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天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用研究

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：海日古丽·艾合麦提

[导读] 结合天气雷达产品可以对雷雨、大风、冰雹等中小尺度天气系统的发生、发展规律进行科学有效的监测。本文在天气雷达工作原理的基础上，重点分析了天气雷达产品在强对流临近预报中的应用，以确保其在气象领域中可以得到广泛应用，并推动强对流天气临近预报工作的顺利开展。

新疆维吾尔自治区柯坪县气象局海日古丽·艾合麦提 843600

摘要：结合天气雷达产品可以对雷雨、大风、冰雹等中小尺度天气系统的发生、发展规律进行科学有效的监测。本文在天气雷达工作原理的基础上，重点分析了天气雷达产品在强对流临近预报中的应用，以确保其在气象领域中可以得到广泛应用，并推动强对流天气临近预报工作的顺利开展。
关键词：天气雷达产品   强对流天气   临近预报   应用
        引言
        强对流天气主要出现在中小尺度天气系统中，包含对流性大风、短时强降水、冰雹、雷暴等灾害性天气，其主要特征是突发性强、持续时间短、危害性严重，是短时天气预报和气象防灾减灾的重点。自气象领域广泛应用天气雷达以来，在强对流天气监测和预警中发挥着重要作用。本文重点研究天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用，以增强气象部门对强对流天气临近预报水平，确保当地人工影响天气工作、防灾减灾等工作的顺利开展。
        1、天气雷达工作原理
        雷达属于无线电设备，可在电磁波背景下探测目标物距离和特征，可以测定目标物自身性质。一旦电磁波照射到指数不均匀的物体后，会改变电磁波的传播方向，该现象称之为散射。这种现象出现的原因是不能充分抵消电磁波激发的次波。对于大气中的冰晶、水滴和其容量来说，均有可能发生散射。若湍流折射指数不均匀也会出现散射。在大气中传播的雷达电磁波，向后散射的部分光会返回到雷达方向上，有利于雷达天线接收电磁波。而结合向后散射电磁波的频率、相位、延迟时间等，可以准确判断未来天气变化，尤其是在判断降水和风场中发挥着重要作用。
        2、天气雷达产品在强对流临近天气预报中的应用
        2.1反射率因子产品
        在反射率因子产品的基础上，可以将降水强度、降水动态变化趋势以及降水回波变化特征等直观的反映出来，而将反射率因子产品结合天气学特征，可以对锋面、积云、层状云、积层混合云系、飑线等进行识别，且具有较高的准确性水平。若是工作人员可以熟练掌握反射率因子产品，可以方便观测人员对回波强度信息进行准确判断，进而提升对强对流天气类型，如雷雨、大风、冰雹等的精准识别。另外，根据反射率因子随着时间变化情况，可以对降水回波的移动路径、未来发展变化情况等进行判断，这也是气象部门将天气雷达产品广泛应用到强对流临近预报中的主要原因，可使强对流临近预报的时效性和准确性水平得到大幅度提升。
        2.1.1基本反射率
        通过雷达开展体积扫描的过程中，通过图像产品的方式将不同扫描仰角的回波强度显示出的信息就是基本反射率因子，分辨率主要有三种不同的类型，分别是1千米、2千米、4千米，而距离范围在包括两种，分别为230千米、460千米。除此之外，基本反射率产品则包含了8和16两种不同类型的。探测模式变化的同时，基本反射率产品的图像等级也会有一定程度的变化。在出现降水天气的过程中，结合基本反射率产品可以确定其的回波强度、结构特征、移动路径及未来发展趋势等，并在连续演变资料的基础上，准确判断出降水移动方向、降水强度和发展趋势等。对于冰雹来说，其空间结构较为特殊，且电磁波的散射形式，使得冰雹云回波的结构特征较为独特。一旦发现观测到的反射率因子回波强度超过55dBz，说明对流云较强，出现冰雹天气的概率较大。若是通过新一代天气雷达获取冰雹回波，在具备常规雷达回波特点外，还包括其他方面的特征。由于冰雹离子具有较强的散射能力，极易出现“三体散射”，也就说明冰雹天气出现概率增加。结合基本反射率产品，可以对降水量、风暴结构、冰雹潜势、边界层位置等信息进行确定。另外，还能估算强降雨、边界层位置、风暴结构、边界层位置等方面的信息，促进了强对流临近天气观测预报工作顺利开展。

