多普勒天气雷达资料的雷电特性分析

1、学学 位位 论论 文文多普勒天气雷达资料的雷电特性分析多普勒天气雷达资料的雷电特性分析论文作者姓名：论文作者姓名：申请学位专业：申请学位专业：申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士指指导导教教师师姓姓名名（职职称称）：论文提交日期：论文提交日期：年年 月月 日日多普勒天气雷达资料的雷电特性分析多普勒天气雷达资料的雷电特性分析摘摘 要要雷电是发生在大气中的瞬间放电过程，雷电灾害是联合国公布的“最严重的十种自然灾害之一” ，与其它灾害性天气相比,雷电有发生时间短、频率高和影响范围广等特点。湖南省是雷电灾害较严重的省份，每年都会造成严重人员伤亡和财产损失。历史经验表明，对雷电进行监测预警能够有

2、效地减少雷电灾害。本文应用 2007 年-2008 年湖南长沙的多普勒天气雷达回波资料和闪电定位系统的地闪监测资料，对湖南地区闪电活动的雷达特征进行了分析。根据闪电定位仪资料，对照闪电发生时刻及闪电发生前后的产品特征进行个例的分析与验证，并通过进一步的分析，初步得出了雷电预警的方法。关键词关键词：多普勒天气雷达；雷达回波；雷电预警； Doppler Weather Radar Data Analysis of Lightning characteristicsAbstractLightning is the process of instantaneous discharge, which t

3、akes place in the atmosphere. Lightning is published “one of the top ten disasters by the United Nations. Compared with other severe weather, lightning occurs in a short time with high frequency and impact of a wide range. Hunan is one of the most provinces with severe lightning disaster, that causi

4、ng serious casualties and property losses. Historical experience shows that monitoring and early warning of lightning can reduce the lightning disasters effectively.This text makes use of the data of the radar echo and lightning detection ADTD positioning system, to analyze the characteristics of th

5、understorms and lightning from 2007 to 2008 in Hunan province. Based on the data of lightning tracking, we analyze and verify the product features of lightning and lightning occurred before and after. Through the further analysis and research, we have obtained the method of lightning warning. Key wo

6、rds：Doppler Weather Radar; radar echo; Lightning warning目目 录录1 引言 11.1课题背景和意义.12 国内外研究历史及现状.22.1国内外关于多普勒天气雷达资料的应用研究.22.1.1国内外关于雷电的研究.32.2研究的目的和意义.42.3本文的主要任务及结构.53 多普勒天气雷达及其产品.53.1多普勒天气雷达.53.2天气雷达的产品和应用.64 雷达资料的选取.75 雷达回波特征分析.135.1基本反射率（R）特征.135.2回波高度（H）特征 .145.3回波顶高（ET）特征 .155.4垂直积分 CAPPI 特征.165.5垂

7、直积分液态含水量（VIL）特征.175.6组合反射率（CR）特征.186 雷达与闪电数据的综合应用研究.196.1研究应用方法.196.2判别方法应用于预报.196.3雷达资料应用于雷电预警.207 总结.227.1结论.227.2前景展望.23参考文献.23致谢.231 1 引言引言1.11.1课题背景和意义课题背景和意义雷电是发生于大气中的一种瞬时高电压、大电流、强电磁辐射灾害性天气现象。自然界中，雷(闪)电常伴随龙卷等灾害性天气同时发生，对自然资源和人类创造的物质文明构成巨大的威胁。雷电灾害已经被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一” 。据估计，全世界每年约有10亿次雷暴发生，平均每小时

8、发生2000次雷暴，每分钟平均发生13次云对地闪电。就整个地球表面而言，每秒钟的地闪就有30100次，每次闪电在微妙量级的瞬时释放出约1.9810 的8次方焦耳的能量。为雷电所造成的雷击具有极大的破坏性，每个闪电的强度可以高达10亿伏。一个中等尺度的雷暴的功率有10万kw，相当于一个小型核电站的输出功率，同时雷电表现为强大的冲击波、剧变的电磁场、强烈的电磁辐射、炽热的高温。雷电以其热效应、机械效应、反击电压、雷电感应等方式产生破坏作用，从而造成人员伤亡、火灾、爆炸、建筑物和各种设施损毁、电力及通讯中断等等，从卫星、通信、导航、计算机网络系统乃至每个家庭的家用电器，都有可能在一道闪电中，毁于一旦

9、。据不完全统计，我国每年因雷电灾害造成的人员伤亡为30005000人，财产损失为50100亿元。目前，多普勒雷达在世界上许多国家都已经建成观测网络并投入了业务应用。而双向偏振雷达尽管能够提供更加细致的信息，但主要还只是用于研究领域中，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。雷电灾害的预警和防御问题已经涉及到各行各业，开展对闪电形成机制、活动规律的研究，尽可能减小雷电灾害带来的损失有着十分重要的意义，它不仅与经济建设紧密相关，更是关系到确保工农业生产和人民生命财产安全、维护社会稳定的大事。从“九五”起，我国大规模地进行了新一代多普勒天气雷达监测网的布点建设，并已在二十多个省

