六讲雷达反射率分析与二级产品

第六讲：雷达反射率资料分析与二级产品一、雷达气象方程雷达气象方程

其中Pr表示雷达接收功率，Pt表示雷达发射功率，h为雷达照射深度，G为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，表示与复折射指数有关的系数，Z为雷达反射率，R为目标物距雷达的距离。方程中第一和第二个大括号为常数，第三个大括号对水滴为0.93，对固体水成物为0.19.方程可以简写为Z的意义：可以证明在雷莱散射条件下（D/λ≤0.13），Z为单位体积内所有降水质点直径的六次方之和。

Di6

单位为mm6/m3.Z大小与雨滴的数密度和雨滴的直径有关。例：（1）在1m3中含有一个直径为1mm的雨滴，则Z=1mm6/m3

（2）在1m3中含有1000个直径为1mm的雨滴，则Z=1000mm6/m3

（3）在1m3中含有1个直径为10mm的冰雹，则Z=1,000,000mm6/m3

（4）在10m3中含有1个直径为1mm的雨滴，则Z=0.1mm6/m3由上面四例可见：（1）反射因子Z的大小确实取决于于雨滴在单位体积中的个数和直径大小这两个因素，但雨滴直径大小是主要因素。如比较例1和例3，后者直径为前者直径的10倍，而后者的Z值却是前者的106倍！比较例1和例2，虽然后者1mm直径的雨滴个数为前者的1000倍，但后者的Z值仅为前者的1000倍。（2）雷达反射因子Z值变化范围很大，由小于等于0.1mm6/m3变化到大于106mm6/m3。在实际的雷达强度回波图象中16种色彩等级不可能显示如此巨大的变化，为此在日常工作中使用Z值的分贝单位dBz，其定义为：可见：（1）Z的大小主要与雨滴的直径有关（2）Z的动态范围很大，很难用有限的色标来表示，为此在业务工作中，经常用Z的分贝数来描述(dBZ)N(dBZ)=10lg(Z/1mm6/m3)例：Z=1mm6/m3

，则N(dBZ)=0Z=1000mm6/m3

，则N(dBZ)=30Z=1,000,000mm6/m3

，则N(dBZ)=60Z=0.1mm6/m3

，则N(dBZ)=-10

二、反射率资料分析1.形态分析：依据回波的形态推测相应的天气现象。片状：回波范围比较大，反射率分布比较均匀，反应了大片均匀的降水。片状回波片状回波Brightband零度层亮带成因块状回波:反射率值大,结构密实,梯度大,一般反映对流天气新疆石河子带状回波:一系列块状回波有组织地排列成带,一般与冷锋、飑线和切变线有关带状回波Weaklyconvectivesquallline

带状回波左图：1.0度速度图右图：带状回波左图:0.5度速度图.右图:带状回波Spiralshape螺旋雨带：反映台风降水分布Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块产生暴雨的积层混合云降水回波的典型PPI特征图Mixedshape絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块絮状回波:大范围降水回波区中嵌套一些对流回波块左:速度图右:反射率图强对流天气基本概念把只伴有阵雨的雷暴称为“一般雷暴”，而把伴有暴雨、大风、冰雹、龙卷等严重灾害性天气现象之一的雷暴称为“强雷暴”。“一般雷暴”和“强雷暴”都是对流旺盛的天气系统，所以通常将它们称为“对流性风暴”，它们产生的天气现象分别称为“对流性天气”和“强对流天气”对流性天气一般具有范围小，发展快的特点。强对流天气常发生于中小尺度天气系统，空间尺度小，一般水平范围大约在10～300千米，有的甚至只有10米～10千米。其生命史短并带有明显的突发性，常见为1～10小时，甚至几分～1小时。

雷暴的形成条件

形成强烈的积雨云需要有三个基本条件:深厚而明显的不稳定气层；充沛的水汽和足够的冲击力。1.深厚而明显的不稳定气层具有大量的不稳定能量，为强烈对流的发展提供了充足的能源。2.充沛的水汽，不仅是形成庞大积雨云体、降雨降雹的物质基础，水汽凝结时释放出的潜热还是能量的重要来源。雷鸣、闪电及强风所需的能量都是从云中水汽凝结时释放的潜热中得到的。产生的降水越多，被释放到雷暴中的能量也越多。3.大气中的常见的冲击力有:地表受热不均、地形抬升、锋面、气旋、槽线、低涡等天气系统所引起的辐合上升运动等。一般雷暴单体的生命史根据垂直气流状况,雷暴单体的生命史可分积云、成熟和消散三个阶段(见下图)。雷暴单体生命史三阶段示意图

