氣象雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

符洪天

摘 要 簡(jiǎn)單介紹了氣象雷達(dá)概況，并從雷電、短時(shí)強(qiáng)降雨、冰雹、大風(fēng)等天氣的識(shí)別預(yù)警和雷達(dá)的預(yù)警方式等方面具體探討了新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，以期不斷提升氣象雷達(dá)產(chǎn)品在天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的有效利用率，從而為氣象預(yù)報(bào)預(yù)警提供十分有價(jià)值的指導(dǎo)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 雷達(dá)產(chǎn)品；強(qiáng)對(duì)流天氣；觀測(cè)預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：P457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.21.079

三亞市位于熱帶島嶼海南島的最南端，地理坐標(biāo)為北緯18°09′34″～18°37′27″、東經(jīng)108°56′30″～109°48′28″。三亞市北靠高山，南臨大海，地勢(shì)自北向南逐漸傾斜，形成一個(gè)狹長(zhǎng)狀的多角形。三亞市地處低緯度，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，氣候復(fù)雜多樣，強(qiáng)降雨、大風(fēng)、雷電、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣較多，這些災(zāi)害性天氣給當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全以及正常的農(nóng)業(yè)、漁業(yè)生產(chǎn)、旅游發(fā)展均造成嚴(yán)重的威脅，特別是每年夏季，強(qiáng)對(duì)流天氣的出現(xiàn)率較高，由此所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失也在逐漸攀升，所以廣大群眾對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警等氣象服務(wù)的需求日益突顯。

為了滿足海南省三亞市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣應(yīng)對(duì)服務(wù)的迫切需求，海南省于2004年斥巨資投入3臺(tái)多普勒天氣雷達(dá)，分別布設(shè)在?？?、三亞以及西沙三個(gè)地方，其中三亞多普勒天氣雷達(dá)主要放置在鹿回頭山頂。多普勒天氣雷達(dá)的使用解決了三亞原有天氣雷達(dá)探測(cè)距離不足的問題，提升了強(qiáng)對(duì)流天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。2012年，三亞新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，該天氣雷達(dá)系統(tǒng)是海南省防災(zāi)減災(zāi)體系的重要構(gòu)成部分，同時(shí)也是中國(guó)氣象局規(guī)劃布網(wǎng)天氣雷達(dá)之一[1]。該雷達(dá)的建設(shè)對(duì)于提升海南島地區(qū)，特別是海南島南部以及海地區(qū)熱帶氣旋、局地暴雨以及雷暴等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警和服務(wù)能力，對(duì)三亞經(jīng)濟(jì)建設(shè)、海南國(guó)際旅游島服務(wù)和重大社會(huì)活動(dòng)提供優(yōu)質(zhì)的氣象保障。基于此，對(duì)氣象雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，從而不斷提高災(zāi)害性天氣預(yù)警水平。

1 氣象雷達(dá)概況

氣象雷達(dá)是主要用于探測(cè)中、小尺度天氣系統(tǒng)的儀器。常規(guī)雷達(dá)探測(cè)主要是憑借云雨目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)所發(fā)射電磁波的散射回波探測(cè)垂直結(jié)構(gòu)、空間位置以及強(qiáng)弱分布等內(nèi)容。而新一代氣象雷達(dá)系統(tǒng)的建設(shè)是近年來中國(guó)非常重要的氣象現(xiàn)代化工程，該系統(tǒng)不但可以當(dāng)作常規(guī)天氣雷達(dá)使用，而且在常規(guī)天氣雷達(dá)功能的基礎(chǔ)上，還可以依靠多普勒效應(yīng)測(cè)量降水粒子的徑向移動(dòng)速度，估算降水云的速度、風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征和垂直氣流速度。新一代氣象雷達(dá)能夠有效監(jiān)測(cè)雷暴、冰雹、暴雨、強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣的發(fā)生和發(fā)展，它還具有很好的定量測(cè)量回波強(qiáng)度的能力，并且可以定量估計(jì)大范圍降水。除了實(shí)時(shí)提供各種類型的圖像信息外，新一代天氣雷達(dá)還可以提供對(duì)各種惡劣天氣自動(dòng)識(shí)別和追蹤的產(chǎn)品。新一代氣象雷達(dá)產(chǎn)品主要反射率因子、平均徑向速度和光譜寬度、垂直累積液態(tài)含水量（VIL）等。