10、区建立了独立的雷电监测。到2020年，将建立能覆盖全国的云地闪监测网和覆盖重点区域的云间闪监测网。随着我国新一代多普勒天气雷达布网工作的进行，越来越多的一线预报员将接触到多普勒天气雷达产品，如何利用丰富的雷达产品，较为全面地探讨该产品对天气系统和大气状态的指示意义，更好地服务于天气预报工作就显得十分必要。目前，我国把雷电预报纳入八大业务轨道之一，闪电监测网的建设，将使闪电探测和预警成为气象服务产品的一个新品种。因此，积极探索、开展雷电预报，对于防灾减灾，拓宽服务领域都是非常有意义的。在我国由于多普勒天气雷达的应用和雷电研究还处于起步阶段，目前国内应用于业务的雷电预报方案研究仍然比较少见,雷电的

11、主客观预报准确率均不高,雷电预报仍然是天气预报领域中的一大难点。为了进一步做好防雷减灾工作，加强对雷电预报能力，提高雷电监测和预警水平，就必须用多种监测手段相结合使雷电预报更加准确有效。2 2 国内外研究历史及现状国内外研究历史及现状2.12.1 国内外关于多普勒天气雷达资料的应用研究国内外关于多普勒天气雷达资料的应用研究多普勒天气雷达在风暴识别方面，自上个世纪80年代以来，风暴系列算法在全美NEXRAD业务系统中投入了使用，并且取得较好的效果，但是它对间隔较小的风暴群效果并不是多么理想。Johnson(1998)等开发了风暴单体的识别和跟踪算法(SCIT)，并在WSR一88D的BuiId90

12、软件中使用，从而使对反射率因子为40dBZ以上的风暴单体的探测概率提高到68，反射率因子为50dBZ以上的风暴单体的探测概率提高到96，而此前仅为24和411。Richard等分析了美国闪电活动中地闪的密度，结果发现中西部地区地闪密度达到峰值的时期恰好与观测到的强降水相一致；Scott等研究美国中南部地区夏季云地闪与降水的关系，结果表明地闪与地面降水的相关性较高：Rocdcr等提出了闪电临近预报的雷达回波强度、垂直厚度、回波项高的参考指标等。在国内，张鹏(2002)在综合利用多普勒天气雷达速度场、谱宽场、强度场场资料及缩短探测时间方面进行了尝试，提出了利用单PPI或双PPI资料进行强风暴识别的

13、方法，应用实际资料进行的效果检验表明：与现有强风暴识别方法相比，双PPI的综合资料识别方法，既有一定的识别准确率，又具有节省探测时间、快速发布警报的优点2。王飞等利用多普勒雷达资料,结合探空、闪电资料对2005 年夏季北京地区的22 个单体过程进行综合分析发现雷暴单体中从25 dBz 回波出现到单体的35 dBz 回波厚度变化率达到极值的时间差,与雷暴中最早的云闪与最早的地闪之间的时间差,两者存在一定的线性关系3。 在雷达资料反演方面，随着反演理论和反演技术的不断提高，将多普勒天气雷达信息反演成风场、液态含水量分布、相对湿度、位温以及气压扰动场等，并与常规气象资料同化，大大弥补了中小尺度天气数

14、值预报中格点资料的不足，提高了模式的预报效果4。在雷达定量估测大范围降水方面，许多国家建立的雷达一雨量计站联合测定区域降水系统，在水库蓄放和防汛抗洪中发挥着重要作用。在灾害性天气的监测、预警和预报方面，国内外的气象工作者已经开发出一系列的雷达产品，并常利用雷达反射率产品的回波强度、回波形态等判断强天气类型。如：美国常用回波强度41dBZ作为强风暴的判断指标，而国内常定45dBZl利用钩状回波、长钉状回波等具有特殊形态的回波预报冰雹等对流天气。常用径向速度产品的某些特征分析、监测龙卷气旋和下击暴流等以风害为主的强天气。同时，利用雷达回波特征分析、总结对流性风暴的结构、演变等；在一般的业务和科研中

15、，雷达产品更多地用于天气个例的分析和总结，例如：80年代末以来，美国、德国等国家的科研人员用雷达回波研究了大量的Derecho现象；在国内，广大业务人员通过雷达回波分析，研究了大量飑线天气过程，为做好预报服务总结、积累了丰富的经验。2.1.12.1.1国内外关于雷电的研究国内外关于雷电的研究在雷电研究方面，80年代以来国际雷电研究趋势呈现出三大特点：1、对微秒、亚微秒的雷电过程进行研究；2、雷电与其它学科的交叉研究，其中在灾害性天气监测预警方面，发现了雷电可先于雷达提前指示出强对流的发展，雷电频数可用于对流性降水量的估测等；3、重视研究成果与实际应用的结合，如美国等国家的科学家每年在佛罗里达国