积云阶段

积云阶段:回波顶常在-4℃～-16℃之间的高度上，回波底在O℃高度附近。初始回波形成后,随着水滴和雪花等水成物不断生成和增长，回波向上向下同时增长，但是回波不及地。在这阶段，一般没有降水和闪电。成熟阶段

积雨云阶段即雷暴成熟阶段，其标志是出现强烈的阵风以及紧跟着的降水成熟阶段主要特征是:云中除了上升气流外，局部出现系统性下沉气流，上升气流区温度比周围高，下沉气流区温度比周围低，降水产生并发展。强烈的湍流、积冰、闪电、阵雨和大风等危险天气主要出现在本阶段。同时，在云的上部，O℃等温线以上，云还在继续发展。假如云顶足够高，能达到对流层顶，它将像“铁砧”一样向外扩张。借助云砧我们可以判断高空风的走向。消散阶段

当降水发展到整个对流单体时，下沉气流逐渐扩展到整个单体，上升气流源地消失，这时对流单体就处于消散阶段了一个普通雷暴云有时只有一个雷暴单体，有时则由几个雷暴单体簇集而成，各个雷暴单体往往处在不同的发展阶段。因此，尽管每个单体的生命有限，但一个多单体雷暴云却可以存在好几个小时直到最后一个单体消失，不再产生单体时，雷暴过程才算结束。强度速度图处在不同阶段的雷暴单体a积云阶段b成熟阶段c消散阶段雷暴云中电荷分布及闪电示意图

观测表明，在雷暴云中，云的上部带正电荷，中部和下部带负电荷。云底局部带正电荷。一般认为，雷暴云中能够积累众多电荷并形成有规律分布的原因是，当云中出现冰晶和过冷水滴相碰撞，过冷水滴冻结及大水滴分裂时，由于温差电效应、冻结电效应和分裂电效应等作用，使云滴之间产生电荷交换。小云滴带正电荷，大云滴带负电荷。雷暴云中的上升气流将小云滴带到云的上部，而较大的云滴则留在云的中下部，所以雷暴云的上部带正电荷，中下部带负电荷。为了中和其间电场．将会产生放电。在大气中发生闪电，电场强度必须达到3×106V/m左右，但在云中及云体附近，电场强度达到3×l05V/m就会发生闪电。雷电可对飞机、人、畜、建筑物等带来重大危害。强风暴发展条件

