄的非降水回波，也就是“细线”。观测证实是稳定大气大振幅重力波的脊，许多雷暴就 是由这种。细线”触发的埘。 1 4 非降水回波产生的物理机制 我们知道圆点状回波主要是由于鸟和昆虫等粒子散射所造成的，而层状非降水回波的 形成更多与大气状况有关，产生这种回波的气象条件可归结为两种：一是大气中存在折射 指数不均匀区域、即湍流大气造成了对雷达波的散射；二是分层大气中存在折射指数垂直 梯度很大的区域即大气对雷达波造成了镜式反射。假设大气中折射率场是随机场，大气 中的湍流是局地均匀各向同性的【1 1 1 2 1 “。经过一系列数学处理后得到湍流大气对雷达回波 的反射率为： 叩= o 3 9 c ：五_ 1 门 ( 1 ) 其中x 是雷达波长，c n 是大气折射率的结构常数 q = 口2 口”m 2 ( 2 ) k 是湍流外尺度，m 是水平折射率的垂直梯度，a 为一无量纲常数。 1 从( 1 ) 式我们可以看出雷达回波的反射率与波长的一次方成正比。即波长越短，折 j 射率n 越大。但根据布拉格散射条件，大气中有效湍块尺度是随着高度而增大，雷达波长 7 应选有效湍块尺度的一半，所以u h f 和v h f 雷达被专门用于探测非降水回波。 当大气中折射率水平分布比较均匀，而垂直方向存在很大梯度结构时，会引起雷达波 的反射，这种反射称为费涅尔反射，也称作部分反射成镜式反射。对于利用雷达进行回波 探测有意义的是雷达波束垂直投射到反射层上的情况。要能产生反射，还必须要求反射层 的横向伸展必须大于第一费涅尔区。物理学上证明第一费涅尔区就是波阵顶内厚度等于四 分之一雷达波长的球冠的底面积。这个底面积的直径d = d 2 2 r ，x 是雷达波长，r 是发射 点列反射层的距离。要求满足上述条件的原因是：若反射层横向伸展太小，雷达波的波动 性格明显地表现出来，不能作为直线传播处理。 1 5 探测工具及其结果 近些年来，随着探测手段的提高，国外对非降水回波的探测研究也逐渐增多，探测工 具几乎涵盖从云探测雷达、多普勒天气雷达到甚高频( 、， f ) 风廓线仪、甚至包括激光雷 达，波长从毫米到米量级。总的而言，多普勒天气雷达和甚高频风廓线仪探测原理是不同 的，前者回波主要是粒子散射，而后者是湍流引起的。 1 5 1 厘米波天气雷达探测 k e n i c h ik u s u n o k i 应用日本成田国际机场的天气多普勒雷达，对1 9 9 7 年1 2 月日本京 都平原的非降水回波进行了研究，发现了几个有趣的现象：( 1 ) 空间分布；非降水回波只 出现在陆地上空，而在大的水体之上很少出现；1 9 9 1 年k e e n a n 在研究澳大利亚北部海岸 以及1 9 9 6 年r u s s e l l 和w i l s o n 在研究佛罗里达的卡纳维拉尔角的非降水回波也得出了类似 的结果：( 2 ) 日变化：非降水回波出现的频率有二个峰值，分别是白天和日落后的黄昏很 短时间内，这可能与不同类型的空中生物群早晚活动的生活习性有关；( 3 ) 季节变化：非 降水回波出现在暖季，当地面气温降至1 0 ( 2 以下，雷达基本上探测不到非降水回波，即使 短暂气温大于1 0 1 2 ；面在暖季，4 0 - 8 0 的无降水日观测到了非降水回波； ( 4 ) 与风速等 关系：当地面风速超过6 m s ，非降水回波出现的频率明显减少。而与t o t 以上的地面气温、 日照时数及风向的相关性特别小；( 5 ) 在白天，非降水回波的出现及高度显示出与混合边 界层具有很好的相关例。 1 9 8 1 年t a k e d a 和m u r a b a y a s h i 讨论了非降水回波的出现与夜间逆温层间的关系。发现 窄带回波对微下击暴流和阵风锋的预报具有一定指示意义。m l o t h o n 等人利用c 波段多普 勒雷达c a p p i ( 3 5 层) 资料，运用速度体积处理技术( v 、，p ) 推导圆锥扫描得到晴空边界层 的风场的垂直廓线v v p 技术提供了比处理单元直径更大的大气尺度气流的水平散度。与 8 u h f 同时探测到了七个分层回波，其中五个的位置与温度、湿度异常处接近( 逆温层或等 温层) ( “。 