16、际雷电研究基地进行人工引雷实验，除了进行理论研究外，还对不同类型的防雷设备进行检验、对高压线以及模拟的航天发射器燃料盒等特种设备进行雷击实验，以增加其运行的安全性5。和发达国家相比，我国从事雷电基础研究的力量明显不足，与我国日益增长的雷电防护需求相比是十分不相适应的。从雷电研究自身来讲，与其他学科相结合的交叉研究也十分欠缺。我国雷电研究虽然起步较晚，但在近20多年来也有了很大进展，中国科学院寒区早区环境与工程研究所在雷暴云电结构、雷电物理、雷电电磁辐射、人工引发雷电技术及其应用等方面进行了深入研究，取得了一系列重要成果，并在国际上具有一定的地位。中国气象科学研究院、中国科学技术大学、中国科学院

17、空间科学与应用研究中心信息产业部第22研究所等单位在雷电探测技术和资料应用方面也进行了一定研究。在雷电预报(包括短期雷暴潜势预报、短时雷电监测和跟踪以及发布雷电警报)研究方面6比较突出的有：用决策树方法制作的，为机场提供自动雷暴探测和严格导航系统的美国AWIPS雷暴产品；澳大利亚气象局结合数值预报产品制作的雷暴预报决策树方法；印度德里地区的点聚图方法、多元线性回归方程法制作的雷暴客观预报等等。在闪电的临近预报方面，Itoeder等提出了闪电临近预报的雷达回波强度、垂直厚度、回波顶高的参考指标等；美国空军第45天气中队(45WS)开发的闪电经验预报方法(在当地称为“Pinder经验规则”)，为预

18、报员根据天气系统预报闪电提供了辅助手段。利用参数化方法制作闪电客观预报的研究也很多。近年来，我国在雷电预报方面也取得了一些成果，但从总的来讲，与发达国家相比，我国在经费的投入、综合探测手段的应用、资料的积累及研究队伍的建设等方面都远落后于发达国家，特别是在高时间分辨率雷电探测、雷暴探空(电场和常规气象要素)、卫星雷电探测、多参数雷达的同步观测，以及综合资料的获取和应用方面差距很大。从雷电研究来讲，与其他学科相结合的交叉研究也十分欠缺，国内至今尚未组织一次与相关学科联合的大型观测试验。2.22.2研究的目的和意义研究的目的和意义对全湖南省年平均雷暴日数统计显示，湖南属于多雷区，年平均发生雷暴 4

19、8.5次之多。作为雷电这种自然现象的发生具有随机性、瞬对性和危险性，不能采用常规方法进行研究，因此对雷电的认识和理解进展就比较缓慢。近年来，我国不少部门在小范围内配是闪电定位系统，结合雷达探测资料，科研和业务工作者对于雷电活动、雷暴天气的监测和诊断作了研究，取得了部分研究成果，但利用多普勒雷达观测资料和闪电定位资料相结合对雷电进行综合分析的研究并不是很多。雷达同时具有观测精度高、观测时间间隔短的优势，这使得它成为了目前最适合于开展雷电预警工作的观测设备。多普勒天气雷达对暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气有很强的监测和预警能力，它包括了灾害性天气的绝大部分的监测和预警内容，作为一个对大气探测重要手段，

20、利用多普勒雷达对雷电作临近预报 ,减少灾害损失 ,已成为多普勒雷达资料应用的一项重要工作。雷达资料应用在国外雷暴预警中已经取得了很大进展，但我国在这方面还比较薄弱。目前湖南省雷电气候研究方面的文献不多，由于闪电定位投入应用时间不久，相关研究也比较少。本课题利用湖南省地面观测得到的雷达回波资料及 ADTD 雷电检测定位系统采集的闪电数据对全省雷暴及闪电特征进行分析，主要选取回波高度、基本反射率、回波顶高、组合反射率因子、垂直积分液态水含量、CAPPI 资料。根据闪电定位仪资料对湖南地区闪电活动的基本特征进行分析，以加深对该地区雷电的认识。2.32.3本文的主要任务及结构本文的主要任务及结构本文是

21、对多普勒天气雷达资料的雷电特征进行分析，并利用2007年8月至2008年8月一年来湖南省气象局闪电定位系统的地闪监测资料，对湖南地区闪电活动的雷达特征进行分析验证。并根据其发生闪电时的特征，综合雷达资料以及其他探测资料，对湖南闪电趋势进行预报。本文在总体结构上共分为7章。第1章引言，本章介绍了课题背景，研究的目的和意义以及国内外研究历史现状。第2章多普勒雷达及其产品，介绍了多普勒天气雷达的优势以及其产品和在天气分析、预报中的应用。第3章为雷达资料的选取，本章介绍了如何选取所需的雷暴单体以及对照地闪监测资料选取雷达探测资料数据。第4章数据的记录，记录所找到发生闪电以及未发生闪电时的雷达回波特征参