雷暴的发生需要三个基本条件:丰富的水汽、大气层结的不稳定和能将气块抬升到凝结高度的对流启动机制（足够的冲击力）。一般来说，具备上述基本条件，就可以产生雷暴，但多数是生命期短，强度相对较弱的普通单体雷暴1.当环境风垂直切变很强，且中、低层为稳定层结时，原来普通的短生命期雷暴将转变为长生命期的风暴或强风暴。所以常把强的环境风垂直切变和中、低层的稳定层称为风暴发展的转换条件2.有没有干暖盖，以及干暖盖强不强，也就成为普通雷暴单体是否能够发展成强风暴的一个重要的转换条件。强对流天气一般都产生在有一定强度的垂直风切变的风场中图6-10风速垂直切变对风暴的影响如图所示，高层风速大于云内风速，低层风速小于云内风速。因此，在云体运动的前方，低层有辐合，高层有辐散，形成新的上升气流；在云体运动的后方，低层为辐散，高层为辐合，形成下沉气流。结果，在云的前方不断产生新的回波，在云的后方回波不断消散，从而使强对流天气通过这样的新陈代谢得以维持、发展和向下风方移动。强风暴生成后，如果高空为明显辐散场，或风暴内部有较强旋转上升气流或有有利地形时，强风暴将能够强烈发展起来。所以，这些条件又常称之为强对流的增强条件。强雷暴云的气流结构图6-11强雷暴云的气流结构强大的上升气流来自近地面层的暖湿气流，通常从云体右前侧流入，进入云体后倾斜上升，在云体中部上升速度最大，可达20-30m/s。上升气流到达对流顶附近减弱并分为三支:一支按惯性向云体后方运动，但因与高空风方向相反，便很快减弱下降；第二支可伸展到平流层低层。造成云顶突出的云塔；第三支则随高空强风吹向云体前方远处，形成向前延伸的云砧。下降气流一部分是由降水拖拽作用带下的下沉气流；另一部分则是由对流层中层云外流人的干冷空气，下沉气流在云底形成低空外流，朝前的这一部分最强大．对前方近地面暖湿空气起强烈的抬升作用，其余的向云后和两旁流出。Thedifferencesbetweenintenseconvectionandwarmrainprocessconvection强对流和暖云降水弱对流之间的差别强对流天气环境条件强烈风切变,高动能(CAPE)的环境,在边界层以上经常具有深厚的干燥层Mostunstableparcelisfrom~878mb强对流天气的反射率回波特征:1.V形缺口V形缺口。由于冰雹云造成的衰减，会使雹云强中心后方出现回波的V形缺口。这种V形缺口也就成为强冰雹云的一种标志。波长越短的电磁波（如3cm）受到的衰减愈明显，所以3cm雷达比10cm雷达容易看到V形缺口由于“V”型缺口回波是由于对电磁波衰减而形成的，所以对电磁波的衰减很小的10cm波段雷达，这种缺口特征基本探测不到；3cm波段雷达衰减很大，所以冰雹区的“V”型缺口经常见到；5cm波段雷达有时也能探测到这样的特征。V型缺口:由冰雹对电磁波哀减所致

2004年4月14日18：03思茅雷达强度图（仰角：1.5度）注意：在缺口顶端正对着雷达站。它是由电磁波的衰减引起的。“V“shapenotch(formedduetoattenuation)2.弓状回波

弓状回波是指快速移动的、沿运动方向突起的、类似弓形的回波。它经常与下击暴流相联系的回波。但它更典型地与一个飑线的加速部分相联系。这个加速线段部分是由于下沉的后侧入流急流冲击该线段后部而产生的。弓状回波只有在低层的探测中能看到.弓状回波邻近突起部分区域常有大风伴随弓状回波自身移动速度较大。预警这类天气须注意。强对流大风过程(弓状回波)弓状回波；伴随大风弓状回波；伴随大风弓状回波；伴随大风弓状回波；伴随大风新疆注意弓状回波特征!!弓状回波注意与弓状回波区别!!16:39基本反射率图16:39速度图由孤立风暴中的下击暴流激发而形成的弓形回波的演变模式

2002年5月27日08:55(gmt)反射率因子图2.4deg3.4deg1.5deg0.5deg20050322华南飑线雷雨大风冰雹时间：2005年3月22日10:00～15:00,地点：广东中部和北部实况：11个地市出现8级以上大风、冰雹和强降水，梅州市阴那山站测得过程全省最大阵风45.5米/秒，4个市县测得最大风速达30米/秒以上，多个测站观测到冰雹，冰雹直径为24mm左右，广州测得的冰雹直径为8mm。20050322华南飑线雷雨大风冰雹(弓状回波)广州雷达回波

广州雷达回波:弓状回波3.Hookshape钩状回波钩状回波的出现是存在中尺度气旋和龙卷的标志，因为它们往往与冰雹相伴而生，所以也是冰雹云的明显标钩状回波一般是冰雹云底部强大的旋转上升气流形成明显的入流区、弱回波穹窿在PPI中的反映钩状回波图像在强主体回波运动方向的右后方出现，下图中0.5°、1.5°仰角的图像钩状回波特征明显；2.4°、3.4°中的钩状特征已不复存在。可见，发现钩状特征，则重点在低仰角的强回波区中分析。钩状回波Hookshape钩状回波supercellHookshapeMesocyclone钩状中尺度气旋的速度回波特征4.TBSS1995年9月2日位于SiouxFalls，SD的WSR-88D0.54nm（1公里）分辨率的基本反射率数据的四幅图显示。沿顺时针方向仰角分别为0.5°（左上）、2.4°、3.4°和5.3°。十字形游标位于TBSS上。

