多普勒雷達回波在高空氣象探測中的應用

李 茂，謝近年，馬佩強，張運林

(廣東省河源市氣象局，廣東 河源 517000)

1 引言

新一代多普勒天氣雷達具有大發(fā)射功率、大動態(tài)范圍、高靈敏度等特點和優(yōu)點，是專門用于大氣探測的大氣遙感設備，是用于警戒和預報中、小尺度天氣系統(tǒng)的主要探測工具之一。多普勒天氣雷達回波不僅可以探測目標物的位置形狀尺度移動和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以確定出目標物的各種物理特性［1］。在常規(guī)高空氣象探測中，通過對實時多普勒天氣雷達回波的分析識別，判斷出強對流天氣或大范圍降水天氣系統(tǒng)未來幾小時內的強度、發(fā)展變化和移動路徑，進而估算出最有利的放球時間和探空氣球凈舉力的大小。本文通過東源探空站建站以來，在日常高空氣象探測過程中應用多普勒天氣雷達回波的實例，進行分析和總結，期望提高高空氣象探測業(yè)務質量和惡劣天氣下的探測成功率。

2 利用多普勒雷達速度圖和強度圖，估算最有利的放球時間

定時常規(guī)高空氣象觀測應在正點進行，不得早測、遲測。早測是指在規(guī)定正點時間前開始進行觀測;遲測是指超過規(guī)定正點時間5 min 以上開始進行觀測。遲測分為人為遲測和非人為遲測，凡因人為原因未能做好放球前的準備工作而造成遲測，視為人為遲測。凡因臺風、大風(14 m/s 及以上)、暴雨、暴風雪、雷達故障等原因等而造成遲測，視為非人為遲測。遲測6～30 min、31～60 min、61～75 min，均根據相應的時間段統(tǒng)計不同的錯情［2－4］。為了將錯情率降至最低并獲得及時有效的第一手高空資料，在惡劣天氣下，選擇最有利的放球時間至關重要。所謂最有利的放球時間是指:在高空探測規(guī)范允許的范圍內，運用多普勒雷達回波判斷出在正點后的某個時間點施放氣球，能保證一次性施放成功，不突失、不重放球。過去幾十年來，應對惡劣天氣下放球，探空員除了目測觀天、依靠經驗判斷，就只能多準備1～2個探空儀和氣球備用，隨時準備重放球，既浪費物力、財力，又影響取準取全實時的高空資料，還影響整個高空業(yè)務質量。新一代多普勒天氣雷達的產品豐富，每6 min 提供一次資料，我們只需觀看正點前1 h 的回波移動速度，將第一時刻取得的雷達回波圖像，向任一方向移過一定的距離，然后計算此圖像與第二時刻圖像之間的交叉相關系數，直到找到極大值，利用該極大值所對應的位移來預測下一時刻降水的位置。如圖1:按氣球350 m/s 的上升速度，在雨天要順利通過500 hPa 或5 500 m 的高度，至少需要16 min 左右，施放前仔細觀察多普勒雷達回波在A 區(qū)的移動速度，估算出下一時刻降水云層的位置，選擇出最有利的放球時間點。放球后保證氣球隨高空風飄升到B 區(qū)內是安全區(qū)，這樣施放后氣球一直處于強回波云層的前方，在16 min 可以順利取全500 hPa 的資料。

圖1 估算有利的放球時間點示意圖

例:2012年11月10日19 時探測，多普勒雷達回波圖顯示測站上空正受強對流云控制，但仔細觀察在一片強回波之后又出現了一條小的空白帶，此時圖像時間為19 時12 分，按6 min 一張圖計算，此時的準確時間是19 時06 分，此時探測工作已經全部準備就緒，在連續(xù)觀看了10 張回波圖之后，估計氣球施放后，受高空風影響氣球會處于2 塊回波云層的中間空白帶，決定選擇正點正常放球。果然，施放后3 min 之前籠罩測站上空的云層已經移出測站上空，后面空白地帶越發(fā)明顯，雨勢逐漸減弱，雷達顯示各類數據正常，升速處于7 m/s。15 min 后測站上空完全空白，氣球已經安全穿越500 hPa。此次探測的成功，在于施放前反復觀察雷達回波的移動，估算出正點放球后，有一個滿足B 區(qū)條件的安全區(qū)，果斷施放。