1 5 2 风廓线仪探测 近几年来，借助毫米波多普勒雷达( k 波段) ，人们对云的特性进行了大量研究。由 于波长短，比低频雷达具有更远的探测距离和更高的时间分辨率，使得雷达能够探测云或 冰晶微滴并以高分辨率推断云尺度动力结构，这些雷达同样可用于非降水回波的探测，特 别是窄带回波。其非降水回波源主要是昆虫等粒子散射体，但在沿积云周边或逆温层中。 在惯性子区域，由于折射指数的湍流作用产生的布拉格散射能够产生回波，其非降水回波 主要就是布拉格散射。k 波段比s 波段雷达回波强度通常要低5 5d b z 左右田1 b a r tg e e r t s 和q u n m i a o p l 利用机载天线分别向上向下的毫米雷达( 9 5 g h z ，波长为3 r a m ) 探测晴空辐 合边界层( c b l ) 并测量大气垂直速度。基于雷达的晴空边界层( c b l ) 与实际的、热力 的c b l 的厚度相吻合。他们发现不象水凝物，昆虫当挟裹于下沉气流中，它们根本不下落， 而是逆弱下沉气流飞起来；当小昆虫遇到上升气流，它们却主动与上升强度成比例逆向下 沉。这一发现也解释了在持续辐合区域：如干线、冷锋、海风锋、外流边界、水平对流转 动或地形脊一经常存在雷达窄带回波。 1 5 3 珂和咖双频探涓 甚高频( ，波长在1 1 0 m 之间闸特高频( u h f ，波长在0 1 i m 之间) 风廓线仪雷 达用于探测非降水回波研究也比较多。它们原来多被用于研究边界层和对流层的三维风场， 而其降水回波的探测能力使之成为降水系统水汽大小分布的垂直结构，如加热率、水的平 衡的灵敏遥测工具。v h f 是为大气探测目的而设计的，一般都具有多普勒性能且灵敏度较 高，因而能够测量径向风速及在一定条件下能够连续地测量多个高度的水平风速。因为在 稳定大气中，晴空散射主要机制是大气折射率的不均匀结构，雷达能够探测水平风速 风向廓线、大气波动( 如重力波) 、大气湍流、大气中的稳定度以及云物理结构。r o b e r ts c h a f e r 等人【7 】就曾运用双频风廓线仪雷达进行非降水回波探测并对其垂直速度进行估测。 1 6 主要识别方法 非降水回波是在一定大气条件下产生的，反过来，非降水回波的出现又可以表征一定 大气条件。观测发现，容易生成雷暴的区域常常就是晴空气流汇合的区域。在多普勒雷达 非降水回波图像上根据回波特征和反演技术，可以定性定量地反演大气风场结构，从而 监测风暴的发生、发展和消亡过程。k o s c i e n l n y t 3 3 1 等曾指出在云和雷暴发展之前1 至4 小 9 时，就存在强烈辐合的区域。因此，这些风场咀及风暴之前环境中的水平风垂直廓线，是 预报雷暴和强风暴发展区域的重要依据。 1 6 1 非降水回波图像定性识别法 非降水回波可作为风场“示踪器”。通过多普勒雷达速度场资料，可揭示大气边界层 辐合，辐散等动力结构，用于监测风暴的发生、发展过程，非降水回波图像定性识别法就 是利用多普勒天气雷达速度场图像特征来判断大气风场结构从而揭示风暴发展的动力、 熟力结构。国内汤达章研、夏文梅等1 1 邬9 】对多普勒雷达速度场进行了大量的研究，总结 并数值模拟了风暴发展的各种风场及复合风场结构。我们知道在多普勒速度图上，辐合弓 两侧弯向正速度区，弓两侧弯向负速度区；暖平流表现为零速度线两侧随距离的增加顺转， 整个零速度线呈s 型。冷平流在多普勒速度图上表现为零速度线两侧随距离的增加逆转， 整个零速度线呈反s 型 3 1 。而非降水回波往往也是冷暖平流与辐合辐散运动的复合风场。 1 ) 暖平流与辐合的结合：零速度线在显示中心一侧弯曲程度加大，而另一侧零速度线弯曲 程度减少甚至会变成某个直线，形成了零速度线过显示中心两侧弯曲程度不同。2 ) 冷平流 与辐合的结合：其零速度线的一侧弯向负速度区的弯曲程度减小，而另一侧零速度线弯向 正速度区的弯曲程度加大。3 ) 暖平流与辐散的结合：弓两侧弯向负速度区( 辐散) ，暖平 流与大尺度辐敬运动迭加，使得零速度线在显示中心一侧弯曲程度加大，而另一侧零速度 线弯曲程度减少，零速度线弯向负速度区的弯曲程度加剧，零速度线弯向正速度区的弯曲 程度减少。