辉斑回波(TBSS三体散射长钉）产生原因三体散射长钉是一个当雷达波束遇到非常大的湿冰雹时发生的雷达微波散射假象。相当一部分能量被散射到散射体积下面的地面。来自地面的后向散射能量返回包含水物质的散射体积，再沿着初始传输的路径被散射回雷达。产生的结果，称做“火焰”或TBSS（三体散射长钉）的虚假回波位于从强反射风暴核沿着雷达径向向外一定距离，通常具有较低的反射率因子值（一般小于20dBZ）。TBSS的长度取决于显示域值。当显示域值为5dBZ时，TBSS长度通常小于15公里。TBSS特征产生原因TBSSandhookshapeTBSS2012.4.1018：36基本反射率图WER,TBSS2012.4.1019：02基本反射率图WER,TBSSTBSS值得注意的是，由于上述TBSS回波的形成机制，一般对电磁波衰减很小的10cm波段雷达，能经常探测到TBSS回波；5cm波段对电磁波衰减比10cm波段雷达大些，所以出现TBSS回波次数较少；3cm波段雷达则很少出现。另外对同一波段雷达探测到的TBSS回波特征，高仰角的特征明显，低仰角探测的TBSS特征不明显，如下图中，0.5°、1.5°仰角的特征不明显，2.4°和3.4°的PPI图上，TBSS特征十分曲型，这是因为高仰角探测的雹区离地面较高，所以形成的“火焰”长些。5.旁瓣效应:旁瓣效应示意图TBSS,effectofsidelobe旁瓣效应andWERTBSS,WER,旁瓣效应Effectofsidelobe旁瓣效应示意图Effectofsidelobes和弱回波区6.回波波动模态（LEWP）LEWP的回波突起部分为弓形回波。此处也常伴有下击暴流，其后凹部经常伴有中气旋及其派生的龙卷。Pulsesevere突发式强对流(局地强对流)环境:高CAPE,弱切变07/08/0308时58362探空突发式强对流(局地强对流)环境:高CAPE,弱切变07/08/0314时58362探空CAPE4152J/Kg2.3辐合抬升条件07/08/0310:30上海自动站07/08/0315:06上海自动站Pulsesevere暴发式强对流(局地强对流)上海市虹桥机场雷达CR产品CR产品:2007.8.03.07:15分和上图同时刻的2度仰角PPI图像(反射率)和上图同时刻的2度仰角PPI图像(多普勒速度)20分钟后的CR图像本地生成的回波（20120609）(常州)2012年6月9日12：002012年6月9日12：292012年6月9日12：402012年6月9日13：032012年6月9日13：382012年6月9日13：152012年6月9日13：432012年6月9日13：552012年6月9日14：242012年6月9日14：242012年6月9日14：122012年6月9日14：292012年6月9日14：352012年6月9日14：582012年6月9日16：36Thebeginningofconvergenceintheclearairareaat08;17(郑州)strongconvergence(郑州)Precipitationechoappearingat10:12:50example2,theobviousconvergencesignatureshavepersistedformorethanonehour.(济南)PrecipitationechoappearingintheclearairareaDryline干线(新疆奎屯)2.结构分析依据强回波的面积、体积、强回波伸展的高度、高低仰角强回波所处的位置等，大致推测相应的天气现象。这里重点讨论强对流天气的弱回波区的成因。大量雷达探测和研究表明，对流风暴强弱最重要的特征不是回波顶高的高度，而是回波顶、高、中、低层回波在相应平面上位置的配置。TheWeakEchoRegionWERsareellipticalinshapeIsthattheshapeoftheupdraft?7.3kmAGL45dBZreflectivitycontour10km四、2013年3月19日冰雹过程WER2012.3.1919:19基本反射率图2012.3.19

