多普勒雷達(dá)速度圖的初步探討

鐘波，姜虹，張玉成

（牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江 157009）

多普勒雷達(dá)速度圖的初步探討

鐘波，姜虹，張玉成

（牡丹江市氣象局，黑龍江牡丹江 157009）

在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中，通過對多普勒雷達(dá)速度圖與強(qiáng)度圖的對比分析，可以了解氣團(tuán)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)，從而準(zhǔn)確的預(yù)測出暴雨、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和發(fā)展，本文簡要的闡述了速度場的分析方法和步驟以及識(shí)別速度圖的關(guān)鍵要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。

多普勒雷達(dá)；速度圖；初步探討

1 速度圖定義

多普勒雷達(dá)速度圖是利用多普勒效應(yīng)測量粒子（主要是降水粒子）的徑向速度而得到的一種基本圖像產(chǎn)品[1]。它能反應(yīng)出許多有用的信息，比如風(fēng)場的水平和垂直風(fēng)切變、風(fēng)場隨高度的變化、識(shí)別中小尺度系統(tǒng)等等。由于雷達(dá)觀測時(shí)的仰角及地球的曲率的影響使得在速度圖上離雷達(dá)越遠(yuǎn)，回波就離地面越高，所以雷達(dá)圖像反映的是以雷達(dá)站為中心的一個(gè)錐面上的回波情況，認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)在實(shí)際分析時(shí)是很關(guān)鍵的。

2 速度圖的特點(diǎn)和反應(yīng)情況

多普勒雷達(dá)測量的是粒子沿雷達(dá)發(fā)射的電磁波徑向的速度，也就是說既不是粒子的水平速度也不是垂直速度，更不是實(shí)際風(fēng)，但通常徑向速度能夠反映實(shí)際速度的水平分量。速度是矢量既有大小又有方向，規(guī)定離開雷達(dá)的速度為正，反之為負(fù)，也稱之為出流速度和入流速度。在速度圖上通常正速度用暖色調(diào)表示，負(fù)速度用冷色調(diào)表示。

速度圖是用以反演垂直風(fēng)廓線的一種工具，通過對單體風(fēng)暴和多體風(fēng)暴風(fēng)場的研究可以了解對流云團(tuán)內(nèi)部風(fēng)場結(jié)構(gòu)，通過與強(qiáng)度圖的配合使用，可以判斷出對流云團(tuán)的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程[2]。例如在勢力不穩(wěn)定情況下垂直風(fēng)切變的加強(qiáng)能促進(jìn)對流發(fā)展，導(dǎo)致生命更長的風(fēng)暴的產(chǎn)生和發(fā)展。

3 速度圖的識(shí)別步驟

3.1 看回波圖的時(shí)間

分析一張雷達(dá)速度圖，應(yīng)與強(qiáng)度和其他產(chǎn)品配合分析，但首先應(yīng)該搞清楚是何時(shí)何地的雷達(dá)產(chǎn)品。

3.2 看雷達(dá)回波的仰角和最大量程

以牡丹江雷達(dá)為例，即使是0.5°仰角觀測，在距離雷達(dá)150 km處，高度已達(dá)到了2.7 km，即大約700 HPA。因此雷達(dá)天線的觀測仰角越高即可使用的水平范圍就越小，認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)，對分析回波圖非常重要。例如在監(jiān)測一次全省范圍的降雪時(shí)，由于云層較低，在回波圖上，100 km以外就沒有回波了。因此，實(shí)際判斷是否有降水時(shí)，要結(jié)合其他資料來分析。

3.3 看速度色標(biāo)和判斷速度大小

作為一種約定俗成，規(guī)定離開雷達(dá)的速度為正，反之為負(fù)，也稱之為出流速度和入流速度。零速度的顏色最重要。在牡丹江雷達(dá)圖上零速度圖用白色表示。在看出色標(biāo)的同時(shí)應(yīng)該判斷出最大正負(fù)速度中心。

3.4 找出零等速度線和零等速度區(qū)

根椐速度圖上零等速度線和零等速度區(qū)的分布，可以反推云團(tuán)內(nèi)部風(fēng)場演變。

4 速度圖識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 零等速度線或零等速度區(qū)的識(shí)別

在速度圖上零等速度線通常呈S形、反S形、弓形等幾種形態(tài)，也可能更復(fù)雜。在實(shí)際觀測中，零等速度線（區(qū)）經(jīng)常是不完整的，需要結(jié)合背景場進(jìn)行判斷。找到零線后，首先要分析它產(chǎn)生的原因，除近處地物外，速度的方向與雷達(dá)探測的徑相垂直產(chǎn)生的零線最常見，但速度的不連續(xù)面產(chǎn)生的零線在預(yù)報(bào)中更應(yīng)該引起重視，它往往與切變或冷鋒等易產(chǎn)生強(qiáng)對流天氣的系統(tǒng)相聯(lián)系。如：冷鋒降水時(shí)通常呈“L”形，這些形態(tài)特征在大范圍降水時(shí)比較清楚，這也是重要識(shí)別指標(biāo)。

4.2 利用零等速度線或零等速度區(qū)識(shí)別風(fēng)向

假定在同一高度上的實(shí)際風(fēng)向是均勻的，從速度圖中心（天線所在位置），沿徑向畫一直線到零等速度線上的某點(diǎn)，過該點(diǎn)做一垂直于此直線的矢量，方向從入流徑向速度一側(cè)指向出流徑向速度一側(cè)，此矢量即表示實(shí)際風(fēng)向（圖1）。如果風(fēng)場是不連續(xù)的，此方法不適用。

