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多普勒天气雷达原理与业务应用汇总2011.06.17李一平2020年4月25日内蒙古气象台2主要内容第一章引论第二章多普勒天气雷达原理第三章多普勒雷达图识别基础第四章雷达数据质量控制第五章对流风暴及其雷达回波特征第六章灾害性对流天气的探测与预警第七章雷达产品与算法2020年4月25日内蒙古气象台3第五章对流风暴及其雷达回波特征对对流风暴的探测和预警是天气雷达的最主要的任务。对流风暴通常由一个或多个对流单体组成，对流单体水平尺度从1～2km的积云塔，到几十千米的积雨云系。对流风暴可以分为：普通单体风暴、多单体风暴、线风暴（飑线）和超级单体风暴2020年4月25日内蒙古气象台4雷暴单体生命史三阶段2020年4月25日内蒙古气象台5塔状积云阶段：由上升气流所控制，回波向上、向下同时增长，但是，回波不接地。成熟阶段：上升气流和下沉气流共存，雷达回波接地。消亡阶段：下沉气流所控制，回波强中心由较高高度迅速下降到地面附近，回波垂直高度迅速降低，回波强度减弱，并且分裂消失。2020年4月25日内蒙古气象台6雷暴产生的环境条件主要有:环境的热力不稳定、风的垂直风切变、水汽的垂直分布，触发机制（抬升条件）对流有效位能（CAPE）是气块在给定的环境中绝热上升时的正浮力所产生的能量的垂直积分，是风暴潜在强度的一个重要指标，是用来衡量热力不稳定大小的最佳参量。2020年4月25日内蒙古气象台7在一定的热力不稳定的条件下，垂直风切变的增强将导致风暴进一步加强和发展。垂直风切变能够使上升气流倾斜，这使得上升气流中形成的降水质点能够脱离上升气流，而不会因拖曳作用减弱上升气流的浮力。可以增强中层干冷空气的吸入，加强风暴中的下沉气流和低层空气的外流。再通过强迫抬升使得流入的暖湿气流更强烈地上升，从而加强对流。对流风暴的组织程度与强度与环境风的垂直切变有很密切的关系。2020年4月25日内蒙古气象台8触发对流的抬升条件大多由中尺度系统提供，如锋面、干线、对流风暴的外流边界（阵风锋）、海（陆）风锋、重力波等，此外地形的抬升作用也可以触以或加强对流。需要特别指出的是边界层辐合线的作用。2020年4月25日内蒙古气象台9边界层辐合线所涵盖的范围很广，包括锋面、干线、对流风暴的外流边界（阵风锋）、海（陆）风锋等在边界层内形成风场辐合的系统。边界层辐合线在新一代天气雷达反射率因子图上呈现为窄带回波，强度从几个dBZ到十几个dBZ。产生这样强回波的原因是由于水汽沿辐合线相对集中，造成较强抬升的缘故。对流风暴倾向于在边界层辐合线附近生成，尤其是在两条辐合线有交点附近生成。2020年4月25日内蒙古气象台10多单体风暴回波移动是平流和传播的合成由于风暴由流动的气流组成，因此，风暴具有平流运动，其中单个风暴单体是随着风暴承载层的平均气流方向而平流的。在风暴某侧由新生单体所引发的风暴运动自然数为传播。由于传播效应，风暴整体运动偏离风暴单体的运动方向。传播方向常常是新上升气流发展的方向。通常情况下，当环境为强气流所控制时，风暴运动主要取决于平流，而当对流层环境风场较弱时，传播对于风暴运动起着主导作用。2020年4月25日内蒙古气象台11速度矢端图是将风向、风速随高度变化或风的垂直切变这一三维空间特征在一个采用极坐标系的平面上表示出来，是由各个层的切变风矢量组成的。极坐标系中风矢量以大小和方向来表示。矢量尾位于坐标原点，矢量上的箭头表示风的去向，矢量的长度正比于风速的大小。2020年4月25日内蒙古气象台12多单体风暴和超级单体风暴在速度矢端图上的特征组织完善的多单体风暴的速度矢端图通常表现为基本上单一方向的风切变，这种风切变能促使新生单体在现存单体的有利一侧周期性地产生和发展，如切变足够强，那么多单体风暴将会发展成为超级单体风暴。超级单体风暴速度矢端图有明显特征表现为低层具有强的风切变和明显的速度矢端图曲率，这有利于强风暴的旋转潜势。