新一代天气雷达在强对流天气预报服务中的应用

陈超

（盐城市大丰区气象局，江苏 盐城 224100）

盐城市隶属于江苏省，地处中国东部沿海、江苏省中部，东边靠近黄海，地理坐标处于32°34′N—34°28′N，119°27′E—120°54′E之间。盐城市气候具备过渡性特点，通常将苏北灌溉总渠作为分水岭，在分水岭北边为南暖温带气候，南边为北亚热带气候。盐城市总体受季风气候的影响比较显著，夏季在副高的作用下，天气炎热且多偏南风，气候温暖湿润，降水量丰富，冬季受欧亚大陆冷气团影响，盛行偏北风且多寒冷天气。近年来，在全球变暖加剧的背景下，江苏省盐城市经常发生强对流天气，如冰雹、雷电、短时强降水、大风等天气频发，这些复杂天气往往给工农业生产带来不同程度的危害。尤其是夏天，强对流天气发生的概率特别大，由该天气现象造成的经济损失越来越大。社会大众对于强对流天气的预报服务需求也在增加。为了满足盐城市经济和社会发展中预防灾害性天气的需要，盐城市高度重视气象探测工作的开展，适时启用新一代气象雷达。新一代天气雷达能够实时、准确地获得高精度的强对流天气过程和相关的风场信息，大大提高了雷暴、冰雹、大风等天气的监测能力，在天气预报、预警、人工影响天气作业等气象业务中起到特别关键的作用。本文重点探究了新一代天气雷达在强对流天气预报服务中的应用，以期进一步提升强对流天气预报预警服务水平。

1 强对流天气现象

强对流天气是气象领域中极为复杂的天气现象，一般在短时间内突然发生，伴随着剧烈的运动，对人类生命财产安全有极大的破坏力。冰雹与暴雨是典型的强对流天气类型。一般强对流天气水平范围较小，在200～3 003 km之内，因此强对流天气系统是中小范围的天气系统。气象雷达产品是通过电磁波探测目标的电子设备，在气象领域发挥着至关重要的作用。研究分析天气雷达的反射波，有利于对天气的实际情况进行实时监测，科学合理预测天气发展的趋势，可以比较直观地观察到天气变化及发展趋势，进而对强对流天气进行快速识别及预测。在强对流天气观测预报中应用气象雷达产品，有利于对强对流天气进行自动识别、跟踪及预报，有利于提升强对流天气预报的准确性。

2 新一代天气雷达概述

以往的普通天气雷达的探测原理是借助于云雨目标对雷达发射的电磁波的散射回波来分析判断其空间区域、垂直结构、强弱分布情况等。从20世纪末到21世纪初，新一代气象雷达系统成为中国气象服务现代化非常重要的建设项目。新一代天气雷达的应用不但可以发挥过去普通天气雷达的作用，同时还能够凭借物理多普勒效应来对降水粒子的径向移动速度进行有效把控，然后掌握降水云的移动速度、垂直气流速度以及风场的结构特征。多普勒雷达作为新一代雷达，它可以高质量地显示强降雨、雷电，大风、冰雹等强对流天气的发生发展趋势，还具备定量评估降水、测量回波强度的性能。多普勒雷达不仅能够实时给予各类天气图像信息，而且还能够为各类灾害性天气给予识别以及跟踪的雷达产品。总的来说，多普勒雷达产品大致涵盖两个部分，即基础产品与导出产品。基本产品涵盖三种类型：反射率因子、平均径向速度和谱宽。导出的产品包括组合的反射率因子、速度、回波顶以及垂直液态水含量（VIL）等产品[1]。

3 新一代天气雷达在强对流天气预报服务中的应用

3.1 反射率因子产品

新一代天气雷达反射率因子产品不但能够对降雨的强度、回波的变化以及动态趋势等信息进行直观体现，同时还能够对飑线、层云、积云、锋面等天气学特点作出准确的识别。气象观测业务人员可以通过雷达反射率因子对回波的强度作出判断，从而来预报冰雹、雷电、短时强降水、大风等强对流天气，还可以结合反射率因子随时间的变化来判断降水回波动态变化情况。所以，在强对流天气预报服务中，雷达反射率因子产品应用效果显著，反射率因子产品的特征能够较好地为强对流天气预报服务带来有利的指导依据。

