浅谈多普勒雷达在短时临近天气预报中的应用

马宇琪

摘 要 多普勒天气雷达具有较高的时空分辨率，夏季强对流天气的预警主要依靠多普勒天气雷达的实时监测，在短时临近天气预报中作用巨大。洛阳机场不仅负责洛阳地区航班运输任务，还有大量的飞行训练，训练飞机机型较小，对天气较为敏感，利用多普勒雷达进行短时临近预报在保障飞行安全工作中具有重要意义，尤其在夏季雷雨多发季节。所以本文简单探讨多普勒天气雷达在短时临近预报中的应用。

关键词 多普勒雷达;短时临近预报;飞行训练

引言

随着我国航空事业的发展，航班架次逐年增加，为人们的出行带来极大方便。在重视航空业发展的同时，航班延误这一问题越来越被人们所重视，在众多航班延误原因中，气象原因对航班的影响较大，同时，洛阳机场飞行训练任务较多，飞行训练飞机较小，对天气较为敏感，所以利用多普勒雷达进行短期临近预报，对降低航班延误率，保障飞行安全具有重要意义。

多普勒雷达具有很高的时空分辨率，不仅能够测量降水的强度分布，还能推算出雨带的运动速度。夏季强对流天气多发，多普勒雷达能够及时检测到中小尺度天气系统的发生、发展和演变，同时，多普勒雷达的高扫功能，能够探测出目标云体的高度及强度中心，对判断强天气种类及人工影响天气作业具有重要意义。

1多普勒雷达技术概述

多普勒雷达的工作原理可表述如下：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率[1]。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度和强度;根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。从而确定物体所在位置、移动方向、强度等信息。随着雷达技术的不断发展，多普勒雷达在短时临近预报中的作用越来越大。

2多普勒雷达在短时临近预报中的应用

2.1 根据回波特征分析

多普勒雷达根据接收到的回波特征分析：层状云水平范围广，降水具有均匀连续的特点，可持续数日，降水量大，在雷达上呈现片状或块状，回波顶高度较低，多伴随稳定型天气。积状云云顶高度较高，发展旺盛的积雨云顶可达万米高空，云中上升下降气流交换强烈，在雷达上呈现团状，此类云对飞行安全威胁较大，飞机误入积雨云中，可引起飞机强烈的颠簸，影响飞机操作性，损坏飞机仪器设备。所以在夏季强对流高发时期，我们根据多普勒雷达回波的形状来判断云的种类，确定其危险性。夏季强对流天气多发，积雨云来去迅猛，危害较大，在周边发生对流天气时，我们对对流云体进行高度扫描，可以看到回波的强度中心、回波高度等信息，利用经验判断，当回波高度在八千米之上时，发生雷暴天气的概率较大，提醒飞机注意雷击，提前避让。当回波高度在一万两千米之上时，发生冰雹概率较大，冰雹可损坏飞机，使飞机风挡、机头雷达罩等设备损坏，直接影响飞行安全。此外，我们可以根据回波移动方向、强度变化等，运用外推法，判断回波中心到达机场的时间和强度等，提醒航班注意避让，合理安排，提高飞行效率，保障飞行安全。

2.2 利用外沿气流判断地面阵风锋

夏季发生强对流天气时，大量的降水引起的拖拽气流冲击地面后四散开，形成阵风锋，短时间内使风速超过20米每秒，洛阳机场训练飞机较小，抗风能力差，强烈的阵风锋引起巨大的风速变化，影响起飞或者降落中飞机的飞行姿态，造成飞机滑出跑道或者提前接地等严重后果，所以提前预防阵风锋在飞行训练中意义重大。强烈的阵风锋在雷达平扫回波上，呈现出均匀离开回波中心的波纹状，好像一块石头投进水中引起的波纹。