4 ) 冷平流与辐散的结合：其零速度线弯向负速度区的一侧的弯曲程度加剧，而 另一侧零速度线弯向正速度区的程度减弱 径向速度p p l 图上相同距离圈正、负速度数值的差异反映了这个高度层风速的辐合辐 散，负速度大于正速度，为辐合，反之为辐散；且正负速度差值越大，辐合、辐散越强。 张沛源在1 9 9 0 年根据多普勒天气雷达的观测事实，提出了在多普勒速度图上识别暴雨 的判据。即。逆风区”概念，也就是在低仰角多普勒雷达速度图上，同一方向速度区中出 现相反方向速度区的情况，即正速度区内包围负速度区或负速度区内包围正速度区，即存 在逆风区【1 5 1 i “。它是速度图上一种特殊的区域。逆风区对降水具有很好的预兆意义，逆风 区对降水一般具有1 5 3 0 分钟的提前量。 1 6 2e v a d 技术定量分析法 根据胡志群等人的研究【l o l ，由e v a d 方法计算水平散度。 v a d 技术中，由径向速度按方位角展开后的零阶项，可以得到t a e = d i v ( e ) r c o s a 一2 巧s i n o r ( 3 ) 公式中包括散度项扔( 圪) e v a d 方法就是假设在某一厚度层中- 水平散度在较小的 高度阐隔内不变。应用在此间隔内不同的仰角或不同距离的径向速度资料，得到多个8 。值， 然后应用带有权重( t h o m a s 权重系数) 的最小二乘法分离水平散度，把散度信息提取出来 根据不同时刻的不同仰角同一距离、或者同一仰角不同距离上的径向速度分布资料 就可以反演大气风场。并得到大气平均散度随高度和时间的分布情况，进而分析大气层结 的稳定性。预报出风暴的发展。 1 6 3 大气湍流 1 9 7 0 年d l j t t o n 和p a n o f s k y 认为晴空大气湍流是与垂直切变不稳定相联系的：许多人 证实：水平形变能够加大水平温度梯度，通过热成风，温度梯度又会加大水平风的垂直梯 度，从而减小理查逊数r j 。增强k e l v i n h e l m o | t z 不稳定。这就是气流形变通过锋生产生晴 空大气湍流。j o h n a 认为这一理论不适用于强反气旋，强反气旋是由于非地转动力作用导 致非常强的垂直切变存在的区域；而特别严重的端流常发生在此区域，其中的绝对涡度和 惯性不稳定都特别低。惯性不稳定发生于强反气旋之中，弱的惯性稳定和惯性不稳定条件 都伴有重力波的产生，强反气旋可通过地转适应和惯性不稳定产生的重力波导致晴空大气 湍流 2 2 1 1 3 4 1 。 1 6 4 综合分析法 r o b e r t s l 2 5 l 应用1 5 分钟一次o o e s - $ 卫星云图资料和每6 分钟一次w s r - 8 8 d 雷达资料 来追踪云的生长，他把卫星云图上云顶温度从0 c 下降到- 2 0 c 和雷达第一次探测到l o d b z 之前1 5 分钟到发展为3 0 d b z 前3 0 分钟的时间来监测风暴的发展，取得了很好的效果不错。 1 7 综述 近年来，人们越来越重视非降水回波在临近预报中的作用。一方面非降水回波可作为 晴空边界层风场的“示踪器”，利用v a d 、e v a d 技术反演出风场；或利用多普勒速度特 征来估测大气边界层辐合辐散，用于监测风暴发展过程。另一方面，它的出现能够在一定 程度上反映出大气的稳定性。而稳定度在大气动力学中有很重要的作用。随着我国新一代 多普勒雷达陆续投入业务使用，通过这种高灵敏度的雷达，我们可以得到更多大气环境场 信息，运用热力和动力分析，就能定性和定量判断大气的运动状况及其稳定性，为l i 每近预 报提供了重要的依据。 第二章国内外研究进展及本文研究日标 2 1 国内外研究现状 关于多普勒雷达系统的应用研究。目前主要集中在台风、暴雨、强雷暴、龙卷等灾害 性天气的识别方面卜”1 上述天气系统都存在强烈的水平垂直风场变化，在多普勒反射率 因子图上相应的一些典型特征已被深入研究。形成了较为完备的一套识别方法其它的应用 研究。包括多普勒雷达资料在引发一般性降水的中小尺度天气系统方面的应用研究q 很少 开展。