圖1 風(fēng)向判定示意圖 圖2 利用風(fēng)速大值中心判斷某層風(fēng)向

4.3 利用最大速度中心判斷實(shí)際風(fēng)向

若某層高度有最大入流和出流徑向速度中心，從入流中心到出流中心的流線即是此高度層的實(shí)際風(fēng)向（圖2）。

圖3 大尺度連續(xù)流場速度圖分布

4.4 速度場上大尺度連續(xù)流場分析

圖3列出了大尺度流場的多數(shù)情況，上面的小方圖表示風(fēng)速隨高度的變化，從左到右分別表示：風(fēng)速隨高度不變、風(fēng)速隨高度一直增加、風(fēng)速隨高度先增加又減少、風(fēng)速隨高度先增加后減少再增加再減少；左邊表示風(fēng)向隨高度的變化情況，從上到下依次是不變、風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)、風(fēng)向隨高度先順轉(zhuǎn)后逆轉(zhuǎn)，圖中的粗實(shí)線代表“零”線，細(xì)虛線代表負(fù)速度區(qū)，實(shí)線代表正速度區(qū)。圖中的幾種情況在牡丹江的雷達(dá)圖上是比較常見的，風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)而風(fēng)速隨高度先增加后減少，它的零線基本呈S型，在兩側(cè)分別有正負(fù)速度最大值中心，這樣在圖中可分析出最大風(fēng)速所在的高度層，大風(fēng)軸（注意不一定是急流，要估計(jì)速度值后判斷）的方向，并可判斷出某處的大概實(shí)際風(fēng)向。

4.5 中小尺度系統(tǒng)分析

利用雷達(dá)監(jiān)測中小尺度系統(tǒng)，是雷達(dá)相對其他監(jiān)測手?jǐn)嗟膬?yōu)勢。多普勒雷達(dá)有了速度圖，就能監(jiān)測中小尺度系統(tǒng)，從而更好地發(fā)揮雷達(dá)的作用。但中小尺度系統(tǒng)分析也是較復(fù)雜和困難的，這里簡要介紹。利用速度對的配置可分析出8種情況[3]：氣旋式旋轉(zhuǎn)、反氣旋式旋轉(zhuǎn)、氣旋式輻散、反氣旋式輻合、氣旋式輻散、氣旋式輻合、徑向輻散、徑向輻合（圖4）。其中，氣旋式旋轉(zhuǎn)是最應(yīng)值得注意的一類，它在中氣旋和超級(jí)單體的識(shí)別等方面具有重要指示意義。

圖4 中尺度多普勒速度示意圖

5 分析速度圖要注意的幾個(gè)問題

（1）多普勒雷達(dá)探測到的速度是回波的徑向速度，并非降水粒子的實(shí)際速度。一般不能直接通過徑向速度來判斷回波的移動(dòng)。速度的移動(dòng)要通過外推法來判斷。

（2）在多普勒雷達(dá)探測徑向速度時(shí)，當(dāng)粒子的速度超過雷達(dá)探測的最大不模糊速度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)速度模糊現(xiàn)象，而“逆風(fēng)區(qū)”指在大片的正、負(fù)速度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)反向的多普勒雷達(dá)徑向速度時(shí)，此反向速度區(qū)稱之為“逆風(fēng)區(qū)”。形式上，速度模糊一般是從負(fù)速度最大變到正速度最大，或從正速度最大變到負(fù)速度最大，中間沒有“零”線，“逆風(fēng)區(qū)”正、負(fù)速度區(qū)之間一般有“零”線。速度模糊是雷達(dá)機(jī)器本身造成的，“逆風(fēng)區(qū)”是雷達(dá)對大氣的一種真實(shí)反應(yīng),“逆風(fēng)區(qū)”經(jīng)常與強(qiáng)降水相聯(lián)系。

（3）分析強(qiáng)度圖時(shí)要有空間概念，不要直觀的把它看成平面，這點(diǎn)十分重要。

多普勒雷達(dá)進(jìn)行平面掃描時(shí)，旋轉(zhuǎn)進(jìn)行采樣，采集到的是圓錐面上的資料。在分析一張速度圖時(shí)，實(shí)際分析的是仰視平面視圖上流場的三維空間結(jié)構(gòu)。在分析時(shí)應(yīng)運(yùn)用雷達(dá)測高公式，算出不同距離處的回波對應(yīng)的不同高度，然后利用高仰角雷達(dá)回波速度場資料，分析出暴雨在不同高度上的空間風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征。

[1]王新國.多普勒雷達(dá)速度圖識(shí)別之關(guān)鍵技術(shù)[J].吉林氣象，2005，1：25-27.

[2]胡明寶，高太長，湯達(dá)章.多普勒天氣雷達(dá)資料的分析與應(yīng)用[M].北京:解放軍出版社,2000：202-212.

[3]張晰瑩,金鳳嶺.新一代天氣雷達(dá)回波圖集[M].北京:氣象出版社,2005:10-17.

P412.25

A

1002－252X（2012）01－0030－03

2011－12－6

鐘波（1983-），女，黑龍江省牡丹江市人,成都信息工程學(xué)院，本科生，工程師.