新一代天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)中的應(yīng)用

陳超

（鹽城市大豐區(qū)氣象局，江蘇 鹽城 224100）

鹽城市隸屬于江蘇省，地處中國(guó)東部沿海、江蘇省中部，東邊靠近黃海，地理坐標(biāo)處于32°34′N—34°28′N，119°27′E—120°54′E之間。鹽城市氣候具備過渡性特點(diǎn)，通常將蘇北灌溉總渠作為分水嶺，在分水嶺北邊為南暖溫帶氣候，南邊為北亞熱帶氣候。鹽城市總體受季風(fēng)氣候的影響比較顯著，夏季在副高的作用下，天氣炎熱且多偏南風(fēng)，氣候溫暖濕潤(rùn)，降水量豐富，冬季受歐亞大陸冷氣團(tuán)影響，盛行偏北風(fēng)且多寒冷天氣。近年來，在全球變暖加劇的背景下，江蘇省鹽城市經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣，如冰雹、雷電、短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)等天氣頻發(fā)，這些復(fù)雜天氣往往給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不同程度的危害。尤其是夏天，強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率特別大，由該天氣現(xiàn)象造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大。社會(huì)大眾對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)服務(wù)需求也在增加。為了滿足鹽城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中預(yù)防災(zāi)害性天氣的需要，鹽城市高度重視氣象探測(cè)工作的開展，適時(shí)啟用新一代氣象雷達(dá)。新一代天氣雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲得高精度的強(qiáng)對(duì)流天氣過程和相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)信息，大大提高了雷暴、冰雹、大風(fēng)等天氣的監(jiān)測(cè)能力，在天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警、人工影響天氣作業(yè)等氣象業(yè)務(wù)中起到特別關(guān)鍵的作用。本文重點(diǎn)探究了新一代天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)中的應(yīng)用，以期進(jìn)一步提升強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)水平。

1 強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象

強(qiáng)對(duì)流天氣是氣象領(lǐng)域中極為復(fù)雜的天氣現(xiàn)象，一般在短時(shí)間內(nèi)突然發(fā)生，伴隨著劇烈的運(yùn)動(dòng)，對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全有極大的破壞力。冰雹與暴雨是典型的強(qiáng)對(duì)流天氣類型。一般強(qiáng)對(duì)流天氣水平范圍較小，在200～3 003 km之內(nèi)，因此強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)是中小范圍的天氣系統(tǒng)。氣象雷達(dá)產(chǎn)品是通過電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備，在氣象領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。研究分析天氣雷達(dá)的反射波，有利于對(duì)天氣的實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，科學(xué)合理預(yù)測(cè)天氣發(fā)展的趨勢(shì)，可以比較直觀地觀察到天氣變化及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行快速識(shí)別及預(yù)測(cè)。在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中應(yīng)用氣象雷達(dá)產(chǎn)品，有利于對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、跟蹤及預(yù)報(bào)，有利于提升強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

2 新一代天氣雷達(dá)概述

以往的普通天氣雷達(dá)的探測(cè)原理是借助于云雨目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波的散射回波來分析判斷其空間區(qū)域、垂直結(jié)構(gòu)、強(qiáng)弱分布情況等。從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，新一代氣象雷達(dá)系統(tǒng)成為中國(guó)氣象服務(wù)現(xiàn)代化非常重要的建設(shè)項(xiàng)目。新一代天氣雷達(dá)的應(yīng)用不但可以發(fā)揮過去普通天氣雷達(dá)的作用，同時(shí)還能夠憑借物理多普勒效應(yīng)來對(duì)降水粒子的徑向移動(dòng)速度進(jìn)行有效把控，然后掌握降水云的移動(dòng)速度、垂直氣流速度以及風(fēng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特征。多普勒雷達(dá)作為新一代雷達(dá)，它可以高質(zhì)量地顯示強(qiáng)降雨、雷電，大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生發(fā)展趨勢(shì)，還具備定量評(píng)估降水、測(cè)量回波強(qiáng)度的性能。多普勒雷達(dá)不僅能夠?qū)崟r(shí)給予各類天氣圖像信息，而且還能夠?yàn)楦黝悶?zāi)害性天氣給予識(shí)別以及跟蹤的雷達(dá)產(chǎn)品?？偟膩碚f，多普勒雷達(dá)產(chǎn)品大致涵蓋兩個(gè)部分，即基礎(chǔ)產(chǎn)品與導(dǎo)出產(chǎn)品?；井a(chǎn)品涵蓋三種類型：反射率因子、平均徑向速度和譜寬。導(dǎo)出的產(chǎn)品包括組合的反射率因子、速度、回波頂以及垂直液態(tài)水含量（VIL）等產(chǎn)品[1]。

3 新一代天氣雷達(dá)在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)中的應(yīng)用

3.1 反射率因子產(chǎn)品

新一代天氣雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品不但能夠?qū)涤甑膹?qiáng)度、回波的變化以及動(dòng)態(tài)趨勢(shì)等信息進(jìn)行直觀體現(xiàn)，同時(shí)還能夠?qū)︼R線、層云、積云、鋒面等天氣學(xué)特點(diǎn)作出準(zhǔn)確的識(shí)別。氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)人員可以通過雷達(dá)反射率因子對(duì)回波的強(qiáng)度作出判斷，從而來預(yù)報(bào)冰雹、雷電、短時(shí)強(qiáng)降水、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣，還可以結(jié)合反射率因子隨時(shí)間的變化來判斷降水回波動(dòng)態(tài)變化情況。所以，在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)中，雷達(dá)反射率因子產(chǎn)品應(yīng)用效果顯著，反射率因子產(chǎn)品的特征能夠較好地為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)帶來有利的指導(dǎo)依據(jù)。

