多普勒天气雷达的特点及在短临天气中的应用

多普勒天气雷达的特点及在短临天气中的应用

车灵毓1，傅彩霞2

1.湖北省宜都市气象局 443300；2.湖北天地雷电科技有限公司 444300

摘要：相比于常规气象雷达，多普勒天气雷达可以探测到8-12 km之间的对流云的生成和改变，从而可以准确的预测出云的运动速率，从而降低预测的精度。因此，多普勒天气雷达的工作机理及其适用领域都有较大的发展空间。

关键词：多普勒天气雷达；特点；应用

引言

与短期预报相比，其预报时效更短，主要集中在0小时到12小时，重头戏在于对中小尺度天气系统，尤其是强对流天气系统的预报。相对于大尺度天气系统，强对流天气系统具有生命史短、突发性强等特点。其生命周期短的只有几分钟到几十分钟，最长不过十几个小时。由于生消速度快，因而难以把握。短期预报（预报时效为1天到3天）只能预报强对流天气出现的可能性，却无法预报其所带来的降雨具体落区。但提前1小时到2小时的短临预报，却可以清楚捕捉到系统所在位置，从而能够预报出降雨的落区。于是，人们就把目光转向了多普勒天气雷达，其除具备常规天气雷达的全部功能外，还能同时提供大气风场的信号。通过对气象回波进行多普勒速度分辨，可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况。多普勒作用在二十世纪70年代在军火控制、气象监测等领域得到了应用。多普勒天气雷达所发出的脉冲的长度要小于常规气象雷达，它可以根据降雨的位置和强度来进行气象特征和对流等方面的研究。

1多普勒天气雷达相关概述、特点及应用

随着科学技术的发展，多普勒雷达技术也在飞速发展，多普勒雷达技术也在逐步完善，比如多波长雷达、多极化雷达等。我们国家正在努力建设自己的完整的、能够对天气进行有效监控的雷达网络。多普勒天气雷达在空间和时间上都有着较高的解析度，可实现降雨强度和目标移动速率的实时监测。可对气象系统的发生、发展和演变进行预测；可通过实时监测天气系统运动方向，判断云体位置，配合地面人工影响天气作业，确定最佳作业时间、地点，增强人工影响天气作业效率；同时，可对降水进行定量分析与预报。由于多普勒天气雷达在气象领域的出色表现，一些国家对雷达站进行了布设，比如美国在上个世纪后期就已经开始大规模地制造多普勒天气雷达，并且形成了雷达网络。

2多普勒天气雷达在短临天气中的应用

2.1强对流天气的监测和预警

强对流包括雷暴、暴风雨、飓风、冰雹等的气象类型。灾害性对流的产生与发展，并不是没有规律性和无法预知的。而灾害天气则与强烈的上升和下沉的发展相关，同时也与强烈的上升和下沉的空气流动、周围的风切变相关。一方面，由于上升和下沉的不稳定，导致了对流的产生和发展。比如，增大了正向和下降的负浮力，可以加强大的雹暴和灾难狂风。另外，由于垂直切变场与上、下两种大气的交互作用，使其具有一定的组织性，而具有良好的组织性的暴风雨一般会维持更久，也更有可能造成持续性（或周期）的灾害。多普勒天气雷达将系统监测从单一的2D回声区到能够展示真实实体的立体虚拟物体，为追踪和预报提供了新的发展方向。通过结合强对流中心反射系数，可以直观地观测到强回声的中心，从而可以准确地判断出强对流的构造及强度，为预报台风提供了一个重要的依据。

2.2大范围降雨的监测和预警

多普勒天气雷达对其各参量进行了精确的修正和测量。根据这些资料的归纳和整理，可以对低空急流和暴雨落区进行对比。雷达在工作的时候，会对雷达的信号进行实时的校正和监控，一旦被接收设备收到，雷达就会根据不同的区域的降水量来计算降水量。多普勒天气雷达由于受云高、高风速等因素的干扰，导致预报结果与实测数据存在一定偏差。结果显示，多普勒天气雷达在气象领域的应用具有明显的现实应用价值。

