班-雷达气象学

1、雷达气象方程的应用黄兴友南京信息工程大学大气物理学院2015.9.28雷达气象方程雨滴大小和Rayleigh散射：雷达气象方程是建立在Rayleigh散射的基础上，如果雨滴偏大，则不一定满足小粒子的条件，后向散射截面不能用Rayleigh散射下的散射函数计算，应该用复杂的Mie散射理论。Rayleigh的后向散射效率高于大粒子的Mie散射效率，所以大雨滴的回波会被弱化。适于主流气象雷达探测的水凝物尺度（半径）（可用Rayleigh散射近似计算）雨滴: 0.01 0.5 cm (所有强度的降雨)雪花: 0.01 3 cm (大多数降雪的雪花)冰雹: 0.5 2.0 cm (中等尺度以下的冰雹 )

2、l = 10 cm雷达气象方程适于主流气象雷达探测的水凝物尺度（半径）（可用Rayleigh散射近似计算）Raindrops: 0.01 0.5 cm (all rain)Snowflakes: 0.01 1 cm (small snowflakes)Hailstones: 0.5 0.75 cm (small hail)l = 5 cml = 3 cmRaindrops: 0.01 0.5 cm (all rain)Ice crystals: 0.01 0.5 cm (single crystals)Graupel: 0.1 - 0.5 cm (graupel)l = 0.8 cmRaind

3、rops: 0.01 0.15 cm (cloud，drizzle)Ice crystals: 0.01 0.15 cm (single crystals)雷达气象方程不适于使用Rayleigh散射的水凝物情况（hydrometeor）(大粒子情况)l = 10 cml = 5 cml = 3 cml = 0.8 cmHailstones: 2.0 cm (large hail)Snowflakes 1 cm (large snowflakes)Hailstones: 0.75 cm (moderate to large hail)Raindrops: 0.01 0.5 cm (all rai

4、n)Snowflakes 0.5 cm Hail and large graupelDrops 100 micronsAll ice particles except small crystals雷达气象方程显然， S波段雷达可以较准确地探测降雨、降雪和大多数冰雹，但C波段和X波段的准确探测区间有限。虽然不能用Rayleigh散射公式进行准确计算，但雷达能够探测到这些“大粒子”的回波功率Pr,如果利用雷达气象方程，可以求出“反射率因子Z”，但这是在Mie散射情况下的Z，应该与Rayleigh散射下的Z有所区别。这个Z称为等效雷达反射率因子，用Ze表示。引入Ze的好处在于可以使用Rayleigh

5、散射情况下的雷达气象方程计算大粒子的“等效雷达反射率因子”。通过雷达回波功率和雷达气象方程得到的可能是Z，也可能是Ze.如果用Ka波段雷达(0.86毫米波长)探测暴雨,得到的是Ze而不是Z。Ze与Z（单位体积内所有粒子直径的六次方之和）不等，Ze Z。雷达气象方程加入充塞系数订正的雷达气象方程但f通常是未知的，因此很难订正阻挡和降水空间分布导致订正充塞系数的必要性 局部充塞系数小于1的回波情况下图： 2014-7-24， 13:41:49仰角0.5度，雷达站址：南京信息工程大学上图： 2014-7-24， 00：03:26仰角0.5度，雷达站址：南京信息工程大学阻挡对雷达回波的影响雷达方程的应

6、用回波成因解释回波亮带零度层亮带成因（Bright-Band）降水的分层结构: 高层低温雪花; 低层温度高于零度,雪花融化降雨 中间层温度在零度附近,雪花开始融化外表水膜复折射指数项增大:0.180.93,Z增大,约5倍(7dB)零度层以下,完全融化,雪花小雨滴Z减小零度层以下的雨滴降落速度比上层的雪花降落快,单位体积中的雨滴数量没有降落缓慢的零度层及上层雪花的数量多 Z减小零度层下雪花融化可能破裂成为多个小雨滴, Z减小所以,在零度层以下的融化层,回波最强,高于上下层的回波,形成PPI图象上的环状(弧形)亮带. RHI上呈现近似水平的强回波带零度层亮带个例零度层亮带降雪回波中是否会出现零度层

7、亮带？出现零度层亮带回波的降水天气，未来的天气变化趋势会怎样 ？在PPI图像上，为什么零度层亮带通常呈圆环状 ？RHI图像上，零度层亮带的高度是在“零度”的高度以上吗？在出现零度层亮带的PPI图像上，能否准确地分辨出降雨区和降雪区？零度层亮带二次回波（Second-Trip Echo）二次回波二次回波如何减少二次回波 ?二次回波有什么特点？旁瓣回波（Side-Lobe Echo）RHI的旁瓣回波PPI的旁瓣回波天线旁瓣旁瓣回波成因示意图雷达站附近的旁瓣回波哪些情况下可能出现旁瓣回波？能否消除旁瓣回波？大冰雹的多次散射回波（TBSS）认识 Three-Body Scattering Spike(

8、TBSS)回波大冰雹的多次散射回波Three-Body Scattering Spike(TBSS)成因示意图大冰雹的TBSS根据TBSS的形成原理，TBSS回波的尾巴指向与雷达站有什么联系？TBSS回波的长度与哪些因素有关 ？是否所有包含大冰雹的雷暴回波图上都出现TBSS ? 回波判别（是否TBSS？）不同波长雷达的回波差异左：Ka波段雷达下：X波段雷达晴空回波（Clear-Air Echo）晴空的“散射”介质昆虫、飞鸟 产生零散的回波 回波高度有限，PPI上、近距离出现；在RHI 可能看不到回波湍流气团 湍流气团的Bragg散射。 晴空回波湍流气团的雷达反射率,是雷达波长是大气折射率结构常

9、数 是常数，L0 是湍流外尺度，M是水平折射率的垂直梯度。晴空回波用于研究大气湍流耗散率等问题晴空回波应该那种VCP模式观测？能否辨别湍流或生物回波？晴空回波鸟回波分辨回波的差异其它非气象回波地物回波同波长干扰回波地面同频点源信号太阳回波烟尘回波海浪回波公路车辆回波鸟、蝙蝠回波地物回波地面点信号源-电磁辐射太阳回波烟尘回波雷达二次产品区域拼图反射率因子Zmax拼图CAPPIVCSEtopVIL后续POH, POSH, Rainfall,TVS,MesoCyclone,VAD雷达回波的解读基本原则产品的显示方式 PPI/RHI/VCS/THI ?产品内容 基数据(Z,V,W)/二次产品 ?雷达站位置/资料时间角度(PPI-仰角)/(RHI/VCS-方位角)探测范围(半径)雷达波长参数(影响到回波强度和径向速度问题)注意颜色和数值的对应关系先关注强回波/大风速等区域雷达回波的解读回波的描述时间/位置/回波特性/演变趋势回波特性回波类型天气类型(雨/雪/冰雹)回波大体形状和结构(松散/密实