22、数。第 5 章雷达回波特征的分析，本章主要通过记录数据所做图表，对雷达回波、各种二次产品进行分析研究。第 6 章雷达与闪电数据的综合应用研究，运用决策树方法得出对闪电预报的判别方法，并得出对湖南闪电趋势进行预报方法。第7章结论，并对全文进行总结。3 3 多普勒天气雷达及其产品多普勒天气雷达及其产品3.13.1多普勒天气雷达多普勒天气雷达多普勒雷达是目前世界上最先进的雷达系统，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒雷达能够监测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化，判断云的移动速度，其产品信息达72种，天气预报的精确度比以前将会有较大提高。新一代天气雷达具有很强的实时

23、性，最多在 10 分钟就能得到一幅扫描结果，这种实时性是传统探测方法所不具有的，同时它还具有较高的的灵敏度，我国现在雷达大多数测量范围都在半径 300km 以上，能比较准确的测得半径内的各种天气系统，除了能得到常规的天气系统的回波强度分布信息以外，在达对中小尺度天气系统观测具有以下优势：(1)显著增强对热带气旋、风暴、雹云、风切边、龙卷气旋、下击暴流等气象灾害的发生、发展和消亡过程的检测预报能力。(2)新一代多普勒天气雷达探测资料能提供反应热带气旋强度以及环流结构特征，并利用速度场信息确定台风中心，明显改善热带气旋（台风）登陆位置和强度预报的精确度。(3)对风和降水具有高分辨力的思维探测能力，

24、可获得探测范围内垂直速度和散度的局部分布，明显提高对雷暴发生时间、地点检测预警的准确性，改进风暴灾害预报的可靠性。(4)能提供较详细的中小尺度天气的雷达探测资料，特别是通过获得的晴空和大范围降水区内的风场资料等信息，对降水的短时预报、检测预报与锋面的天气变化、预报雷暴的发展和移动等有重要作用，可明显提高短期和短时的预报能力。3.23.2天气雷达的产品和应用天气雷达的产品和应用主用户处理子系统（PUP）用来接收RPG生成的气象产品数据和状态信息，并以图形的方式提供给预报人员做天气分析和预报使用。此软件有如下功能：1、对来自RPG的气象产品进行显示。包括产品显示选择、叠加、根据用户地理位置定中心、

25、放大和改变分辨率、动画等。2、有选择的检测强天气地域能力，并作出警报。3、在背景地图上显示天气状况。4、从RPG接收并显示其信息。如列出由RPG产生的当前产品表，向操作人员报告雷达当前天气状态及强天气情况，对CAPPI产品显示等。新一代多普勒天气雷达的产品包括基本产品和导出产品。基本产品有三个：反射率因子（Z）、平均径向速度（V）、谱宽（W），除回波强度外，后两种信息，常规数字化天气雷达不能获取。二次产品包括：基本反射率（R） 、组合反射率因子（CR） 、垂直积分液态水含量（VIL） 、回波顶高(ET)、CAPPI资料、风暴结构产品、谱宽剖面产品（SCS）以及分层组合湍流平均值产品（LTA）

26、。多普勒雷达产品在天气分析和预报中得到了广泛的应用，多普勒雷达观测的实时回波强度、径向速度、速度谱宽的图像中，提供了丰富的有关强对流天气的信息，综合使用ZVW图像可以较准确和及时检测灾害性天气。回波强度一直是判断强对流天气的重要参数，多普勒雷达径向速度分布图也是判断强对流的一种有效工具，因为，强对流天气的出现和发展往往与气流的辐合、辐散以及旋转有关，在识别风灾害时特别有效。雷电的发生与中小尺度对流系统有着密切的联系。天气雷达对中小尺度的对流系统能够很好地进行探测。大量的观察资料表明，雷电的发生与对流云发展的强度、高度、发展阶段、内部粒子相态、温度等有紧密的联系。由于雷暴单体产生的强雷暴具有突发

27、性、短时性、强风切变等特点。利用多普勒天气雷达，除了可获得能表征降水强度和云中液态含水量之外，还能得到降水质点相对雷达的平均径向速度和速度谱宽，这些资料有利于预报人员对雷暴环境流场的识别和对其生消发展的判断，从而分析由雷暴单体发展为强雷暴的多普勒雷达风场的特征，并使预报人员得以提前发布强雷暴和风切变预警信息。4 4 雷达资料的选取雷达资料的选取由于多普勒雷达和雷电定位系统目前已经在我国的大部分地区广泛架设，因此本文主要利用这两类设备所获得的资料来所建立的雷电预警方法是最接近实际业务用的。虽然这种预报方法也会有自身的局限性，例如雷达本身观测区域的限制，雷电定位系统的定位误差和探测效率的影响，以及

