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氣象雷達回波

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氣象雷達回波是由雷達發射、經大氣及其懸浮物散射而返回被雷達天線所接收的電磁波。不同的降水系統,雷達回波有不同的特徵。

1 氣象雷達回波 -氣象雷達回波

 

2 氣象雷達回波 -正文

  由雷達發射、經大氣及其懸浮物散射而返回被雷達天線所接收的電磁波。它可以在熒光屏上顯示出來。大氣中使電磁波散射的成分,有雨滴、雲滴、冰晶、雪花、冰雹、塵埃和折射率分佈很不均勻的空氣等。
  回波的測定  雷達發射的是間斷的電磁波束(脈衝),它在空間佔有體積V,當這一波束進入雲雨中時,只有V/2(有效散射體積)的粒子的後向散射,能夠同時到達雷達天線處而構成氣象雷達回波。利用氣象雷達方程給出的回波功率同雷達特性參數和有效散射體積內粒子散射之間的關係,就可以根據氣象雷達回波對雲和降水等進行定性和定量研究。
  回波的分類  不同的降水系統,雷達回波有不同的特徵。
  冷鋒回波  通常由緊密排列成帶的許多回波單體組成(圖1),當冷鋒由遠處移至距雷達站約 300公里時,在平面位置顯示器 (PPI)上,一般先能看到排成一行的離散回波塊。這是由於地表曲率和大氣折射(見無線電波在對流層中的折射)的原因,即使以接近0°的仰角發射的波束,在300公里處,也只能探測到雲體的較高部分。當冷鋒移近時,雷達波束能夠掃視到雲的下部比較寬大的部分,這時,回波帶中的單體變大,形成一條比較連貫的回波帶。在冷鋒經過雷達站而向遠處移去時,回波的變化則與上述過程相反。通常,一個完整的冷鋒降水系統的長度,可以達到600公里以上,因此一個天氣雷達站僅能探測到整個冷鋒系統的一部分。有時雷達觀測到的冷鋒系統不止包含一條雨帶。冷鋒的回波帶一般自西北向東南方向移動,但鋒前或冷鋒上空的暖區常吹西南風,因而回波帶中的單體常向東北或偏東方向移動,與回波帶的整體移動方向之間有一夾角。
  冷鋒回波單體的垂直結構,和移動性孤立雷暴相似。在中國,這種回波單體頂部通常在七、八公里以上。在快速移動的冷鋒中,單體的前上部存在較大的雲砧。單體總是處在不斷的新生、發展和消散之中,生命周期約為數十分鐘,而整個冷鋒回波帶的生命期則長得多。
  在氣團內部出現的颮線雷暴帶,其回波結構和冷鋒回波帶很相似,但移動速度較快。有時在雷達屏幕上可以同時出現兩條以上的颮線回波帶。
  暖鋒回波  由範圍較大的連續性降水構成。暖鋒降水區域幾乎總是超過一個雷達站的有效視野範圍,因此在平面位置顯示器上只能看到降水區域的一部分。在穩定性暖鋒降水區中,屏幕上的回波連接成片,邊緣呈絲縷狀或棉絮狀,強度分佈相當均勻;在不穩定性暖鋒降水區,則在大片均勻的降水回波中,夾雜有較強的對流單體。這些回波單體的移動方向,與整個降水系統的移動方向可能略有差別。仔細觀測這些較強單體的位置,可以看出,它們通常也是排列成帶的(圖2)。

 

  在距離高度顯示器 (RHI)上的回波圖象中,可以看到對應於大氣溫度為0℃的高度附近的強回波帶,稱為零度層亮帶(圖3)。它的形成是由於緩慢降落的冰晶和雪花在零度層附近發生表面融化而使反射率增大的結果。在亮帶下面,粒子融化成雨滴,下落速度較大,使粒子濃度減小,反射率降低。雷達屏幕上觀測到的零度層亮帶,可估計0℃層的高度,也可在一定程度上驗證大氣的穩定性。在不穩定性暖鋒降水的距離高度顯示器回波圖象中,可以看到水平的零度層亮帶和垂直柱狀的對流單體回波結構同時存在。此外,在雷暴減弱之後的殘餘降水中,也可看到零度層亮帶。暖鋒系統降水強度的變化較緩慢,雷達回波的時空變化也較小,這有利於驗證降水強度和回波功率之間的定量關係。
  低氣壓系統回波  與大尺度低氣壓(見氣旋)降水系統相聯繫的回波,範圍很廣。在雷達的探測能力所及的範圍內,回波大致連成片,但強度結構很不均勻,如棉絮狀。這類回波的延續時間較長。
  氣團內部熱對流雷暴回波  這種雷暴產生在氣團內部,其對流單體的回波在平面位置顯示器上常呈零散無規則的分布圖(圖4)。這種對流回波塊常出現在平原中的山丘或湖面上的島嶼上空,對流單體的尺度,通常在幾公里至十幾公裡間,生命周期約數十分鐘。