3 利用多普勒雷達速度圖和強度圖，估算氣球的凈舉力大小

高空氣象探測氣球有多種型號，如300 g、750 g、1 600 g 等，不管在探測中選中哪種型號的氣球，為了獲得準確的高空資料，對其升速有著嚴格的規(guī)定。在我國750 g 時氣象氣球使用最為廣泛，要求升速控制在400 m/min，過快或過慢都將嚴重影響到高空資料的質量，而升速取決于氣球凈舉力的大小，常規(guī)探空觀測是用平衡器重量(俗稱充氣嘴)+法碼重量－探空儀重量－掛繩重量［3］求得。在晴好天氣750 g 氣球凈舉力一般在1 000 g 左右為宜，如遇雷雨天氣凈舉力就要大大增加，但具體增加多少，以前只能通過目測云層，依靠經驗來充灌，由于估計不足，經常在氣球施放后，出現氣球下沉、超升速，甚至重放球等現象。隨著多普勒雷達回波在常規(guī)高空探測中的運用，在雷雨天氣或大范圍降水天氣來臨時，完全可以根據雷達回波的強弱來判斷雨勢的大小，進而選擇充灌氣球凈舉力的大小，保證合理的氣球升速。

多普勒雷達是透過量度從雨點反射回來的信號強弱來探測大氣中的降雨。信號的強弱取決于多種因素，一般來說，雨點越大越多，反射信號便越強。雷達回波分反射率圖和速度場圖，對于系統(tǒng)性降水來說，反射率在10～15 dBz 就會有弱降水發(fā)生，20～35 dBz 會有小雨，35～45 dBz 會有中雨，＞45 dBz 有大雨，50～55 dBz 有雷雨大風和冰雹［5］。

例2011年8月2日19 時探測，充灌氣球時天空晴朗(圖2)只有少量Cu 云，探空員按晴天的凈舉力標準充灌氣球，各項施放前工作準備就緒，此時天空有6 份Cu 云，但探空員目測天空西南面大面積藍天可見，估計暫時沒有天氣過程，正點時準時放球。但施放后6 min 開始下大雨，12 min 氣球升速開始減小，氣壓開始回升，雷達報警，明顯出現氣球下沉。此時打開天氣雷達回波查看，發(fā)現在施放初期，測站上空就已經形成了一塊強回波云團(圖3)，并不斷加強，移動緩慢，直到36 分(圖4)才逐漸減弱，48 分完全消亡。從圖5、圖6 的探空記錄，可以看出明顯的氣球充灌不足，凈舉力太小，氣球施放后受高空風的影響，進入強對流云團，在大雨的阻力下，氣球下沉，由于回波云團較小，移動緩慢，氣球只是和云團擦邊而過，在下沉2 min 后又上升，否則此次探測肯定是重放球。這次事故再次提醒了探空員，在放球前期對多普勒雷達回波的關注給放球帶來的重要意義。

圖2 2011年8月2日19時雷達回波圖

圖3 2011年8月2日19時18分雷達回波圖

圖4 2011年8月2日19時36分雷達回波圖

圖5 氣球升速曲線

圖6 探空曲線

4 小結

雷雨天氣給高空氣象探測帶來了不小的沖擊，尤其在南方，漫長的汛期，惡劣天氣常會與高空氣象探測時段不期而遇，雷擊、信號突失、氣球下沉、重放球等探測事故困擾著每個探空員，而多普勒雷達資料在高空氣象探測中的應用，為惡劣天氣下氣球的充灌和選擇放球的時間提供了直觀、可靠的依據，徹底解決了探空員在惡劣天氣下盲目探測的問題。

［1］呂娜，方曉紅，侯文秀，等. 一次強降雹天氣的雷達產品分析［J］. 科技資訊，2011，32:120.

［2］中國氣象局監(jiān)測網絡司. L 波段(1 型)高空氣象探測系統(tǒng)業(yè)務操作手冊［M］. 北京:氣象出版社，2005.

［3］中國氣象局. 常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務規(guī)范［M］. 北京:氣象出版社，2010.

［4］中國氣象局. 高空氣象觀測業(yè)務質量考核辦法［M］. 北京:氣象出版社，2010.

［5］吳華斌. 雷達強度圖在氣象測報工作中的簡單作用［J］.廣東氣象，2008，30.05.