3.1.1 基本反射率

基本反射率表示的是在雷达体积扫描的时候所展现的各扫描仰角的回波强度（dBz）的图像产品。分辨率涉及到1 km、2 km或4 km。距离范围包含230 km或460 km。图像级别包含2类：8与16，级别值伴随气象探测模式的变化而产生变化。基本反射率主要功能是对冰雹潜力、雨雪强度、风暴结构、边界层所处区域的判断。基本发射率对于雷暴、大风、冰雹等强对流天气的预报预测应用非常有益。

3.1.2 强回波比例

如果出现雷暴天气，则第一次雷击时间的预测可依据0℃以上40 dBz高度处正在发展的雷暴单体与回波占25 dBz以上回波的体积的百分比来判断。相关研究已经证实，对电荷分离有重大影响的冰相颗粒因为其所在环境湿度、温度等条件的不同而具有不同的电极性和效率。

3.1.3 回波顶高与组合反射率因子

回波顶部的高度主要表示是在监测到强度超过18 dBz的反射率因子的时候，其上方的雷达能够获取到的最高仰角的回波区域所对应的高度。通常情况下，回波顶部愈高，那么系统的强度便愈强。在气象监测预报服务工作中，若回波高要超出指定的阈值，那么便意味着即将会面临雷电、强降水等强对流天气。然而，因为雷达静锥区的存在，有时会低估雷达周围的回波顶。同时，因为垂直外推方法较少，往往无法对风暴的最高回波顶部进行精准地判断。组合反射率是将垂直空气列中的最大反射率因子投影到网格点上的产品，它反映了1个体积扫描中最大反射率因子的具体状态。依靠CR产品能够尽可能地在短期内判断强中心回波的位置，具有高度显示功能的CR产品也可以准确地确定强对流回波，这非常有利于强对流天气预报预警[2]。

3.2 平均径向速度

径向速度是云和雨粒子在雷达径向上移动速度的组成部分。平均径向速度反映了360°方位角体扫的径向速度数据[3]。通过这些能够获取风暴以及大气结构，还有利于高空分析图的形成以及优化。可以说，此产品属于现阶段强对流预报服务中不可获取的指导资料之一，它对剖析天气形势以提升气象预报的准确度作用较大。将新一代天气雷达与以往的天气雷达进行比较来说，最大优点就是实现了对风矢量在径向上分量的获取，这为强对流天气的预报提供了有利工具。

3.3 谱宽数据

谱宽数据表示速度频谱宽度数据，属于离散速度量的度量。其能够观察湍流、风切变以及速度质量而引起的平均径向速度的动态趋势。此外，还能够了解边界的位置（密度不连续），判断湍流的大小以及检查径向量的有效性，为强对流天气预报服务提供指导。

3.4 垂直液态含水量（VIL）

垂直液态水含量（VIL）是在降水云中某个底部区域网格点的垂直圆柱体中的总液态水分布的图像产品，它是确定冰雹、大风、降水等对流性天气以及防雹减灾的重要指导依据。自从提出垂直累积液态水含量（VIL）以来，它主要用于区分强对流天气引起的恶劣天气，例如大雨、冰雹等复杂天气。在冰雹回波的初期分析中，可以通过雷达回波参数、多因素、双因素、单因素等参数来分析天气，且结合回波的形态特征识别冰雹灾害。随着VIL产品在气象探测中的普及应用，VIL产品开始渐渐变成判断对流风暴强度极其关键指标，它为冰雹预报服务带来有价值的参考依据。

4 结语

综上所述，新一代气象雷达相对于普通雷达而言，图像分辨率更高，且在定量测量回波强度方面性能好，可以较好地对冰雹、强降水、大风、雷暴等强对流天气的形成以及动态变化进行监测以及预报服务。新一代气象雷达可以实时提供各种图像信息，还可以提供自动识别和识别的功能，在强对流天气预报业务中起着非常重要的作用。