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        2.1.2回波顶高与组合率反射因子
        通常情况下，若是回波强度的反射率因子在18dBz以上就被称之为回波顶高，也就是对应上空雷达观测到的最高仰角回波位置高度。实际上，系统强度会随着回波顶高的增加而上升，反之则会下降。在开展强对流天气临近预报时，若是回波顶高同阈值之间相差的数值较大，说明极易出现雷雨、大风、冰雹等强对流天气。在雷达静锥区的作用下，雷达周围的回波顶高有时要比实际数值要小，若是观测人员对向上垂直外推方法不能熟练掌握，将会使得判断风暴最高回波顶的难度进一步增加。在笛卡尔网格点上垂直空气柱内的最大反射率因子所投射的产品则是组合反射率因子，是体积扫描过程中最大反射率因子的分布形式。在极短的时间内借助于组和反射率产品可以对强中心回波区域位置进行准确判断，且在判断强对流回波的过程中该方法应用频率较高。
        2.1.3强回波比例
       雷暴也属于强对流天气的一种，在对闪电开始时间进行预报的过程中，可以结合0℃高度位置处40dBz以上的雷暴单体与回波超过25dBz的回波体积比例进行确定，该数值就是强回波比例。在相关研究成果的基础上，不难发现在电荷分离中冰相离子发挥着重要作用，由于当时所处环境液态含水量及温湿度的共同作用，直接造成冰相离子效率与电极性之间有很大的差异存在，例如会受到液态含水量、温湿度等相关因素的影响。
        2.2垂直累积液态含水量（VIL）
        实际上，垂直累积液态含水量就是指在确定底面内格点区域在垂直柱体内的液态水分布图像产品，主要表现在降水云体内。在垂直累积液态含水量的基础上，可以准确判断出冰雹、雷雨等强对流天气情况，也是气象部门开展气象防灾减灾的重要手段。自提出垂直累积液态含水量以来，气象部门大都是判断冰雹、暴雨等强对流。早期对冰雹回波进行判断时则结合了雷达回波参数，并识别单因子点据图、双因子点据图以及多因子组合参数，根据回波形态特征对冰雹进行判别。现阶段，垂直累积液态含水量在气象部门中得到了广泛应用，可以对风暴强度进行判别，也在强对流临近天气预报和预警工作中发挥着重要作用。
        2.3平均径向速度产品
        平均径向速度产品就是通过360°方位体积扫描后获取的径向速度数据，可以将运动中的雨云离子速度在雷达径向上的分量表示出来。结合径向速度产品可以将大气和风暴结构推算出来。而形成高空分析图的同时，可以适当调整径向速度。径向速度产品是强对流天气观测预报业务的重要参数，在分析强对流天气和提升预报准确率方面均发挥着十分重要的作用。将其与普通的气象雷达进行对比，通过新一代天气雷达可极易获取到风矢量，不仅促进了强对流天气临近预报工作的开展，还提升了预报的准确性。
        2.4谱宽数据
        在谱宽数据的基础上可以反映出速度谱宽数据，它是表征速度离散度的度量。湍流、风切变、速度样本质量变化的平均径向速度信息均属于谱宽数据范畴，可以判断径向量的有效性、密度不连续面的边界位置，同时还能估算出湍流大小，进一步推动了强对流天气临近预报的正常进行。
        结论：
        综上所述，天气雷达是对强对流天气进行监测的有效工具，由于新一代天气雷达产品较为丰富，且能实现持续观测，可以为气象部门提供强对流天气的微观结构及环境场信息，还能获取定量化天气信息，为强对流天气预报产品的制作提供了便利，有效提升了气象预报的准确性和时效性水平，同时还增强了人们对中小尺度天气的应对能力。
参考文献：
[1]米日吉丽·米吉提,帕提曼·阿布都艾尼.新一代天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用分析[J].科研，2017（05）：162.
[2]徐正敏，王世枢，孙建印.新一代天气雷达产品在强对流天气临近预报中的应用[C].中国气象学会雷达气象学与气象雷达委员会第二届学术年会文集，2006.
作者简介：海日古丽·艾合麦提（1993.02），女，维吾尔族，新疆巴州轮台县人，本科，助理工程师，从事气象工作。