28、各地环境差异造成的一些预警参数的差异需要调整。在研究过程中，由于雷电定位系统的定位误差可能会对单体是否为雷暴单体，以及雷电的起始发生时间的确定都会造成影响，因此本文中所选取的研究对象为孤立生成和发展的单体，目的就在于降低由于雷电定位系统定位误差对单体是否雷暴、以及单体中雷电的起始发生时间的判断方面所造成的影响。由于闪电定位系统的定位存在一定的误差，为了避免由于定位误差而导致对单体是否雷暴，以及闪电发生时间和空间的错误判断，在研究过程中所选取的个例主要为单独发生和发展的单体，并最终选选取 2007 年 8 月-2008 年 8 月间长沙雷达站探测范围之内的单体作为研究对象，其中由于雷暴的发生与发

29、展是经过一段时间的演化，所以在选取的闪电发生时间和雷达回波图时间时以不超过10 分钟为标准。例如：图 3-2 及图 3-3（为 PUP 界面所显示的基本反射率产品）所示那样单独发生和发展的单体的雷暴单体，并且在闪电定位仪数据记录资料上可查得在雷达探测地点以及对应时刻是否发生了闪电。图 3-1 2007 年 8 月 3 日 17:41:58 雷达回波图图 3-2 2008 年 5 月 28 日 06:59:52 雷达回波图图 3-3：2008 年 5 月 28 日 07:29:42 雷达回波图图 3-4 2008 年 5 月 28 日 07:04:48 时闪电定位仪数据数据记录在研究中找出雷暴在

30、发生雷电的初生阶段雷达回波特征，通过进一步分析，主要目的就是找出雷电预警的条件，也就是找到在何种雷达回波特征条件下，能去预测到雷电的发生，以及可能发生雷电的强弱。在此，首先要做的工作是要找到发生闪电的时刻的雷达回波特征。国内外许多个例分析表明，雷达回波位置与闪电发生区域有较好的一致性，对20072008年的雷达强度场资料和闪电定位资料作了系统的对比，也较好地印证了这一结论。本文研究并记录新一代多普勒天气雷达监测到PUP产品的主要指标有：回波高度（Echo Height） 、基本反射率（Base Reflectivity） 、回波顶高(Echo Tops)、垂直积分液态水含量（Verticall

31、y Integrated Liquid） 、CAPPI资料、组合反射率因子（Composite Reflectivity） 。以下记录的雷达回波的特性参数选用的都是0.5仰角扫描：表1 发生闪电的雷达回波特征参数 (Rd-雷达 L-闪电)HRETVILCAPPICR序号时间经度纬度(km)(dBz)(km)kg/m2(dBz)(dBz)Rd20070801 13:50:30114.87429.228540(43)8(8)10(13)-45(48)1L20070801 13:51:18114.82229.0077-Rd20070802 11:39:28113.96329.6913.840(43)

32、6(7)10(13)-45（48)2L20070802 11:44:39113.96629.6372-Rd20070803 15:39:19111.76727.5123.740(43)6(7)5(8)20(23)40(43)3L20070803 15:43:00111.70827.6548-Rd20070803 22:58:33113.26326.8534.345(48)8(8)10(13)50(53)45(48)4L20070803 22:57:42113.27826.8125-Rd20070805 12:13:45115.0729.2615.740(43)5(5)5(8)-40(43)5L

33、20070805 12:20:13115.00529.2733-Rd20070810 07:10:00111.09728.4694.540(43)8(8)5(8)25(28)40(43)6L20070810 07:13:16111.07628.4908-Rd20070810 12:50:34112.67129.552.640(43)9(10)20(23)20(23)-7L20070810 12:52:18112.67129.5091-Rd20070813 16:01:06113.54229.1952.140(43)8(8)40(43)50(53)45(48)8L20070813 16:01:3

34、2113.52829.2358-Rd20070821 02:43:20114.62429.043440(43)6(7)1(3)25(28)40(43)9L20070821 02:44:00114.61728.9954-Rd20070821 15:52:42112.73230.237540(43)8(8)5(8)-40(43)10L20070821 15:59:20112.76130.0236-Rd20070822 14:44:29111.63529.9165.345(48)5(5)5(8)-40(43)11L20070822 14:43:53111.56229.9369-Rd20070823

35、02:57:34111.28228.736420(43)6(7)5(8)40(43)25(28)12L20070823 111.28428.7886-02:49:03Rd20070823 16:49:40113.57727.1033.740(43)6(7)1(3)15(18)40(43)13L20070823 16:53:21113.55727.1485-Rd20070824 07:09:10114.48328.4883.240(43)11(11)10(13)40(43)-14L20070824 07:08:28114.43828.5671-Rd20080321 05:38:21111.464

36、28.5453.540(43)3(4)1(3)15(18)25(28)15L20080321 05:37:01111.48128.5455-Rd20080321 11:49:57112.35127.2383.435(38)6(7)1(3)-25(28)16L20080321 11:50:34112.42427.1139-Rd20080328 06:37:23113.60727.1213.745(48)3(4)5(8)25(28)45(48)17L20080328 06:37:58113.60027.1391-Rd20080328 07:48:54113.62227.093.840(43)3(4