这些天气在反射率园子图上并不具备典型的特征。因此通过多普勒雷达径向速度资 料认识实际风场结构显得尤为重要。从多普勒雷达测量的径向速度资料中提取风场信息已 经提出了不少有实际应用价值的方法。 随着多普勒天气雷达探测技术的发展和观测密度不断增加。信息量逐渐加大，如何把 不同时空雷达速度图风场资料进行处理，从中识别灾害性天气，提高预报准确率是近年的 研究方向l i “q 。目前，临近预报技术主要包括雷暴识别追踪和外推预报技术。数值预报技 术以及以分析观测资料为主的概念模型预报技术等，其中，识别追踪和外推预报技术主要 以雷达资料为基础，在这方面，交叉相关外推和回波特征追踪识别外推是比较成熟的技术。 已经用于许多的i 临近预报业务系统中，其缺陷是预报时效较短，准确率也不是很高。随着 精细数值天气预报技术和计算机技术的发展，利用多普勒天气雷达资料和其它中小尺度观 测资料进行数值模式初始化p “，来预报雷暴的发生。发展和消亡已经成为一个研究的热 点，该技术发展很快但还不成熟，概念模型预报技术主要是通过综合分析多种中小尺度观 测资料。包括雷达和气象卫星资料等，在此基础上建立雷暴发生f j 、发展和消亡的概念模 型，特别是边界层辐合线和强对流的密切关系等，再结合数值模式分析预报和其它外推技 术的结果，然后建立雷暴临近预报的专家系统，其不但可以获取雷暴和对流降水移动、发 展的信息，还可以预报它们的生成和消亡。检验和定性评估也表明，将多种资料和技术集 于一体的概念模型专家系统，其临近预报的准确率最高，时效也最长，是临近预报技术未 来发展的主要趋势之- 1 4 “】。对流天气临近预报是指对未来几小时之内( 一般指0 - 2 h ) 的对 流天气系统及其所伴随的灾害性天气的发生、发展、演变和消亡的预报。临近预报技术是 在2 0 世纪6 0 , - - 7 0 年代在外推雷达回波的基础上发展起来的。近十多年来。随着天气雷达技 术的进一步发展，特别是美国新一代多普勒天气雷达w s r 2 8 8 d 在美国以及欧洲部分国家 布网的完成d 2 4 刃，以雷达资料为基础的对流天气临近预报技术的研究进展很快，在当今国 际上，发展出了许多先进的临近预报系统，对灾害性强天气的临近预报和预警起到了积极 作用，有的临近预报系统不仅使用雷达资料，同时还融合了地面中尺度观测资料、探空资 料，闪电资料、风癣线资料以及中尺度数值模式预报等，以试图提高临近预报的时空精度 在2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，世界天气研究计划预报示范项目( w w r p 2 f d p ) i “ 3 7 】试验并展 示了当今国际上几个先进的临近预报系统，对l f 缶近预报技术的发展起到了很大的推动作用， 不但在国际气象界而且在社会，经济等领域产生了深远的影响p s l 。我国早在2 0 世纪5 0 年 代开始就致力于暴雨等中尺度灾害性天气的研究，并且先后建立了京津冀四大中尺度试验 基地，以及目前正在执行的国家重点基础研究发展规划项目，我国重大天气灾害的形成机 理和预测理论研究等课题。就我国灾害性天气的短时和临近预报做了大量的研究工作，取 得了许多重要的研究成果，为国家防灾减灾做出了经大贡献，但是。由于观测技术和资料 等的限制，我国的临近预报技术与国际先进水平相比，还存在一定差距。目前，随着全国 范围内新一代多普勒天气雷达布网工程的全面实旃，临近预报技术的研究成为我国气象科 研工作者面临的一项重要任务p ”“ 随着社会经济的发展，我国气象现代化建设不断取得突破。我国已确定了天气雷达布 网探测系统的发展计划，中国气象局制定了我国新一代天气雷达发展规划，新一代多普勒 天气雷达已陆续在全国布网，预计全国新一代天气雷达的布网站数将达到1 2 6 个，雷达作 为2 1 世纪大气探测的主要工具在气象业务和科研中将得到更加广泛的应用。从“九五”起， 我国大规模的进行新一代多普勒天气雷达( c r n r a a d ) 监测网的建设【4 l “】。雷达网监测范围基 本覆盖东部全部国土及西部大部分地区新一代多普勒天气雷达采用了目前世界先进的雷 达技术、多酱勒技术、计算机技术、微电子技术、数字信号及图像处理等高薪科技成果， 从而使其具有以往天气雷达所不具备的先进功能。