19：30基本反射率图WER多普勒雷达分析16:49武汉雷达径向剖面产品0℃-20℃TBSS,effectofsidelobeandWER弱回波区TBSS,WER弱回波区,EffectofsidelobeWERandbowshape2004年5月21日冰雹过程分析EffectofsidelobesTBSS,effectofsidelobeandWERWERandeffectofsidelobesBWER有界弱回波BWER、回波悬垂比较雹云回波剖面图、探空图，可知当天08时0℃层高度约3.9km，-20℃高度约7.1km，从图上看到，强回波区分布在0℃层以上中高空，而≥60dbz的强回波区已超过-20℃的高度达8km以上高度，≥60dbz强回波区厚度达6km以上。Wide,lowertoppedsupercellupdraftFront-flankupdraftVerywideupdraftProlific5.5cmhailand45m/swinds-20°CBWER=5mimaxsizeSevereshearedupdraftintensity–BWERdetectionBWER(BoundedWeakEchoRegion)0.5°1.5°2.4°3.4°BWERsdifficulttodetectthisfaroutTypicalBWERtopnearthe-20°to-25oClevel

-20°CNeedsaconnectiontothelow-levelWERClassicsevereupdraftsignaturecaseRight-rearupdraftTypicalwidthProducedafewrecordsizedhailstonesBWER=2mimaxsize-20°CsevereupdraftsignaturecaseBWER,LowerlevelconvergenceMiddleleverpurecyclonicrotationUpperlevelpuredivergentflow

-20°C冰雹预报参量1.-10C到-30C间的CAPE2.0—6公里间风切变3.0°层高度强烈上升气流特征强烈上升气流特征(按严重程度排列):1.BWER2.WER3.强反射率回波伸展相对于0°层与-20°层的高度4.风暴顶的辐散,低层深厚的辐合带5.

StormStructureWER,BWER,mid-levelmesocyclone,inflownotchwithlow-levelstrongreflectivitygradients:allgoodindicatorsofthepotentialforstrongupdraftsandthusseverehailAslongassupercellsarenotlow-topped(examinethereflectivityabove-20oClevel),anystormwithsupercellularstructurehasthecapabilitytoproduceseverehail强风暴结构StormSummitDivergenceEx:StormTopDivergenceEx:StormTopDivergenceDivergence:

90-100ktsoutboundvs.80-90ktsinboundDivergenceElevation4.3deg.,17:23高风切变产生强对流与与脉冲风暴(局地强对流)的差别++-++-FromWilliams(1988)About-20°CAbout-10°C2002年7月19日傍晚18～21时，郑州地区大部分县市遭受了一次强对流天气袭击，分别出现了暴雨、大风和强降雹等灾害性天气。其间郑州市和所辖的部分县市最大风力达8级，大部分乡镇降了冰雹，冰雹最大直径达8厘米，持续时间在10～30分钟之间,死亡13人（其中1人受雷击死亡）.统计分析图4.12002年7月19日郑州周边地区闪电逐时分布图4.22002年7月19日郑州周边地区闪电地理分布（最大距离300km）统计分析。图4.1和图4.2分别表示当天闪电的时间分布和地理方位，可以看出闪电的时空分布都十分集中。当天闪电探测系统记录闪电总数414个，其中正闪数338个，负闪数76个，闪电平均强度3849A,正地闪就比负地闪多,这可能是当天的强对流天气异常剧烈所致(冰雹大风天气)。

正负地闪与水平风垂直切变关系图4.117月19日08时郑州站高空风垂直分布地闪与水平风垂直切变关系有关研究指出，正地闪与水平风垂直切变关系十分密切。Brook在日本雷暴中观测发现，水平风垂直切变与携带的正电荷的地闪闪击有很强的相关，风的垂直切变会使云上部的正电荷区从云下部负电荷区平移出去，这使得云上部与地球表面之间形成较强的电位梯度，导致对地放电。由郑州本站当日测风资料可以看出(图4.11)，地面及低空为偏东风，高层则吹较强的偏西风，存在明显的水平风垂直切变。而高空风速垂直变化也十分明显，500hPa风速值为16m/s，400hpa风速达到24m/s，300hPa风速值为36m/s,这样的风场有利于电荷区的重新分布、形成较强电位梯度，导致对地放电,形成正地闪。同时还有利于启动抬升机制，促使强对流爆发。武汉站测风A-8K20CAPE0.64月12日08时武汉云上部500hPa风速值为16m/s，400hpa风速达到20m/s