多单体风暴和超级单体风暴在整个对流层中，它们的风矢量的垂直切变没有明显的差别。它们之间最大的差别在于云底以下低层中风矢量随高度的变化。2020年4月25日内蒙古气象台13相对风暴螺旋度相对风暴螺旋度是衡量风暴旋转潜势的具有明确意义的物理量。相对风暴螺旋度取决于沿相对风暴气流流线方向的水平涡度。相对风暴螺旋度反映了一定气层厚度内环境风场的旋转程度和输入到对流体内环境涡度的多少，其量值反映了低层入流运动方向旋转的强弱。单位为m²/s²。当沿流线方向强涡度与低层强相对风暴气流相结合时，相对风暴螺旋度或旋转潜势尤其大。2020年4月25日内蒙古气象台14相对风暴螺旋度相对风暴螺旋度是指相对风暴风场和顺流线方向涡度的积分效应；其大小与速度矢端图上两个层次之间相对风暴风所扫过的区域面积成比例；能够用以估计风暴从上升气流中获得的旋转潜势的大小。2020年4月25日内蒙古气象台15脉冲风暴脉冲风暴是发展迅速的强风暴，它产生于弱的垂直风切变环境中，同时环境具有较厚的低层湿层和高度的垂直不稳定性。脉冲风暴的回波结构有三个特点：1）初始回波出现的高度，一般在6～9km之间；2）强回波中心值一般大于50dBZ；3）强中心所在的高度也较高，一般在-10℃等温线的高度左右。2020年4月25日内蒙古气象台16中等到强垂直风切变环境中的多单体非强风暴和强风暴雷达回波的主要区别：前者在低层无弱回波区，风暴中不存在强烈的上升气流；后者在低层有弱回波区（WER）和中高层有回波悬垂，有强的上升气流。2020年4月25日内蒙古气象台17依据对流性降水强度和空间分布特征对超级单体风暴进行分类，分为：经典超级单体风暴，强降水超级单体风暴、弱降水超级单体风暴。经典超级单体风暴在不同高度上的回波特征：低层有钩状回波，中层有有界弱回波区，中高层有悬垂回波。2020年4月25日内蒙古气象台18强降水超级单体风暴通常在低层具有丰富水汽、较低LFC（自由对流高度）和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得）和弱的对流前逆温层顶盖的环境中得以发展和维持。弱降水超级单体风暴出现的环境低层具有较低的湿度和较高的自由对流高度LFC，几乎所有的弱降水超级单体都出现在干线（露点锋）附近。2020年4月25日内蒙古气象台19雷达所探测到的强降水超级单体风暴在低层的反射率因子回波特征及其意义表述如下:1）宽广的钩状、逗点状和螺旋状的回波表明强降水包括着中气旋；2）前侧V型缺口回波表明强的入流气流进入上升气流；3）后侧V型缺口回波表明强的下沉气流，并有可能引起破坏性大风。2020年4月25日内蒙古气象台20中气旋中气旋是与强对流风暴的上升气流和后侧下沉气流紧密相连的小尺度涡旋，满足一定的切变、垂直伸展和持续性判据。切向速度与半径成正比，在中气旋核外，切向速度与半径成反比。满足以下判据：1）核区直径（最大入流速度和最大出流速度间的距离）小于等于10公里，转动速度（最大入流速度和最大出流速度绝对值之和的二分之一）超过所给的判据；2）垂直延伸厚度大于等于风暴垂直尺度的三分之一；3）上述两类指标满足的持续时间至少两个体扫。2020年4月25日内蒙古气象台21雷达的两个固有局限性，即波束中心高度随距离增加而增加以及波束宽度随距离增加而展宽，对于探测中气旋有很大影响。第一个局限性使得雷达无法探测到远距离处中气旋的下部甚至完全探测不到中气旋。第二个局限性使得雷达对中气旋识别的难度随着距离的增大而增加，超过一定距离（比如200km以外），基本无法识别中气旋。中气旋的生命史可分为生成阶段、成熟阶段和消散阶段。各阶段的特征2020年4月25日内蒙古气象台22飑线是呈线状排列的对流单体族，其长和宽之比大于5：1。飑线的结构越均匀（线性），则沿着飑线越不容易产生灾害性天气。飑线的断裂处往往是强天气容易发生的地方之一。而飑线非断裂处容易形成灾害性天气的地方可以通过低层强的反射率因子梯度、中层的悬垂回波以及回波顶位置从风暴核心上方移到飑线前沿上方来识别。