全天候的探测能力和十分丰富的反映大 气层云雨生消演变过程的动态信息，大大加强了新一代天气雷达对中小尺度天气系统的探 测和预警能力，并为开展短时灾害。 常规天气雷达提供了大范围内降水空间分布及其降水强度【4 3 q ，它作为降水定量预报 强对流天气预警和云雾物理研究的一种重要探测工具，已在气象部门广泛应用多普勒天 气雷达不仅具有常规天气雷达的性能，而且能进一步提供降水质点运动的信息，降水区中 风场的结构特征等有关参数。多普勒天气雷达是监测跟踪中小尺度天气系统发生、发展、 成熟、消亡过程的有效探测工具，除了提供实时3 个基数据( z 、v 、w ) 的图像外，还有基 于上述基数据经过各种气象算法和数字图像处理生成的产品，如：组合反射率因子、垂直积 分液态水量、回波顶高、谱宽剖面产品等丰富的天气雷达二次产品，国内单站的天气雷达 1 3 资料处理分析的理论和方法很多。在我国各地区开始实旌多普勒天气雷达布网计划的同时， 如何充分发挥天气雷达网的威力，使得单站天气雷达资料联网共享，使各级气象业务部门， 甚至公众都能从中直接获益是一个迫切需要解决的问题。 多普勒雷达资料具有常规资料无可比拟的时间和空间的高分辨率，是研究中小尺度天 气系统的主要手段之一。然而，多普勒雷达主要观测径向速度和回波强度信息，不能直接 提供大气模式变量信息，另一方面，随着中国新一代多普勒天气雷达观测网逐步投入业务 运行，多普勒雷达探测覆盖面、探测能力和探测资料迅速增加，因此，多普勒雷达资料的 进一步应用就显得尤为重要和必要了。在对高分辨率的多普勒雷达探测的非降水回波研究 中，我国尚不多见，本文将借鉴国外的研究成果对太原雷达站的非降水回波作初步研究， 为同行的进一步研究奠定基础。 2 2 本文的研究内容和研究目标 太原多普勒雷达站投入业务运行以来积累了大量宝贵的资料，本文将主要利用太原新 一代单多普勒天气雷达近几年收集到的资料，对非降水回波在临近预报中的应用进行研究 非降水回波是在一定大气条件下产生的，反过来，非降水回波的出现又可以表征一定 的大气条件，即环境风场的结构本文的研究内容是统计分析不同尺度天气系统产生、发 展前非降水回波的特征，了解环境风场的平均风向风速和辐合辐散特征，并与降水特征进 行比较。本文的研究目标是通过对非降水速度回波半定量化的研究，预测未来天气，并给 出了试报结果，进一步揭示非降水回波在临近预报中的指示意义。 1 4 第三章非降水和大面积降水多普勒速度图象的分析 在没有显著的垂直运动情况下，晴空和大面积稳定性降水回波的多普勒速度图象代表 了环境风场的径向分量( 即径向速度) 分布，可从中分析到真实的环境风场。考虑到环境 风场在大多数情况下在水平方向上变化十分缓慢，而只是在垂直方向上有较明显变化，所 以对非降水及大面积降水多普勒速度图象都是以p p i 的方式显示。因为这种显示方式既能 分析某高度平面上的平均风场、大尺度辐合辐散特征，又能分析在不同高度平面上的变化 情况。 3 1 风速随高度变化，风向不变的各种多普勒速度图象 据上述讨论的基本知识，零径向速度所在处的方位角。与风向互相垂直。所以在风向 不随高度变化情况下，所有零速度点的方位角也是不变的。因此图象中的零速度线( 带) 必然是通过雷达中心的一条平直线( 带) ，它由e 和e + n 二条经线组成。如图l 一图4 中， 环境风向均为西风，且不随高度而变，所以零速度带为正南正北方向的平宣带，由0 。和1 8 0 。 方位角的二条经线组成。图中零速度带自近而远逐渐变宽，那是由于雷达方位角之间的宽 度随距离而增加的缘故。 图象中的其它非零径向速度的分布，实际上反映了风速随高度的变化情况。下面分几 种情况讨论。 3 i 1 风速不随高度变化 当天线指向风的下风向时，径向速度即为风速，且是径向速度中的最大值；天线指向 上风向时，径向速度绝对值也是风速，且是径向速度中的最小值( 即为最大的负值) 由 于风速也不随高度变化，所以最大和最小径向速度的等值线亦是一条直线，出上风向经线 和下风向经线组成( 通过雷达中心) 。可以理解，其它非零的径向速度等值线应