2.3灾害性大风的监测和预警

灾害性大风是一种非强对流暴风雨引起的地表垂直风害。当对流暴风到达地表时，会发生辐射，引起地表强风。而在低空的低空区域，一种或多种强烈的下沉气流会引起较大的灾难，它会引起地表周围强烈的对流（辐射流），从而引发灾难。在这些低空区域内，有一股强大的下沉气流，被称为“下击暴流”。在接近地表的时候，下击暴流会产生强烈的辐射阵风，这种大风会导致像龙卷风一样的灾难。即使在较低的速度下，如果在靠近飞空港的地方出现这样的状况，也会因为其规模较小而造成较大的横向风切变，它对飞机的起降都会产生很大的影响，甚至会导致严重的灾难。大量的调查显示，许多在机场起飞和降落的飞机都是因为下击暴流所致。地表灾害是最常见的对流天气，地表垂直风蚀是由于垂直于暴雨内部的沉降而造成的。对沉降的影响主要有负热浮力、水样的自重阻力以及大气压力的垂向变化。在此基础上，负热浮的大小与降水量、大气的温度垂直递减率、夹卷过程和环境相对湿度的纵向变化有关。

在大气垂直风切变减弱时，最常见的直线风灾是由脉动暴风引起的下冲击。在这种条件下，下冲流可分成干型和湿润型。而雨下击爆流的早期警报标志为：在云底部上方，反射性系数的中心向下降低，并有向外辐射的趋势。当大气竖向风切变较大时，多单体风暴、飚线风暴和超强单体风暴是形成地表直线状的强风。两者的一个普遍的警报信号是中间的对流。此外，弧形回波是一种较常见的地表强风形式。在强对流过程中，运用多普雷天气雷达，可以对强对流的液态水进行纵向积分，从而可以显示出雨点的尺寸，从而判断暴雨、冰雹发生的可能性。

2.4大冰雹的监测和预警

冰雹的发生几率是通过多普勒雷达来判断的，然后通过仪器来判断冰雹的强度和范围，从而判断冰雹的具体位置，从而实现对强降雨的监控。如果雷达仪器的数据超过了指定的范围，则意味着强烈的对流性气候将会对人们的生活造成一定的干扰，因此必须发出警报。形成大的冰雹与暴风雨的强度、规模和相对的暴风雨流相关。而在此期间，大范围的降雪几率还与降雪的融解有关。测定大范围的冰雹最好的办法是检测反射系数（45或50 dBZ）是否可以延伸至0℃，尤其是20℃的等温线。另外，弱回波区 WER和弱回波区 BWER的波形特性较好的暴风雨更容易发生大范围的冰雹。其它衡量大范围冰雹的因素还有强烈的暴风雨顶部的辐射和与大气相关的季节大 VIL。S频带的三体散射将会清楚地说明这场大范围的冰雹。融化区的海拔也会对大范围的冰雹产生作用，当潮湿的水汽温度0℃处于2-3公里的时候，较容易发生较大的降雹。

2.5航空领域的气象预测

多普勒天气雷达的天线是按照一定的角度排列的，所以安装的天线就可以从接收器那里接收到某个特定的空间流速和位置，然后用计算机软件计算出某个理论上的风向和风速，可以用这种方法来预报大面积的风向和风速。利用多普勒天气雷达获取的实时气象资料，从而为的强对流预报提供依据。利用多普勒天气雷达的反衍技术，利用计算机软件实现了对风场的理想性分析。气象条件会严重地制约着飞机的正常运行。从航空业的角度来看，当有强烈的对流性天气时，飞机继续在空中航行，将会给飞机带来巨大的经济损害。气象雷达在预报气候方面的作用可以降低航空业的经济损耗，尤其是多普勒天气雷达，可以在一定程度上降低航空业的经济损耗。

结语

随着人类社会的发展，人类的生活水平也越来越高，多普勒雷达的出现，极大地改善了人类对气候变化的认识。新一代多普勒天气雷达在灾害性天气监测、预警方面，发挥着不可替代的作用。新一代多普勒天气雷达除能起到常规天气雷达的作用外，还可以利用物理学上的多普勒效应来测定降水粒子的径向运动速度，推断降水云体的移动速度、风场结构特征、垂直气流速度等。新一代多普勒天气雷达可以有效地监测暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的发生、发展；同时还具有良好的定量测量回波强度的性能，可以定量估测大范围降水；多普勒天气雷达除实时提供各种图像信息外，还可提供对多种灾害性天气的自动识别、追踪产品。

参考文献

[1]张晰莹，郑凯，《多普勒天气雷达与711天气雷达应用的对比分析》，黑龙江气象，2003

[2〕刘治国，何香莲，王锡稳，《兰州新一代天气雷达降水估计的误差来源》，甘肃气象，2003

[3]祁月皎，王旭，多普勒天气雷达二维理想均匀风场的数值模拟，成都信息工程学院学报，2014

[4]曹阳，机场终端区多普勒天气雷达，《通讯世界》，2017

作者简介：车灵毓（1996.07），女 ，汉族， 四川省乐山市夹江县人，大学本科， 助理工程师，从事研究方向或职业：气象观测、短时临近天气预报预警等方面的工作研究。