核心原理:发射电磁波并分析回波
天气雷达(通常指多普勒天气雷达)的核心工作原理是:
发射脉冲: 雷达天线向大气中发射特定频率(通常是
S波段(2-4 GHz)或C波段(4-8 GHz))的强电磁波脉冲(波长在厘米量级)。
传播与散射: 电磁波脉冲在大气中传播。当它遇到目标物(如雨滴、雪花、冰雹、昆虫甚至鸟群)时,部分能量会被这些目标物向各个方向散射。
接收回波: 雷达天线在发射脉冲的间隙,会切换到接收模式,捕捉被目标物散射回雷达的那部分微弱能量(即
回波信号)。
测量与分析: 雷达系统精确测量:
- 回波强度(反射率因子): 回波信号有多强?这主要取决于目标物的大小、数量(浓度)和物理性质(介电常数)。对于降水,大滴或高浓度的雨滴会产生更强的回波。
- 回波时间差: 从发射脉冲到接收到回波信号的时间差,乘以光速,就能计算出目标物离雷达的距离。
- 相位变化(多普勒效应): 这是多普勒雷达的关键!利用发射波与接收回波之间的频率偏移(相位差),可以计算出目标物相对于雷达的径向运动速度(朝向或远离雷达的速度分量)。
追踪暴雨的关键探测技术:
反射率因子(Z) - 识别降水存在与强度:
- 原理: 雷达测量接收到的回波功率,经过复杂的校准和计算,最终得到反射率因子(通常用 dBZ 表示)。dBZ 值越高,表示该位置上的散射体(通常是降水粒子)越大或浓度越高。
- 追踪暴雨: 暴雨通常伴随着大而密集的雨滴。因此,雷达回波图上出现大范围、高 dBZ 值(例如 > 50 dBZ)的区域,往往指示着强降水或暴雨发生的可能性。通过连续扫描,可以清晰地看到这些高反射率区域的移动、发展和消散,从而追踪暴雨云团的位置、范围和强度变化。
- 局限性: 反射率因子主要反映粒子的大小和浓度,不能直接区分雨、雪、冰雹或地物杂波(如山脉、建筑物)。高反射率也可能是由大冰雹或非常密集的小雨滴(毛毛雨)引起。
多普勒速度(V) - 探测风暴内部风场与结构:
- 原理: 利用多普勒效应,雷达测量降水粒子沿雷达波束方向(径向)的运动速度。朝向雷达的运动产生负速度(通常用冷色调表示,如蓝色),远离雷达的运动产生正速度(通常用暖色调表示,如红色)。
- 追踪暴雨:
- 识别强上升气流区: 在强雷暴或暴雨系统中,强烈的上升气流会将雨滴甚至小冰雹向上托举。在雷达速度图上,这表现为朝向雷达(负速度)和远离雷达(正速度)紧密相邻的小区域(称为速度对或中气旋特征)。这是判断风暴是否具有强对流潜力和可能产生暴雨(甚至龙卷)的关键指标。上升气流越强,能托举的水汽越多,降水潜力越大。
- 识别辐合/辐散区: 速度图上出现大范围的辐合(风朝向一个中心点汇聚)或辐散(风从一个中心点向外发散) 特征,指示着大气低层的抬升或下沉运动,这与暴雨系统的触发、维持和消亡密切相关。例如,阵风锋(冷池出流边界)前的辐合线常常是新生雷暴的触发点。
- 追踪风暴整体移动: 通过分析风暴主体部分的平均径向速度,可以预测风暴的移动方向和速度,从而预判暴雨区未来的位置。
- 局限性: 只能测量径向速度分量(朝向或背向雷达的速度)。垂直于雷达波束方向的风速无法直接测量(称为“零速度区”)。需要结合多个雷达或风廓线资料来获取完整风场。
谱宽(W) - 反映风场湍流与粒子多样性:
- 原理: 谱宽测量的是同一距离库内,不同散射体径向速度的离散程度(标准差)。谱宽大,意味着该区域内的粒子运动速度差异很大。
- 追踪暴雨:
- 指示强湍流区: 高谱宽值通常出现在强风切变区、湍流区、龙卷涡旋区、冰雹区或雷暴的出流边界(阵风锋)。这些区域往往与强对流风暴的活跃部分相关联,暴雨常发生在这些区域或其下风方。
- 区分降水类型: 冰雹区由于大小粒子下落速度差异大,谱宽通常比纯雨区大。这有助于在强回波区中识别可能的冰雹,避免将冰雹高反射率误判为更强的降雨。
- 局限性: 谱宽信息相对复杂,需要结合反射率和速度图一起解读。