如图1，2019年7月14日18时18分雷达回波图，仰角高度1.5度，洛阳机场东北部发生对流天气，对流天气产生的拖拽气流引起一次典型的阵风锋现象，短时间内两次阵风锋过境，机场地面风速由西北风忽然转为东北风，风速最大达到18米每秒，预报员根据多普勒雷达回波特征，运用外推法，判断阵风锋移动速度，准确确定阵风锋到达本场时间，完美保障训练和航班运输避过阵风锋的影响，给飞机飞行保驾护航。

2.3 根据速度图特征分析

多普勒雷达探空得到基本速度图，根据速度图上的零速度线弯曲方向，可以判断高空冷暖平流高度，判断锋面位置，确定锋面是否过境等信息。如图2，以雷达站为中心，零速度线先随高度顺转，之后再随高度逆转，可以分析出以速度转折点为分界，下方有暖平流，上方有冷平流。有时冷暖平流交界很低，下方存在的较低的暖平流形成保护盖，而冷平流强度较弱不足以打破冷暖交界，所以阻止了上下气流的交换，使空气污染物持续存在于下方，影响能见度，所以我们可以根据多普勒速度图中零速度线弯曲方向大致判断冷暖平流交界高度，根据弯曲曲率减小的速度来判断冷暖平流交界的消失时间，暖盖消散后，底层污染物开始冲破暖盖高度，向空中扩散，地面能见度开始转好。同理，如果底层冷平流或者存在逆温层，高层暖平流，稳定的冷暖交界一样能阻止上下气流的交换，影响能见度的扩散和高空风的动量下传。

如图3，根据锋面前后高空风场的特征，结合多普勒雷达速度图像分析，零速度线后方为西北风，前方以多普勒零速度线为分界，分别为入流和出流的两种特征，此时根据零速度线的位置判断锋面正在过境，结合数值预报分析，从而可以用来判断地面天气和地面风等相关要素。

2.4 多普勒雷达的不足之处

多普勒雷达是根据多普勒原理而工作的：波源和物体相互接近时，接收到的频率升高;两者相互离开时，则降低。多普勒雷达就是利用这种多普勒效应制造而成的一种脉冲雷达[2]。故多普勒雷达只能测量物体相对雷达的法向速度而无法测量物体的切向速度，雷达分析出的速度图像不能完全反应物体的真实移动方向，存在无法改变的缺陷。

此外，雷达进行扫描时，顶部区域无法扫描到，所以造成顶部资料缺失。实际应用中，当层状云降水缓慢移动至雷达上空时，回波减弱甚至消失，此刻预报员会误以为降水消失，但实际情况可能是由于云体移动到雷达正上空无法扫描到而引起的预报员误报现象。所以根据此原理，当云体移经雷达站上空时，应注意云体的强度变化，不可因为頂部资料缺失而错误判断降水强度，造成严重后果。

冬季降雪时，因为云团中冰晶粒子较多，小水滴对电磁波的反射较为均匀，而冰晶对电磁波的反射方向杂乱，雷达接收到的回波就无法真实反映云体的强度和含水量等信息，往往会出现看似回波强度很弱，但是却造成强烈的降雪天气，引起航班延误、机场关闭等后果，造成巨大损失。故冬季针对降雪回波，应考虑此种现象，合理预报降雪强度。

3结束语

短期临近预报是天气预报中的一个重点难点，来去迅猛的一些天气现象极大影响了飞行安全，所以提升短期临近预报的质量一直是工作中的要点。多普勒雷达产品众多，使用方法多变，这还需要广大预报员在以后的工作中多加总结，将多普勒雷达运用到短期临近预报中，把预报员的经验和雷达产品相结合，从而准确判断天气种类、强度及影响时间等，对提升预报质量、保障飞行安全具有重要意义。

参考文献

[1] 何洪宁，仝大伟.35G高性能窄波平板雷达产品总体设计[J].中国新通信，2017，（2）：162-163.

[2] 谭毅.多普勒效应的仿真研究[J].实验室科学，2012，（4）：93-95.