37、)5(8)20(23)20(23)18L20080328 07:48:54113.54127.0909-Rd20080330 09:57:58111.76727.5033.840(43)3(4)1(3)25(28)40(43)19L20080330 09:59:54111.65627.2417-Rd20080403 23:33:19111.48328.6223.440(43)3(4)5(8)-45(48)20L20080403 23:34:50111.48328.7457-Rd20080404 04:11:14111.75227.5433.750(53)3(4)10(13)40(43)45(4

38、8)21L20080404 04:11:33111.68827.6776-Rd20080408 20:35:31113.62827.2923.245(48)3(4)5(8)20(23)20(23)22L20080408 20:35:37113.73627.2982-Rd20080412 07:15:52111.17929.3685.235(38)8(8)1(3)-35(38)23L20080412 07:16:33111.11729.2991-Rd20080412 11:47:16111.86426.9924.950(53)11(11)25(28)-50(53)24L20080412 11:5

39、1:05111.86026.9931-Rd20080420 00:05:32113.08530.214.835(38)8(8)1(3)-35(38)25L20080420 113.10030.2466-00:06:08Rd20080502 20:09:22111.67129.5224.240(43)6(7)5(8)35(38)40(43)26L20080502 20:10:27111.6729.5115-Rd20080503 07:05:24112.42430.385.740(43)5(5)1(3)-40(43)27L20080503 07:17:48112.42430.3207-Rd2008

40、0526 01:09:16111.00129.2445.530(33)5(5)1(3)-30(33)28L20080526 01:08:08111.16629.249-Rd20080526 07:10:47110.81728.9325.740(43)9(10)5(8)-40(43)29L20080526 07:12:02110.43028.9337-Rd20080526 13:06:10114.85828.8964.540(43)8(8)5(8)-40(43)30L20080526 13:15:54114.42728.894-Rd20080526 16:21:06111.66328.9613.

41、240(43)8(8)5(8)-40(43)31L20080526 16:22:03111.66028.9038-Rd20080527 12:00:19111.43928.8413.740(43)9(10)5(8)20(23)40(43)32L20080527 12:03:27111.72128.8409-Rd20080528 06:59:52113.62427.4222.940(43)5(5)1(3)25(28)40(43)33L20080528 07:04:48113.55927.418-Rd20080528 08:29:24113.49526.9694.130(33)3(4)1(3)30

42、(33)30(33)34L20080528 08:31:53113.41126.9355-Rd20080606 18:44:58113.31330.3185.340(43)5(5)10(13)-35(38)35L20080606 18:28:59113.36130.2851-Rd20080612 19:47:55114.10729.6544406(7)5(8)50(53)25(28)36L20080612 19:46:24114.14629.6799-Rd20080613 02:12:17113.15729.5732.740(43)6(7)20(23)50(53)40(43)37L200806

43、13 02:11:18113.0329.5141-Rd20080613 04:48:47112.78330.4085.545(48)5(5)10(13)-45(48)38L20080613 112.73830.3273-04:50:04Rd20080622 15:53:38114.23229.774.640810-4039L20080622 15:51:06114.21829.8138-Rd20080706 20:36:55113.16326.625.240(43)5(5)5(8)-40(43)40L20080706 20:38:47113.19426.6628-Rd20080709 14:5

44、5:54111.75727.533.740(43)6(7)1(3)-40(43)41L20080709 14:59:24111.84527.4848-Rd20080710 11:56:28114.04328.4472.230(33)5(5)1(3)25(28)25(28)42L20080710 11:56:32114.05628.4678-Rd20080712 20:26:15114.36729.836540815-5043L20080712 20:28:38114.31229.84719-Rd20080717 14:29:25113.83929.7373.8401210204044L2008

45、0717 14:28:24113.81129.7189-Rd20080730 18:59:48114.82928.1564.34085404045L20080730 19:01:05114.81828.1505-Rd20080804 05:59:16112.56530.2635.240(43)12(13)10(13)-20(23)46L20080804 06:00:29112.47330.2311-Rd20080805 14:17:05111.24927.654.840(43)8(8)10(13)-25(28)47L20080805 14:20:00111.28827.7595-Rd20080

46、806 05:38:09111.2628.8354.245(48)6(7)5(8)25(28)45(48)48L20080806 05:38:00111.13028.769-Rd20080807 03:13:28110.87229.2425.940(43)5(5)5(8)-40(43)49L20080807 03:13:10110.80729.0944-表 2 未发生闪电的雷达回波特征序号时间经度纬度HRETVILCAPPI(dBZ)CR(dBZ)1雷达20080403 21:29:30112.30926.7085.245(48)8(8)10(13)-40(43)2雷达20080408 09:

47、53:43114.23527.3954.045(48)9(10)20(23)45(48)45(48)3雷达20080411 15:07:04112.84126.5575.445(48)9(10)5(8)-45(48)4雷达20080420 12:10:16114.79127.9734.440(43)8(8)5(8)20(23)40(43)5雷达20080430 09:26:07112.47228.1761.440(43)8(8)15(18)45(48)40(43)6雷达20080503 07:11:23111.69528.8803.045(48)8(8)10(13)30(33)45(48)7雷

48、达20080526 04:15:54110.93127.8345.540(43)5(5)10(13)-40(43)8雷达20080526 12:12:11114.87528.7264.440(43)8(8)10(13)35(38)40(43)9雷达20080602 17:40:34114.64728.5533.740653040(43)10雷达20080706 23:17:30113.04227.0603.640(43)3(4)1(3)-40(43)11雷达20080707 02:53:36111.75727.5213.740(43)3(4)5(8)-40(43)12雷达20080804 18

49、:33:13111.74727.5303.740(43)3(4)10(13)20(23)45(48)13雷达20080806 04:12:09111.32128.2343.940(43)3(4)5(8)10(13)40(43)14雷达20080629 21:35:36113.58029.59035 雷达回波特征分析雷达回波特征分析在雷达探测中，雷达显示终端上出现的回波是多种多样的，大致可分为气象回波和非气象回波两大类，在雷达探测中，主要关心的是气象回波的识别、分析和研究。雷达气象回波是由雷达发射、经大气及其悬浮物散射而返回被雷达天线所接收的电磁波。我们通常所说的雷达回

50、波强度指的就是雷达气象回波的强度。雷达回波强度通常用雷达反射率因子Z 值来度量，而从回波形态特征也可以知道其回波强度。由于雷暴云内起电与其中的微物理过程有着密切的关系，温度、云内粒子的大小与相态，以及相应的变化特征等都成为雷电预警的必要信息。雷达能够较好的观测云中粒子的一些宏观特征从而具备了分辨雷暴云的能力，同时雷达还具有探测循环时间短的优点。通常的多普勒雷达两次体扫之间的时间间隔只有 56分钟。并且，雷达也是目前唯一的一种可以积极的对闪电通道进行探测的技术，而不象其它的一些方法那样只能被动的接收信息。多普勒天气雷达同时具有观测精度高、观测时间间隔短的优势，雷达所反映的单体在强度方面的信息，结

51、合闪电活动方面的信息，对于雷电的预警预报有很大的帮助，并且这也是目前最接近实际业务应用的一种雷电预警预报手段。5.15.1基本反射率（基本反射率（R）特征）特征基本反射率产品，表示单位体积中降水粒子直径 6 次方的总合（单位6mm/m3） ，它的值的大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和密度分布，用来表示气象目标的强度。Maribel7等提出：40dBz 回波强度是最适合闪电预警的雷达回波强度。由于 40dBz 回波强度是绝大多数发展较旺盛的单体都能够达到的强度，并且这个强度的回波无论从出现时间、持续时间还是达到的高度都和非雷暴单体有着较明显的差异，因而是区分雷暴和非雷暴单体的一个较好雷达特征

52、参量。王飞利用多普勒雷达资料，结合探空、 闪电资料对 2005 年夏季北京地区的 20 个单体过程进行综合分析发现： 40dBz 是比较适合该地区雷电预警的一个雷达回波特征参量；在此基础之上,将 0层结高度作为基础特征高度，并结合- 10层结高度和强回波所占比例对孤立单体的雷电发生进行综合预警是一种较为接近实际应用的方法。发生闪电的雷达回波产生闪电时的基本反射率如图 5-1 所示：图 5-1 发生闪电时雷达回波基本反射率特征从图 4-1 可以看出发生了闪电的回波基本反射率基本都达到了 40dBz 这一值，其中以 40dBz 以上居多，但对照表 2 却发现这并不能作为是否发生闪电的唯一依据，还得

53、综合其他特征一起进行分析，40dBz 左右的回波强度是发生闪电电的必要不充分条件。所以闪电主要出现在强回波区（40dBZ）以及周围，在对于其它几个回波特征参数分析应用时也不能孤立分析一个特征参数就下定结论。5.25.2回波高度（回波高度（H）特征）特征雷达回波高度直接体现出对流云发展的状况,云体中的重要部位达到冰晶化活跃温度区域的所在高度,是形成庞大的雷暴云体和强电场并促使发生雷电现象必不可少的条件,因此对雷达回波最大高度进行对比分析非常有利于识别雷暴。由于雷暴云中的对流发展比较旺盛，雷暴云的雷达回波强度有时可达到雷达观测回波强度的极限值65.0dBz，但是雷暴云的形成，要求在云内存在较大厚度