如果飑线移近某些低层边界（指某种不连续面，如锋面、干线、辐合线和切变线等），则在飑线和边界的交汇处附近的风暴可能成为强风暴，甚至成为超级单体风暴，并且一直持续到飑线离开边界之时。2020年4月25日内蒙古气象台23当风暴中的上升气流与环境的垂直切变气流相互作用时，水平涡度将倾斜为垂直涡度，结果使得气旋性涡旋在初始上升气流的右侧，反气旋性涡旋在初始上升气流的左侧得以发展，从而形成一对涡偶。2020年4月25日内蒙古气象台24第六章灾害性对流天气的探测与预警灾害性天气与强的上升气流和下沉气流的发展有关，并且强的上升与下沉气流以及环境风切变之间的相互作用有关。强对流风暴能够产生龙卷、灾害性大风、冰雹和暴洪等多种灾害性天气。由对流造成的灾害性天气指的是：下沉气流造成的地面阵风速度超过18米/秒，任何形式的龙卷，直径大于2厘米的冰雹以及暴洪。2020年4月25日内蒙古气象台25强对流天气的主观预警技术龙卷的预警大冰雹的识别和预警地面大风的识别与预警暴洪的预警2020年4月25日内蒙古气象台26龙卷龙卷是对流云产生的破坏力极大的小尺度灾害性天气，最强龙卷的地面风速介于110—200米/秒之间。绝大多数龙卷都是气旋式旋转，只有少数龙卷是反气旋式旋转。龙卷气流的结构通常分为五个区，分别为外流区（Ⅰ区）、核心区（Ⅱ区）、角流区（Ⅲ区）、入流区（Ⅳ区）、对流区（Ⅴ区）龙卷分为两种类型，分别是超级单体风暴产生的龙卷和由非超级单体风暴产生的龙卷。2020年4月25日内蒙古气象台27龙卷的预警超级单体龙卷预警产生F2级以上灾害性龙卷的有利的天气背景条件为：1）低层（0-1km）的强烈垂直风切变；2）低的抬生凝结高度。雷达预警指标为强中气旋。2020年4月25日内蒙古气象台28发布中气旋警报的准则（注意：这些是以Oklahoma统计为基础的准则，在做出警报决定之前，所有的因素，包括环境、反射率因子、发展趋势和站点报告一定要加以考虑）如果基于任何上述因素，而未发布灾害性强风暴警报或龙卷警报的话，那么:（1）如果识别出了中气旋则发布灾害性强风暴警报。（2）如果识别出了强中气旋则发布龙卷警报。（注意：在有些情况下，识别出中等强度或弱中气旋就足可以发布龙卷警报。）与强龙卷相联系的中气旋核特征可能在龙卷发生前20-30分钟出现。2020年4月25日内蒙古气象台29龙卷涡旋特征（TVS）在雷达径向速度图上有时还能识别一种与龙卷紧密关联的比中气旋尺度小旋转快的涡旋，在速度图上表现为像素到像素的很大的风切变，称为龙卷涡旋特征，英文缩写为TVS。TVS的定义有三个指标，包括切变（首要）、垂直方向伸展以及持续性。切变在三个指标中最重要。切变指的是相临方位角径向速度的方位（或像素到像素）切变值。技术上，切变可以定义为气流最大内流速度和最大外流速度之间的差除以两者相隔的距离。2020年4月25日内蒙古气象台30非超级单体龙卷这类龙卷常发生在辐合切变线上、以及飑线或弓形回波的前沿，通常与边界层内浅薄的微气旋相联系，预警比较困难。2020年4月25日内蒙古气象台31大冰雹对流风暴中强烈的上升气流是产生大冰雹（直径在2厘米以上）的必要条件。大的对流有效位能CAPE和较大的垂直风切变是产生大冰雹的有利条件。大冰雹常常和超级单体紧密相连，它形成并降落在中气旋周围的钩状回波附近（或弱回波区附近）的强回波中。2020年4月25日内蒙古气象台32大冰雹形成和增长过程与上升气流的速度大小有关，还与上升速度最强的核心周围的中等强度的上升气流区域的大小有关。影响冰雹尺寸的另一个因素是冰雹降到融化层（通常认为近似等于环境湿饱和温度为0度的高度）以下的融化。2020年4月25日内蒙古气象台33大冰雹的雷达识别反射率因子特征（-20℃等温线以上超过50dBZ的反射率因子弱回波区，回波悬垂，有界弱回波区，VIL的大值）三体散射径向速度特征（风暴顶辐散，中气旋）2020年4月25日内蒙古气象台34灾害性大风下击暴流：1