 

  颱風回波  颱風是強對流天氣系統,在雷達平面位置顯示器上,可以比較清晰地看到颱風回波的特徵結構(圖5)。在颱風中心前面約400~600公里處,常有一些強對流回波帶,稱為颱風前颮線回波帶。其走向大致和颱風中心的移動方向相垂直,但其移動方向則與颱風中心的移動方向一致。在颮線回波帶後面的颱風眼周圍兩三百公里以內,有大片的連續性降水回波和螺旋狀分佈的對流性降水回波。這一區域是颱風的主要降水區。螺旋雨帶以颱風眼為中心,呈多條對數螺線狀排列。仔細地觀測螺旋雨帶中各單體的運動路徑,可以發現,單體的運動軌跡與瞬時的螺旋線走向不一致,而是近似地圍繞颱風眼作圓周運動,並緩慢地趨近中心。在螺旋雨帶的中心,有一個圓形的圍繞無回波空洞的強回波圈,稱為颱風眼壁回波。在此眼壁位置上,對流發展最為旺盛,回波頂部高達十餘公里。在眼壁回波以內的無回波區,與颱風眼中的晴空相對應。在很多情況下,眼壁回波不是完整的,呈帶缺口的圓環狀。颱風登陸后,逐漸減弱,颱風眼逐漸被降水回波所填塞,颱風雨帶的螺旋狀特徵也逐漸消失,轉變為大片的低壓降水回波。
  通過對氣象雷達回波的觀測,可以較早地發現颱風和確定颱風中心的位置,探測颱風雨帶中各部分的降水強度和風速,並可研究這種強對流風暴的詳細結構。
  強雷暴回波  不論是孤立的或夾雜在對流降水系統中的強雷暴單體,常有下列顯著的特徵:回波強核(回波最高的區域)的反射率很大;單體的水平尺度也較大,一般為10~30公里,在距離高度顯示器上,回波主體呈直立粗柱狀,頂部達對流層頂,有時可達平流層下部;雲體上部有向前方伸展的雲砧,還有自砧部下垂的前懸回波;自前方低層流入的空氣構成上升氣柱,在雲中造成弱回波穹窿;單體中持續的強降水主要出現在入流上升區域的後面,構成回波強度很大而形態陡直的「回波牆」(圖6);有時還可看到因過強的回波信號進入天線旁瓣而造成的尖頂狀回波,出現在主體強回波核的正上方。這一類強雷暴,不僅產生閃電、雷雨、陣性大風,還可能產生冰雹和龍捲。通過對雷達回波的分析,可以判斷由一般對流雲過渡到強雷暴的階段,但單純根據回波形態結構,難以可靠地判斷一個強雷暴雲是否會產生龍捲或地面降雹。普遍認為,回波頂的高度和強回波核的反射率能較好地用作識別冰雹雲的判據。例如,中國的華北地區,夏季雹雲的回波頂常出現在10~12公里的高度,災害性雹雲中強回波核對3厘米雷達的反射因子(見氣象雷達方程),常超過104毫米6/米3

 

  其他回波  用雷達觀測非降水雲時,由於雲滴尺度較小,常須採用毫米波才能有效地接收回波信號。在具體的應用中,常將天線垂直指向天頂,以測量雷達站上空的雲的下界和上界。此外,毫米波雷達還有利於觀測降水粒子的初生及這種粒子區域的擴展,對於降水機制的研究是很有價值的。
  在靈敏度較高的氣象雷達顯示器上,偶爾能觀測到某些並非由水汽凝結體產生的回波。由於以前未能解釋此類回波的起因,它們曾被稱為「仙波」。這種回波有的是飛鳥或昆蟲引起的,有的是由折射率分佈強烈不均勻的晴空大氣所產生的(圖7)。在厘米波段的氣象雷達上,觀測到的晴空回波主要出現在消散期雷暴前方的鋒面上或低空的逆溫層附近。晴空回波主要用甚高頻和超高頻多普勒雷達和調頻連續波雷達進行探測和研究。
  回波的利用  雷達所接收到的回波系雷達波所照射的空間有效散射體積中所有散射元(如雲和降水粒子)的回波的總和,由於散射元之間的相對位移,到達雷達天線處的回波具有不同相位,這些波疊加的結果,造成了回波的隨機起伏。分析起伏參數,可以得到關於粒子的運動信息和被測空間的湍流強度。

 

3 氣象雷達回波 -配圖

 

4 氣象雷達回波 -相關連接

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