54、的高含水量的过冷却水滴区，使得雷暴云在对流发展过程中迅速抬高发展，最终导致雷暴的发生，所以分析雷达强回波（大于或等于40.0dBz）高度能否达到一定得高度，可以作为判定云内上升气流强度的一种指示，也可作为识别雷暴的一个预报指标8。发生闪电的雷达回波产生闪电时的不同高度如图5-2所示：图 5-2 发生闪电时雷达回波高度特征通过上图可以看出：闪电的发生与回波的高度是否达到一定的高度层有着密切的关系，图中的回波高度大都（93%）超过了 3km。5.35.3回波顶高（回波顶高（ET）特征）特征通常所说的回波顶高度，是指雷暴云上部30dbz 回波强度所在的高度。雷达回波发展的高度是产生闪电的一个很重要的

55、先决条件，没有发展很高的云顶就没有产生大量冰相粒子的条件和净电荷分离的起电机制。雷暴的起电主要发生在起电区域的顶部附近，在超过了这个区域之后不同相态的水成物粒子将无法在上升气流的支持下继续共同存在；在电荷分离时，每次碰撞转移的电荷量随着冰晶尺度的增大而增加。雷暴云中要发生强起电过程，使电荷发生分离必须存在足够数量和大小的冰相粒子以及足以使这些粒子上升到一定高度的上升气流。这在实际的雷达观测中必然反映为较强的回波上升到一定高度之上9。一般而言，对流的强弱在一定程度上和回波伸展的高度有关，所以 ET 产品可以用来分析估计雷达探测范围内不同地区的对流发展以及对流相对强弱的情况10。但是由于受到与天线

56、扫描方式有关的体积模式的限制，经常发生弧状的“阶梯式”形状回波11。发生闪电的雷达回波顶高特征如图 5-3 所示：ET02468101214135791113151719212325272931333537394143454749个个例例数数回回波波顶顶高高（K KM M）ET图 5-3 发生闪电时雷达回波顶高特征统计结果：从图中可以看出：在选取的 49 个发生闪电的个例中有 33 个单体的回波顶高超过了 6km，有 16 个在 6km 以下，8 个在 5km 以下。因此，对预警来说，将要发生闪电的预警参数选取 6km 的回波顶高是切实可行的。回波达到相应的高度层与闪电的发生有一定的关系，但这

57、并非意味着回波顶高达到了 6km 就会发生闪电，如表 2 所示，其中有的单体回波顶高达到了 9km 的高度，但它并没有闪电的发生，所以要综合多个参数一起考虑才能达到更好的预警效果。5.45.4垂直积分垂直积分 CAPPI 特征特征 雷达以不同仰角分别作全方位扫描探测（简称体积扫描）时，所获取的是球坐标形式的三维数据，它实际上由不同仰角相应的 PPI 数据组合而成。按照用户设置的高度，应用测高公式，选取临近该高度平面上的上下两个仰角相应雷达测距上的数据，然后用内插方法得到该高度上的数据。为提高数据精度，常采用双线性插值及加权平均插值方法。当然，若实测数据刚好位于设置的高度平面上，则不需用上述内插

58、方法。由于不同仰角的径向速度之间没有明确的关系，所在径向速度的 CAPPI 分布的意义不够清晰。如中国气象局规定 CAPPI 产品中只有回波强度和速度谱宽这两种没有方向性的产品12。发生闪电时雷达回波 CAPPI 强度特征如图 5-4 所示：CAPPI0102030405060135791113151719212325272931333537394143454749个例数强强度度（D DB BZ Z）CAPPI图 5-4 发生闪电时雷达 CAPPI 强度特征由图 5-4 可以看出在发生闪电的雷达 CAPPI 强度中，由于探测原因没有得到部分强度显示数据。图中已有的数据都在 20 dBz 左右，

59、其中以 20dBz 以上的数据个数居多，同时 30dBz 以上的数据个数占了 40%。5.55.5垂直积分液态含水量（垂直积分液态含水量（VIL）特征）特征“VIL”是“Vertically Integrated Liquid Water”的缩写形式。其意义是“垂直方向液态水的积分数值”,确切含义是“垂直方向上液态水的累计总含量” 。VIL 物理量产品是提供包含大量水凝物的云体中在垂直方向上液态含水总量的水平二维分布的数值图像产品。目前,国内各种类型的新一代天气雷达系统配备的产品加工软件都能生成这种产品。该产品在风暴定位和对强对流天气的预报和跟踪、估测降水强以及冰雹判别等方面有着广泛的应用。然

60、而,当前在国内投入布网使用的各种新一代天气雷达系统所提供的 VIL 产品均系由单一固定的数学模型(即基于雨滴谱的“M - P 分布”所推导出来的 Z - M 关系) 生成。因而,该物理量产品对于实际天气条件下雨滴谱多元化的适应性很差,其数据信息一般仅具有相对意义13。垂直积分液态水与基本反射率的强度有关，而持续高的垂直积分液态水又对应于超级单体回波，利用它的这一特性可以帮助识别更强的回波，从而进一步确定雷暴出现的可能性和肯定性。如果和其它产品进行叠加，就可以确定雷暴所在位置，以便更好地为预报服务。另外，垂直积分液态水含量这个产品还有一个特性，即“快速减少的垂直积分液态水可以引起风灾” 。利用这