2 新一代氣象雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1 反射率因子產(chǎn)品

反射率因子產(chǎn)品可以直觀地顯示降水回波的變化特征、強(qiáng)度以及雨季的移動(dòng)發(fā)展等，并且可以用于研究積云、層狀云、混合云系和鋒面、颮線等天氣特征的明確判別。所以，在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中，反射率因子產(chǎn)品被廣泛使用。反射率因子產(chǎn)品的特點(diǎn)可以更好地為雷暴、冰雹、強(qiáng)降雨以及大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)提供有價(jià)值的科學(xué)指導(dǎo)。

2.1.1 基本反射率

基本反射率通常指的是在雷達(dá)體積掃描過程中，對(duì)各個(gè)掃描仰角顯示回波強(qiáng)度（dBZ）的圖像產(chǎn)品進(jìn)行顯示，分辨率涵蓋1 km、2 km或4 km，距離范圍涉及

230 km或460 km，圖像等級(jí)可以分為8和16兩類，隨著觀測(cè)模式的改變，等級(jí)值也發(fā)生相應(yīng)地改變。基本反射率產(chǎn)品大都用于估算降雨量、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、冰雹潛勢(shì)以及確定邊界層位置。該產(chǎn)品對(duì)各類雷雨、暴雨、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)的應(yīng)用非常有利[2]。

2.1.2 回波頂高與組合反射率因子

回波頂高通常指的是當(dāng)觀測(cè)到回波強(qiáng)度>18 dBZ的反射率因子時(shí)，與其相對(duì)應(yīng)的上空雷達(dá)可以探測(cè)到最高仰角的回波位置的高度?；夭斣礁?，則系統(tǒng)強(qiáng)度越強(qiáng)。一般而言，在天氣預(yù)報(bào)中，如果回波頂部高度大于指定的閾值，則表示會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣。但由于存在雷達(dá)靜錐區(qū)，雷達(dá)周圍的回波頂有時(shí)估計(jì)太低。并且由于缺乏科學(xué)有效的垂直外推法，通常很難準(zhǔn)確確定風(fēng)暴的最高回波頂。組合反射率因子是垂直空氣柱內(nèi)的最大反射率因子投影在笛卡爾網(wǎng)格點(diǎn)上的產(chǎn)品，其主要表現(xiàn)出一個(gè)體積掃描中最大反射率因子的分布。由于CR產(chǎn)品可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)強(qiáng)中心的回波區(qū)域位置作出準(zhǔn)確及時(shí)的判別，增加了CR產(chǎn)品也可準(zhǔn)確定位出強(qiáng)對(duì)流回波。

2.1.3 強(qiáng)回波比例

在發(fā)生雷暴天氣時(shí)，對(duì)于第一次出現(xiàn)閃電時(shí)間的預(yù)報(bào)能夠依據(jù)發(fā)展中的雷暴單體在0 ℃高度40 dBz以上和回波占25 dBz以上回波的體積百分比。據(jù)一些研究成果顯示可知，在電荷分離過程中起到重要作用的冰相粒子，會(huì)由于其所處的環(huán)境而出現(xiàn)不一樣的起電極性和效率，例如，它們會(huì)受到溫度、濕度以及液態(tài)水含量等相關(guān)條件的影響。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者認(rèn)為，第一次放電的時(shí)間在液態(tài)水含量增加的狀況下會(huì)有所延遲，而放電的位置會(huì)有所降低，雷電頻率也會(huì)有所減少。