双偏振技术(Dual-Polarization) - 提升降水识别与定量估测精度:
- 原理: 这是现代天气雷达的重大进步。传统雷达只发射和接收单一偏振(通常是水平偏振,H)的电磁波。双偏振雷达交替或同时发射和接收水平(H)和垂直(V) 两个偏振方向的电磁波。通过分析这两种偏振回波的差异,可以获得更多关于降水粒子形状、大小分布、相态(雨/雪/冰雹/霰)和取向的信息。
- 关键双偏振变量:
- 差分反射率(Zdr): 水平与垂直反射率因子之比(dB)。球形粒子(小雨滴)Zdr接近0;扁椭球形的雨滴(大雨滴)Zdr为正;冰雹(近似球或随机取向)Zdr接近0或负;雪片(扁平)Zdr为正。
- 相关系数(ρhv): 水平与垂直回波信号的相关性(0到1之间)。均质降水(如小雨)ρhv接近1;非气象目标(地物、昆虫)、融化层(冰水混合)、大冰雹区ρhv会降低。
- 差分相位(Φdp)和比差分相位(Kdp): 测量H和V波在穿过降水区域后的相位差及其随距离的变化率。Kdp对液态水含量非常敏感,尤其适用于强降雨(暴雨)的定量估测,因为它受部分遮挡(如山脉)和雷达标定误差的影响较小,且对大雨滴更敏感。
- 追踪暴雨:
- 精确区分降水类型: 有效区分雨、雪、冰雹混合物,避免将冰雹高反射率误判为暴雨,提高暴雨预警的准确性。识别融化层高度,有助于理解降水相变过程。
- 改进降水定量估测(QPE): 结合Z、Zdr、Kdp等变量建立的算法,能更准确地估算降雨率(R)和累积降水量,尤其是在强降雨(暴雨)区域。Kdp在暴雨估测中表现尤为突出。
- 识别地物杂波和非气象回波: 利用ρhv和Zdr特征,能更好地过滤掉山脉、建筑物等非降水回波,减少误报,更清晰地聚焦真实的暴雨云团。
- 识别冰雹和强对流特征: 结合低ρhv、高Z、接近0的Zdr等特征,能更可靠地识别大冰雹区,这是强对流风暴(常伴随暴雨)的标志之一。
实际应用中如何追踪暴雨:
扫描策略: 雷达通过天线仰角旋转和方位角扫描,形成三维锥面扫描(PPI)或垂直剖面(RHI)。业务雷达通常采用多层(如VCP 12, VCP 212)扫描模式,获取不同高度的风暴结构信息。低仰角扫描对探测低层降水、风场和边界层特征(如阵风锋)最有效,是追踪暴雨的关键。
数据融合与显示: 雷达原始数据经过复杂的信号处理、质量控制(如去地物杂波、速度退模糊)后,生成各种产品图(反射率图、速度图、谱宽图、双偏振变量图)供预报员分析。现代系统还能自动识别风暴单体、追踪其路径、计算风暴属性(如垂直积分液态水含量VIL)。
预报员分析:- 定位强回波核: 在反射率图上识别高dBZ(>45-50 dBZ)的持续区域。
- 分析风暴结构: 在速度图上寻找中气旋(速度对)、辐合线、阵风锋等特征,判断风暴强度和发展趋势。
- 利用双偏振信息: 结合Zdr、Kdp、ρhv确认降水类型,排除冰雹干扰,利用Kdp高值区更精确地圈定暴雨核心区及其降雨率。
- 追踪移动: 比较连续时次的回波图,确定风暴或暴雨区的移动方向和速度,外推其未来位置(短临预报)。
- 识别触发机制: 分析边界层辐合线、地形抬升等触发暴雨的天气系统位置。
- 结合其他资料: 将雷达信息与卫星云图、地面自动站雨量、探空资料、数值模式预报等结合,做出更综合的判断。
总结:
天气雷达(尤其是现代多普勒双偏振雷达)通过发射电磁脉冲并精确分析其回波的强度(反射率Z)、径向速度(多普勒V)、谱宽(W)以及双偏振信息(Zdr, ρhv, Kdp),构建了对暴雨云团进行三维“CT扫描”的能力。它不仅能定位暴雨的位置和范围,更能洞察其内部结构、风场特征、降水粒子相态和微观物理过程,从而实现对暴雨的追踪、强度评估、短临预报以及更精确的定量降水估测。双偏振技术的引入是革命性的,极大地提升了暴雨识别和定量测量的精度与可靠性,是现代精细化天气预报和防灾减灾不可或缺的核心探测工具。