3.1.1 基本反射率

基本反射率表示的是在雷達(dá)體積掃描的時(shí)候所展現(xiàn)的各掃描仰角的回波強(qiáng)度（dBz）的圖像產(chǎn)品。分辨率涉及到1 km、2 km或4 km。距離范圍包含230 km或460 km。圖像級(jí)別包含2類：8與16，級(jí)別值伴隨氣象探測(cè)模式的變化而產(chǎn)生變化?；痉瓷渎手饕δ苁菍?duì)冰雹潛力、雨雪強(qiáng)度、風(fēng)暴結(jié)構(gòu)、邊界層所處區(qū)域的判斷?；景l(fā)射率對(duì)于雷暴、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)應(yīng)用非常有益。

3.1.2 強(qiáng)回波比例

如果出現(xiàn)雷暴天氣，則第一次雷擊時(shí)間的預(yù)測(cè)可依據(jù)0℃以上40 dBz高度處正在發(fā)展的雷暴單體與回波占25 dBz以上回波的體積的百分比來判斷。相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)，對(duì)電荷分離有重大影響的冰相顆粒因?yàn)槠渌诃h(huán)境濕度、溫度等條件的不同而具有不同的電極性和效率。

3.1.3 回波頂高與組合反射率因子

回波頂部的高度主要表示是在監(jiān)測(cè)到強(qiáng)度超過18 dBz的反射率因子的時(shí)候，其上方的雷達(dá)能夠獲取到的最高仰角的回波區(qū)域所對(duì)應(yīng)的高度。通常情況下，回波頂部愈高，那么系統(tǒng)的強(qiáng)度便愈強(qiáng)。在氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)工作中，若回波高要超出指定的閾值，那么便意味著即將會(huì)面臨雷電、強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。然而，因?yàn)槔走_(dá)靜錐區(qū)的存在，有時(shí)會(huì)低估雷達(dá)周圍的回波頂。同時(shí)，因?yàn)榇怪蓖馔品椒ㄝ^少，往往無法對(duì)風(fēng)暴的最高回波頂部進(jìn)行精準(zhǔn)地判斷。組合反射率是將垂直空氣列中的最大反射率因子投影到網(wǎng)格點(diǎn)上的產(chǎn)品，它反映了1個(gè)體積掃描中最大反射率因子的具體狀態(tài)。依靠CR產(chǎn)品能夠盡可能地在短期內(nèi)判斷強(qiáng)中心回波的位置，具有高度顯示功能的CR產(chǎn)品也可以準(zhǔn)確地確定強(qiáng)對(duì)流回波，這非常有利于強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)預(yù)警[2]。

3.2 平均徑向速度

徑向速度是云和雨粒子在雷達(dá)徑向上移動(dòng)速度的組成部分。平均徑向速度反映了360°方位角體掃的徑向速度數(shù)據(jù)[3]。通過這些能夠獲取風(fēng)暴以及大氣結(jié)構(gòu)，還有利于高空分析圖的形成以及優(yōu)化?？梢哉f，此產(chǎn)品屬于現(xiàn)階段強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)服務(wù)中不可獲取的指導(dǎo)資料之一，它對(duì)剖析天氣形勢(shì)以提升氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度作用較大。將新一代天氣雷達(dá)與以往的天氣雷達(dá)進(jìn)行比較來說，最大優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)矢量在徑向上分量的獲取，這為強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)提供了有利工具。

3.3 譜寬數(shù)據(jù)

譜寬數(shù)據(jù)表示速度頻譜寬度數(shù)據(jù)，屬于離散速度量的度量。其能夠觀察湍流、風(fēng)切變以及速度質(zhì)量而引起的平均徑向速度的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。此外，還能夠了解邊界的位置（密度不連續(xù)），判斷湍流的大小以及檢查徑向量的有效性，為強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)服務(wù)提供指導(dǎo)。

3.4 垂直液態(tài)含水量（VIL）

垂直液態(tài)水含量（VIL）是在降水云中某個(gè)底部區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的垂直圓柱體中的總液態(tài)水分布的圖像產(chǎn)品，它是確定冰雹、大風(fēng)、降水等對(duì)流性天氣以及防雹減災(zāi)的重要指導(dǎo)依據(jù)。自從提出垂直累積液態(tài)水含量（VIL）以來，它主要用于區(qū)分強(qiáng)對(duì)流天氣引起的惡劣天氣，例如大雨、冰雹等復(fù)雜天氣。在冰雹回波的初期分析中，可以通過雷達(dá)回波參數(shù)、多因素、雙因素、單因素等參數(shù)來分析天氣，且結(jié)合回波的形態(tài)特征識(shí)別冰雹災(zāi)害。隨著VIL產(chǎn)品在氣象探測(cè)中的普及應(yīng)用，VIL產(chǎn)品開始漸漸變成判斷對(duì)流風(fēng)暴強(qiáng)度極其關(guān)鍵指標(biāo)，它為冰雹預(yù)報(bào)服務(wù)帶來有價(jià)值的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，新一代氣象雷達(dá)相對(duì)于普通雷達(dá)而言，圖像分辨率更高，且在定量測(cè)量回波強(qiáng)度方面性能好，可以較好地對(duì)冰雹、強(qiáng)降水、大風(fēng)、雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的形成以及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及預(yù)報(bào)服務(wù)。新一代氣象雷達(dá)可以實(shí)時(shí)提供各種圖像信息，還可以提供自動(dòng)識(shí)別和識(shí)別的功能，在強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中起著非常重要的作用。