2.2 平均徑向速度產(chǎn)品

平均徑向速度通常顯示整個(gè)360°方位體積掃描的徑向速度數(shù)據(jù)，徑向速度主要是云雨粒子的運(yùn)動(dòng)速度在雷達(dá)徑向上的分量。徑向速度可以導(dǎo)出大氣結(jié)構(gòu)和風(fēng)暴結(jié)構(gòu)，也可以助力高空天氣分析圖的生成、調(diào)整和更新等。徑向速度產(chǎn)品是強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的重要參考，對(duì)天氣條件的分析和天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性影響很大。與普通氣象雷達(dá)相比，新一代氣象雷達(dá)具有實(shí)現(xiàn)風(fēng)矢量徑向分量獲取的主要優(yōu)勢(shì)，為雷暴、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供了有效的工具。

2.3 譜寬數(shù)據(jù)

譜寬數(shù)據(jù)實(shí)際上指的是速度譜寬度數(shù)據(jù)，即一個(gè)對(duì)速離散量的度量。它可以提供由風(fēng)切變，湍流以及速度樣本質(zhì)量形成的平均徑向速度變化的觀測(cè)值。此外，它也可以用來對(duì)定邊界的位置進(jìn)行確定，檢查徑向測(cè)量的有效性，并對(duì)湍流的大小進(jìn)行估測(cè)，為強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供參考指導(dǎo)。

2.4 垂直累積液態(tài)含水量（VIL）

垂直累積液態(tài)含水量（VIL）通常表現(xiàn)在降水云體中，在一些確定的底面積格點(diǎn)區(qū)域的垂直柱體內(nèi)液態(tài)水總量分布的圖像產(chǎn)品，這是判斷強(qiáng)對(duì)流天氣，防止產(chǎn)生冰雹災(zāi)害的一類有效手段。垂直累積液態(tài)含水量（VIL）從被提出到現(xiàn)在，大都用來判別強(qiáng)對(duì)流天氣所產(chǎn)生的暴雨、冰雹等天氣現(xiàn)象。早期對(duì)冰雹回波的分析判別，往往使用雷達(dá)回波參數(shù)，憑借單因子、雙因子點(diǎn)聚圖識(shí)別以及多因子組合參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，并且依據(jù)回波的形態(tài)特征對(duì)冰雹進(jìn)行判斷。近些年來，伴隨著垂直累積液態(tài)含水量的提出及其在氣象觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的發(fā)展應(yīng)用，VIL已經(jīng)慢慢發(fā)展成為對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度做出預(yù)測(cè)判斷的一個(gè)十分重要的參考依據(jù)，為冰雹災(zāi)害的觀測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)提供極為有利的指導(dǎo)依據(jù)。

3 結(jié)語

新一代天氣雷達(dá)是目前具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的雷達(dá)，可以對(duì)天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，并有自行標(biāo)校功能，保證雷達(dá)的測(cè)量精度。新一代天氣雷達(dá)具有傳統(tǒng)雷達(dá)的各類功能，而且它對(duì)云層的分辨率更高，具備極好的定量測(cè)量回波強(qiáng)度的性能，對(duì)雷電、暴雨、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生、發(fā)展均能夠有效監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)預(yù)警。新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品不但可以實(shí)時(shí)給予各類天氣圖像信息，而且還可以提供對(duì)多類災(zāi)害性天氣的自動(dòng)識(shí)別以及追蹤產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣志，程明虎，周燕.應(yīng)用雷達(dá)資料的臨近預(yù)報(bào)方法對(duì)比試驗(yàn)[J].氣象科技，2013，41（3）：516-521.

[2] 任得萍，趙文杰，嚴(yán)玉霞，等.新一代天氣雷達(dá)產(chǎn)品在臨近天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].自然科學(xué)，2018（3）：256.

（責(zé)任編輯：劉昀）